半导体直流稳压电源的设计和测试

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1、2XXX大学本科毕业论文学校代码： XXX学 号： XXX 大 学模拟电路课程设计课 题：半导体直流稳压电源的设计和测试学生姓名：XXX学 院：工学院专 业：电子信息工程班 级：2008级指导教师：XXX 副教授二一年 七 月20XXX大学本科课程设计前 言为培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，我们现初次进行模电课程设计。本课程设计的编写是以实验研究为主线，以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容，按照实验是什么，为什么，做什么，怎么做的逻辑思维体系和实验的构成要素为教材内容展开。 通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具

2、有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。为了全面介绍科学实验研究的技术方法，在加强的直接实验方法的同时，力求使学生尽快掌握当前先进科学技术，本课题设计所用到的Protel99等技术的新手段，新工具。在这次课程设计中，非常感谢老师及同学的帮助！由于时间仓促及个人水平有限，本说明难免有错，敬请老师同学提出批评并指正。 设计者：XXX 2010年7月27日目 录一 前 言1二 设计任务3三 方案的选择及论证5四 原理分析8五 参数选择及数据处理12六 原理图15七 主要元器件和工具16八 调整与测试17九 心得体会19十 参考文献19设计任务半导体直流稳压电源的设计和测试（一）设计目的1、

3、学习直流稳压电源的设计方法；2、研究直流稳压电源的设计方案；3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法；（二）设计要求和技术指标1、技术指标：要求电源输出电压为12V（或9V /5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。2、 设计要求（1） 设计一个能输出12V/9V/5V的直流稳压电源；（2） 拟定测试方案和设计步骤； （3） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；（4） 要求绘出原理图，并用Protel、Visio画出印制板图； （5） 测量直流稳压电源的内阻；（6） 测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压

4、；（7） 撰写设计报告。（三）设计提示1、设计电路框图如图所示负载稳压电路滤波电路整流电路变压器图 直流稳压电源电路结构框图稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用3DD或3DG等型号；若用集成电路选78XX和79XX稳压器。测量稳压系数：在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出vo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=VoVI/VIVO。测量内阻：在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的Vo，ro=VO/IL。纹波电压测量：叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV级。可将其放大后，用示波器观测其峰峰值VOP

5、-P；用可用交流毫伏表测量其有效值VO，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。2、实验仪器设备自耦变压器一台、数字万用表、交流毫伏表、面包板或万能板、智能电工实验台、示波器3、设计用主要器件 变压器、整流二极管、集成稳压器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、电容、电阻若干3、参考书电工学电子工业出版社；晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社； 电子线路设计实验测试华中科技大学出版社 模拟电子技术基础高等教育出版社（四）设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、列出测试数据表格。4、调试总结。（五）设计总结1、总

6、结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较。2、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。方案的选择及论证半导体直流稳压电源主要由滤波电路、稳压电路决定，采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。方案一：简单的并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中此方案不适合。方案二：输出可调的开关电源；开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比

7、较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中此方案不适合。案三：由固定式三端稳压器（7812、7912）组成由固定式三端稳压器（7812、7912）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+12V和-12V，它属于CW78*和CW79*系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。根据实验设计要求，本实验采用方案三。任务书要求输入220伏的交流电，输出为正负12V、9V、5V的稳压直流电，则首先应该进行降压处理，然后要对降压后的交流电进行整流，再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理，最后对直

8、流点进行最后的稳压处理。（一）降压的过程，直接选用实物降压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器，具体情况根据实际需求而定。在此次我们选用的是12V变压器。（二）然后是整流过程，自然而然选择了优点突出的桥式整流电路，它由4只二极管构成，连接方法此不做说明，在以后的原理图中将做详细的说明。 （三）对于滤波过程，我们用电容滤波电路来实现，它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成一个电容滤波电路。（四）最后的稳压器选择，我们选择了集成电路，又根据任务书中的提示，选择了三端可调输出集成稳压器，它主要由LM317芯片和两个电解电容以及两个二极管和若干电阻和电容构成，具体

9、不再介绍，后面的原理图将会给出三端可调输出集成电路的构成图。(五) 直流稳压电源也可由硅稳压二极管稳压电路来实现，下面仅做简单的论述，本次课程设计主要论述三端可调输出集成稳压器。硅稳压管的伏安特性及符号如图1所示。滤波电路：将脉动的直流电变成平滑的直流电。稳压电路：抑制电网电压和整流电路负载的变化引起的输出电压变化，将平滑的直流电变成稳定的直流电。1硅稳压二极管的特性(1) 稳压管工作在反向击穿状态。(2) 当工作电流满足条件时，稳压管两端电压几乎不变。2稳压二极管的主要参数(1) 稳定电压稳压管在规定电流下的反向击穿电压。(2) 稳定电流IZ稳压管在稳定电压下的工作电流。(3) 最大稳定电流

