电子工艺实训直流稳压电源论文.docx

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电子工艺实训直流稳压电源论文

目录

1绪论0

1.1课题的研究背景及意义1

1.2稳压电源的发展2

2设计目的、内容及要求2

2.1设计目的........................................................................................................................2

2.2设计的初始条件及主要任务、要求2

2.3设计思路3

3稳压电源的分类、组成及技术指标4

3.1稳压电源的分类4

3.2直流稳压电源的基本组成5

4稳压电源常用元器件及电路6

4.1晶体二极管6

4.1.1晶体二极管的工作原理6

4.1.2硅整流二极管的主要参数及定义6

4.2整流电路6

4.2.3单相桥式整流电路6

4.3滤波电路7

3.3.1电容滤波电路7

4.4稳压电路9

3.4.3集成稳压电路9

4.5保护电路9

3.5.1过热保护9

4.6指示电路10

5电源的设计及制作11

5.1设计要求及设计工具11

5.1.1设计要求11

5.1.2设计工具11

5.2电源的制作11

5.2.1制作PCB12

5.2.2焊接12

6稳压电源的调试13

6.1通电前的检查13

7设计报告总结14

参考文献及原理图附件15

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

稳压电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。

人所皆知，所有用电设备，包括电子仪器仪表、家用电器等，对供电电压都有一定的要求。

例如：

有些电视机要求220V的电网电压变化不能超过±20%，即从198V到242V之间，如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。

至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。

为解决用电设备要求供电稳定，而市电电网电压又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳压电源。

事实上，稳压电源的输出，是相对稳定而并非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以允许的范围之内。

产生这些变化的原因主要有以下几个方面：

（1）由于电网输入电压不稳定所导致。

电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初；

（2）由于供电对象引起的，即由负载变化引起。

如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压将会升高。

即使不是这两种极端情况，负载电阻的变化也会引起稳压电源输出电压的变化；

（3）由于稳压电源本身造成的。

构成稳压电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动；

（4）由于元器件受温度、湿度等环境影响而性能改变也会影响稳压电源输出不稳定。

一般来说，稳压电源电路的设计首先考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳压电源中放大器的放大量等。

在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。

但在设计高精度稳压电源时，必须要高度重视第四个因素。

因为在高稳定度电源中，温度系数和温漂这两个关键的技术指标的好坏都由这个因素决定。

本次设计针对线性稳压电源，其在日常生活中的应用相当普遍，选择做此项目，可以熟练的掌握此项技术，更利于所学知识的巩固及能力的提高，理论更贴近实际，对自已的长远发展有着深远的影响。

学习制作直流稳压电源可以：

（1）学习基本理论在实践中应用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力；

（2）学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法；

（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.2稳压电源的发展

说到稳压问题，可以追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。

到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压电源及相应的技术文献。

电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。

在20世纪40年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在应用。

20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源构成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。

这种电源虽然性能优良，但它最大的缺点是由于功率调整管与负载串联，并且晶体管工作在线性区域，稳压电源的输出电压调节与稳定借助于功率晶体管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很厉害，散热便成了很大的问题。

随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元器件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。

这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益暴露。

20世纪60年代后期，科技工作者对稳压电源技术进行了一次新的总结，使开关电源和可控硅电源得到了快速发展。

与此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也在不断发展。

从1967年美国BobWidlar发明了第一块集成稳压电源uA723至今，集成稳压电源品种之多、系列之全使人们刮目相看。

目前，线性集成稳压电源已经发展到几百个品种，类型也多种多样。

按结构形式可以分为串联型和并联型集成稳压电源；按输出电压类型可以分为固定式和可调式集成稳压电源；按管脚的引线数目可以分为三端式和多端式集成稳压电源；按制造工艺可以分为半导体式、薄膜混合式和厚膜混合式集成稳压电源；按输入和输出之间的压差又可以分为一般压差和低压差两大类，等等。

2设计内容及要求

2.1设计目的

（1）、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

（2）、学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

（3）、培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

2.2设计的初始条件及主要任务

2.2.1设计的初始条件

可选元件：

变压器220V/18V；LED二极管、整流二极管或整流桥若干，2.2mF、470uF电解电容、10uF瓷片电容、电阻、电位器若干；根据需要选择三端集成稳压器LM317、LM337、LM7805、LM7905；交流电源220V，电烙铁、覆铜板、焊锡、漆包线、钳子等。

可用仪器：

示波器，万用表

2.2.2设计任务、要求

1）.主要性能指标：

（1）输出电压Vo：

±5，±1.25-±12V连续可调。

（2）最大输出电流Iomax=800mA

（3）纹波电压ΔVop-p≤5mV

（4）稳压系数Sv≥3X10-3上

2）.设计要求：

（1）依据已知设计条件确定电路形式。

（2）计算电源变压器的效率和功率。

（3）选择整流二极管及计算滤波电容

（4）安装调试与测量电路性能，画出实际电路原理图。

（5）按规定的格式，写出课程设计报告。

3）、稳压系数Sv（电压调整率）

稳压系数定义为：

当负载保持不变，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即：

4）、纹波系数

定义稳压电路输入电压Ui中的交流分量udi和输出电压Uo中的交流分量udo之比为纹波系数γ。

γ=udi/udo

2.3设计思路

本设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、电源指示五个部分。

变压电路：

将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。

整流电路：

将交流电压变成脉动的直流电压。

滤波电路：

由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。

稳压电路：

在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。

电源指示；显示当前的电路通断情况，方便了解电源当前的工作状况。

3稳压电源的分类、组成及技术指标

3.1稳压电源的分类

稳压电源的分类没有明确的含义和界限，一般都是按照习惯或通用的方法进行，在此简单介绍几种。

以稳压电源稳定的对象来分类，可以分为交流稳压电源和直流稳压电源两种。

交流稳压电源的输出电压是交流的，直流稳压电源的输出电压是直流的，两者通常都用交流电网供电。

以稳压电源的稳定方式来分类，可以分为参数稳压电源和反馈调整型稳压电源两种。

参数稳压电源主要是利用元器件的非线性实现稳压。

例如，仅用一只电阻和一只硅稳压管二极管就能够参数稳压电源。

反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它把稳压电源输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元器件，使输出电压得到补偿而趋近于原值，从而达到稳压。

以稳压电源的调整元器件与负载的连接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。

调整元器件与负载并联的叫做并联稳压电源或分流式稳压电源。

它通过调整元器件流过电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。

这种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。

调整元器件与负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。

在这种稳压电源中，调整元器件串接于输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元器件改变自身的等效电阻来维持恒定。

调整元器件如果是晶体管，就是我们通常所说的晶体管串联稳压型稳压电源。

以调整元器件的工作状态来分类，可以分为线性稳压电源和开关稳压电源。

调整状态元器件工作在线性状态的是线性稳压电源，调整状态元器件工作在开关状态的是开关稳压电源。

开关稳压电源又有很多分类，例如自激式、他激式、斩波式、推挽式、半桥式和全桥式等。

以调整元器件的品种来分类，可以分为稳压二极管稳压电源、晶体管稳压电源、可控硅稳压电源等。

此外，还有其他的分类方法，例如：

集电极输出型稳压电源，发射极输出型稳压电源；高精度稳压电源，高压稳压电源；通用稳压电源，专用稳压电源等。

稳压器的分类有时也是错综交织的。

例如：

一台稳压电源可以同时是直流、闭环反馈、线性调整、串联、晶体管集电极输出、专用、高精度稳压电源。

但一般不必这样说明，只要表示出其主要特点就行。

3.2直流稳压电源的基本组成

直流稳压电源要将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，基本框图如图2-1所示：

图2-1直流稳压电源的基本框图

图2-1直流稳压电源的基本框图

四个环节的工作原理如下：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。

常用的整流电路有全波整流、桥式整流等。

桥式整流电路是由四个二级管构成的一个整流电路，电压提供可以是一组交流电源输出为全波的脉动直流电。

其优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

全波整流电路中一种是桥式整流，另一种是双半波整流。

要求提供的电压的变压器为两个相同线圈串连在一起，三个线头两端各接一个整流管，构成两个半波整流电路两个二级管的末端接在一起，同中间的串连接头，分别为电路的正负极。

（3）滤波电路：

整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于0.01。

故整流输出的电压必须采取一定的措施．尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。

尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压维持稳定，基本不随交流电网电压和负载的变化而变化。

4稳压电源常用元器件及电路

4.1晶体二极管

4.1.1晶体二极管的工作原理

晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

4.1.2硅整流二极管的主要参数及定义

由于各类二极管的作用不同，其技术参数的侧重点也有差异，下面以在稳压电源中最常用的硅整流二极管为例进行论述。

（1）额定正向整流电流IF（平均值）：

在规定的使用条件下，在电阻性负载的正弦半波整流电路中，允许连续通过半导体整流二极管的最大工作电流；

（2）正向电压降UF（平均值）：

半导体整流二极管通过额定整流电流时，在电极间产生的电压降；

（3）反向漏电流IB（平均值）：

半导体整流二极管在正弦半波最高反向工作电压下的漏电流；

（4）击穿电压UB（峰值）：

半导体整流二极管反向为硬特性时，其反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值；如果为软特性时，则其值为给定的反向漏电流下的电压值。