10、IZmax稳压管允许长期通过的最大反向电流。(4) 动态电阻rZ稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即rZ = DVZ/DIZ。此值越小，管子稳压性能越好。 图1硅稳压管的伏安特性及符号3稳压管稳压电路的工作原理(1) 电路图稳压管稳压电路如图2所示。V为稳压管，起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作用。(2) 电路的稳压过程：VOIZIRVRVO(3) 应用：小功率场合。 图2 硅稳压管的伏安特性及符号电路优点是结构简单，调试方便；缺点是输出电流较小、输出电压固定，稳压性能较差。因此，只适用于小型电子设备。4）电路图见下图，如图3所示： 图3硅稳压电路图（1）稳压管稳压电路如上图所示

11、。Dz为稳压管，起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作用。(2) 电路的稳压过程：VOIZIRVRVO 5）测量硅稳压管两端电压 得6.33v 用开短路法测得测量硅稳压管两端电流、电阻分别为： 59.8mA 106原 理 分 析1直流稳压电源的基本原理流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2直图2 直流稳压电源基本框架图各部分的作用：（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电

12、路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 图3 全波整流滤波 图4 桥式整流滤波各滤波电容C满足RL-C（35）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。 图5 等效电路图（3）三端集成稳压器：常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有LM317系列，它们的输出电压从1.25V37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图6所示，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压U

13、o的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）式中R1一般取120240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。图6 LM317系列电路图2稳压电流的性能指标及测试方法 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。测试电路如图7。图7稳压电源性能指标测试电路（1） 纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹

14、波不是正弦波，所以有一定的误差。（2）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。（3） 电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。（4） 输出电阻及电流调整率输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。参数选择及数据处理一. 数据的选择1、根据三端可调

15、试输出集成稳压器的特点：当输入电压为240伏范围内变化是，电路均能正常工作，并且输出端与调整端之间的电压等于基准电压1.25伏，而整流电路的输出端电压平均值U=0.9U2，即0.9U2在240伏间取，所以可取的输出电压为12伏的降压器。2、对于滤波电路电容的选取： 可由纹波电压VOP-P和稳压系数SV来确定。已知，Vo=9V,Vi=12V,Vop-p=5mA,SV=310-3 .则由式由式 得滤波电容，电容C的耐压应大于。故取2 只2200F/25V的电容相并联。3、稳压器内部设计满足：选可调式三端稳压器LM317，其特性参数Vo=1.2V37V,Iomax=1.5A,最小输入、输出压差（Vi

16、Vo）max=40V。组成的稳压电源电路，由式得Vo=1.25(1+RP1/R1),取R1=240，则RP1min=336,RP1max=1.49k,故取RP1为4.7K的精密线绕可调电位器。 4、其它元器件的作用：V用于防止短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器；C2用于减少输出纹波电压。R2用于调节输出电压大小。二.电路的调试与检测1 静态调试当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。B、对照原理图，检查各元件是否接正确。2 动态调试a、稳压电源的性能

17、指标的测试 1）、输出电压的测量接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正源输出电压为+10.50V，负电源输出电压为-10.48V。 2）、内阻的测量在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的VO，即用开短路法可测得电源内阻。测得数据如下：IA+=0.22A， VO+=10.50VIA-=0.218A， VO-=10.48V根据以上数据可得电源内阻为：r+=VO+IA+ =10.50V/0.22A = 47.70r-=VO-IA- =10.48V/0.218A =48.013）、稳压系数的测量 稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的

18、相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数 Sr=（VO/VO）/（VI/VI） IO=常数，T=常数 Sr的测量电路如图5所示： 图5测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加 10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压VO1；再调节自耦变压器使输入电压减少 10%，即Vi=198V，测量此时对应的输出电压VO2，然后再测出Vi=220V时对应的输出电压VO，则稳压系数Sr=（VO/VO）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1-VO2）/VO根据上述测量方法，可对正负双电源进行测试，测试数据如下：当Vi=198V时，测得数据为：VO1+=10.12 V， V01-=10

19、.09V当Vi=242V时，测得数据为：VO2+=10.14V， VO2-=10.11V当Vi=220V时，测得数据为：VO+=10.00V， VO-=9.98V由以上所测数据，可得稳压系数为： Sr + =（VO+/VO+）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1+-VO2+）/VO+ 0.00167Sr - =（VO-/VO-）/（Vi/Vi） =220/（242-198）（VO1-VO2-）/VO- 0.00168 b、误差分析1）、误差计算+Vcc%=（12.00-10.50）/12.00=12.5%-Vcc%=10.48-12.00/12.00=12.67%2）、误差原

20、因综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:a)元件本身存在误差；b)焊接时，焊接点存在微小电阻；c)万用表本身的准确度而造成的系统误差；d)测量方法造成的认为误差。5.3调试中注意事项调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证高度准确的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：1.正确使用测量仪器的接地端凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应和仪器的接地端接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不但会使仪器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。若使用干电池的万用表进行测量，由于电表的两个输入端是浮动工作的，所以允许直接跨接

21、在测量点之间。2.正确选择测量点用同一台测量仪进行测量时，测量点不同，仪器内部引进的误差大小将不同。3.测量方法要方便可行需要测量电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流，因为测电压不必改动被测电路，测量方便。若需知道某一支路的电流值，可以通过测该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。原 理 图主 要 元 器 件 及 工 具元器件12伏变压器一个 万用电板一块电源芯片317一片二极管一个电容： 0.1F，1F, 10F各一个，2200F两个。电阻： 阻值为240一个；滑动变阻器幅值为4.7k，18各一个；桥式整荡器一个 插头一个 导线若干工具：尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子；烙铁、烙铁架；万用表。

22、调 整 与 测 试（一）在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查：（1）、电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。一般用兆欧表进行检测，也可以用万用表。 （2）、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成变压器损坏或电源故障。（3）、三端稳压器的输入、输出和公共一定要识别清楚，不能搞错。特别是公共端不能开路，如果开路，很可能导致负载损坏。（4）、二极管的引脚（或整流桥的引脚）和滤波电容器的极性不能接反，否则将会损坏元器件。（5）、检查负载端不应该有短路现象。（二）、直流稳压电源的调整测试一般分为三步进行，空载检查测试、加载检查测试和质量指标测试。1、 空载检查测试（

23、1）将变压器的输出端的正极端断开，用万用表测量变压器的二次交流电压值，其值应符合设计值。然后检查变压器的温升。若电压器性能正常，则可以进行下一步测试。（2）变压器的正极输出段接上，而将整流器的正极输出端断开，接通电源，观察电路有无异常。然后用万用表测滤波电路输出电压U1，其值应接近于1.4U2。否则短开电源检查再通电测试。(3) 开负载，通电后测试输出电压UO ，其变化范围应为设计值。最后进行稳压器输出、输入端的电压差，其值应大于最小电压差。2、负载检查测试下面进行接负载检测，接负载测试U2、U1、UO的大小，观察其是否符合设计值，并根据UI、UO及负载电流IO核算集成稳压电路的功耗是否小于规

24、定值。然后用滤波器观察稳压器输入输出端的纹波电压。此外还可检查 桥式整流电路四只二极管特性是否一致。3 、质量指标测试(1)电压调率SU的测试由于支流稳压电源的电压调率都比较小，若要准确测试输出电压的变化量，则要采用数字式电压表， 也可用万用表的小量程测试。为调节交流输入电压，支流稳压电源输入段可接入一自耦变压器。调节自耦变压使UI等于220伏，调节电源及负载RL使IO、UO为额定值，然后调节自耦变压，使UI等于242伏和198伏，并测出电影的输出电压UO ，得到关于变化量。SU=( UO/UO)/UI100%，且 IO =0 T=0，SU= 65%（）电流调整率及输出电阻的测试使位伏，分别测

25、量和为额定值的电压，将对应的输出电压变化量和负载变化量带入公式，即可得和测得 SI = 68%，RO =0.067欧（）纹波电压的测试使为伏并保持不变，在额定输出电压或额定输出电流的情况下，用示波器测出输出电压中纹波电压的峰值。心 得 体 会很荣幸这个学期我们专业开设了本次课程设计的课程，这一次的设计对于我来说都是一种考验。也为了我以后能设计出更多更好的电子产品打下坚实的基础。现代社会是一个电子盛行的社会。随着现代电子设计技术的不断发展，对于我们新一代的电子设计人才来说是一种挑战，也是一种机遇。会更加激发我们的斗志！在这次课程设计中,我学到了在课本上学习不到的东西,进一步的了解和熟练了Prot

26、el制作原理图,并且学会了在Protel里怎样绘制元器件和怎么把所绘制的元器件放入元件库。学会了各元件的功能分析及元件内部电路的结构。在动手技能方面有了很大进步，也知道了理论知识的重要性，在没有理论知识的条件下，你又没有经验，你是很难做好这次课程设计的。我们这次课程设计要有理论知识后，动手的时候就快了许多。在做的时候，布线是一个很重要的环节，如果你布线整齐、美观就给别人留下了好的第一感觉。通过这学期的模电课程设计，使我从中受益匪浅，我认识到了自己的以前许多许多的不足和缺点。我明白了要想把理论和实际，还是有一定距离的。我懂得了一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。 XXX XXX 20107.27参考文献1 电工学电子工业出版社；晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社。2 电子线路设计实验测试华中科技大学出版社3 模拟电子技术基础高等教育出版社4 熊幸明、曹才开、王新辉.电工电子技能训练.北京：电子工业出版社，2005.5 彭介华.电子技术课程设计指导. 北京：高教出版社，2002.