4.2整流电路

把交流变成脉动直流的过程叫整流。

常用的整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式等几种。

4.2.1单相桥式整流电路

单相全波整流电路如图3-3所示：

图3-3单相桥式整流电路

u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。

此时电流的路径为：

a→D1→RL→D3→b；u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。

此时电流的路径为：

b→D2→RL→D4→a。

单相桥式整流电压的平均值为：

（4-8）

流过负载电阻RL的电流平均值为：

（4-9）

流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：

（4-10）

每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

（4-11）

4.3滤波电路

4.3.1电容滤波电路

电容滤波电路及波形如图3-4中（a）、（b）所示：

图3-4电容滤波电路及波形

假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管D开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。

如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。

然后u2继续按正弦规律下降，且

，使二极管D截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放电。

uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。

这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如图3-4（b）所示。

电容C放电的快慢取决于时间常数（

）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，平均值也越高。

电容滤波电路的输出特性曲线如图所示。

从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。

图3-5电容滤波电路的输出特性曲线

—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值：

半波：

（4-12）

全波：

（4-13）

为了获得较平滑的输出电压，一般要求

，即：

（3-14）

式中T为交流电压的周期。

滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。

应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。

加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（

），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。

4.4稳压电路

 在电子电路中稳压电路不仅实用，也是很简单但又是最基本的，下面就常用的几种基本稳压电路做一简单介绍。

4.4.1集成稳压电路

集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。

集成稳压电源的种类很多，按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。

作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压电源。

3端式是指稳压电源仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。

如W78××和W79××系列稳压器。

W78××系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，若要获得负输出电压选W79××系列即可。

例如W7805输出+5V电压，W7905则输出-5V电压。

这类3端稳压电源在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5~2.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2~3V，输出电压变化率为0.1％~0.2％。

由于此次要输出得电压为±12V、±5V，电流要求均为1A，固选择的芯片为LM7805、LM337、LM7905、LM317。

4.5保护电路

4.5.1过热保护

由于稳压电源是为各种电子设备提供能量的，散热更显得重要。

所谓散热就是采用热传递将稳压电源中所用元器件自身的温度控制到所要求的范围内。

在稳压电源中，热量都是由电转换来的，电流流过元器件和连接线、连接点产生的热量损失；变压器铁芯所产生的磁滞损耗；位于变压器附近的导电材料和绝缘材料，由于交变磁场和交变电场的存在分别产生涡流损耗和介质损耗。

在散热设计过程中，一般要根据具体情况，选择适当的途径将热量传递出去，达到元器件降温的目的，从而提高电源的可靠性并延长其使用寿命。

为此，应做到以下几点：

（1）选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度；

（2）减小电源内部的发热量；

（3）用冷却的方法降低环境温度，加快散热速度。

对于元器件的热设计中必须保证其最高工作温度低于其允许温度。

为了提高元器件可靠性，应通过降额设计来降低元器件的使用温度，下面以功率晶体管为例来说明热设计。

为了保证功率晶体管的正常工作，应将其本身的热量即使排散掉，使芯片的文的保持在允许最高结温以下，这就要求具有较强的散热能力。

散热能力越强，所承受的功耗就越大。

对于大功率晶体管来说，单靠其引线和管壳散热不能满足要求，往往要加散热片。

在选择和安装散热器时，应注意以下几点：

（1）在保证散热要求的前提下，尽量选用体积小、重量轻的散热器；

（2）安装时，应尽量增大器件和散热器的接触面积和压力，还要用硅脂涂在接触面，这样做可以使接触电阻降低22%~35%，当接触面接触不良时，可垫入铜箔，其热阻可降低20%~45%；

（3）散热器表面应粗糙（与器件接触面应有好的光洁度）、涂黑色，以加强辐射散热的效果；

（4）当晶体管和机架要绝缘时，不应采用管壳下垫绝缘片的办法，而应采用散热器与机架绝缘的办法。

对于印刷板的热设计就是要解决如何有效将印刷板上的热引导到外部去。

由于集成电路的大量使用，安装密度增大，使印刷板的发热密度变大。

印刷板上的布线可以分为电源线、接地线和信号线，其中电源线和接地线流过的电流较大。

热设计应该保证导线的载流容量，线的宽度必须适合电流的传导，不致引起超过允许的温升和压降。

工程经验一般电流是多少安培的，线宽应不低于多少毫米。

在通常情况下，发热比较大的元器件应放在边沿和顶部，以利于散热。

对于外壳的热设计，由于稳压电源内部的热量较大，必须注意以使其达到最佳的对流、传导和辐射，最大限度地将内部热量散发出去。

主要形式有自然散热和强迫散热，自然通风主要是外壳表面散热和通风带走热量，强迫散热主要是用风扇向壳内吹风或抽风。

4.6电源指示

发光二极管具有工作电压很低；工作电流很小，可靠性高，寿命长。

由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

因此，我们电源指示部分将使用发光二极管来实现。

5电源的设计及制作

5.1设计要求及设计工具

5.1.1设计要求

本次设计要求设计一种多路输出线性直流稳压电源，具体要求如下：

（1）输入电压为220V交流，波动幅度可达20%；

（2）输出电压为四路输出+12V、-12V、+5V、-5V，其±12V输出电压可调（范围是±1V~±18V）、其中+12V和±5V之间完全独立，四路电源共地可共地。

（3）电路组成：

输入220V电压先经变压器把电压降到合适电压（一般略高于实际输出电压），再经整流器变为直流电压，滤波后，由稳压电路输出稳定的+12V和±5V；

（6）输出精度：

2%，负载调整率（负载从空载变化到满载过程中电压的变化率）：

±2%。

5.1.2设计工具

本设计运用的工具主要是画图工具，然而在繁多的工具中我们选用功能较强的原理图绘制工具——Protel99se。

Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。

该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。

　　Protel99SE由两大部分组成：

电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。

其中AdvancedSchematic由两部分组成：

电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。

5.2.4稳压电路的设计

由前面的叙述已经知道，本设计采用串联反馈型稳压电路实现电路的稳压，其主要由4部分组成，下面就这4部分的分别选取做介绍。

（1）选取调整管

在稳压电路的设计中，调整管的选择是一项重要工作。

如果调整管的耐压和功率选的较小,使用时易损坏；如果过大，非但不经济而且也增大了重量和体积。

为了保证调整管在各种不利条件下可靠地工作，并保证管子的安全，在选择调整管时应该满足耐压和最大功耗的要求。

当要求稳压电路输出电流超过几安以上时，调整管需用多管并联。

并联管子应选择特性基本相同的，以便使输出电流平均分配。

除此之外，还应加均流电阻，一般串联约零点几欧到几欧的均流电阻。

这时，每支并联管子的漏极电流应是并联管子个数的平均值，为留有余地，也可以大一些。

选择晶体管时主要考虑以下3个参数，即击穿电压、最大漏极允许功耗和最大漏极电流。

单个晶体管作调整管时，选择调整管可以按照如下条件进行，即

IM>Iom；

U（BR）DSO>（U2m-Uomin）；

PDM>（U2m-Uomin）Iom。

所以本设计中，单个晶体管应满足：

IDM>Iom=0.5

IO=1A

U（BR）DSO>（U2m-Uomin）=7

1.2-5

0.9=3.9V

PDM>（U2m-Uomin）Iom=（7

1.2-5

0.9）

1=3.9W

5.2电源的制作

5.2.1制作PCB

PCB的制作基于原理图的基础之上，这是一项很需要耐心的活，由于自己的心浮气躁，这一项任务花了很长时间，但最终做出来的时候，心里真的很开心、很踏实。

下面我就主要将自己在设计PCB的过程中遇到的问题和经验讲一下。

（1）在原理图中，一定要确保元器件之间确实连接在一起了，有些表面上看连接在一起了，其实不然。

在99se中若连接处的符号变为黑色，即说明连接在一起了，否则没有。

如果有未连接在一起，导入PCB时将出现错误。

（2）在原理图中不能有重复命名的元器件，否则在导入PCB时将出现只保留一个元器件的错误。

（3）99se中虽然提供自动布局，但是这一项一般都采用手动布局，这样的布局更加合理。

（4）在PCB中需要手动布线的，应用工具栏中的交互式布线那个命令，而不能用导线那个命令，否则提示出现重复的错误信息。