直流稳压电源.docx
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直流稳压电源
湖南工学院
课程设计说明书
课题名称：
半导体直流稳压电源设计
专业名称：
电气自动化
学生班级：
电气1202
学生姓名：
谢亿
学生学号：
1230530232
指导老师：
雷美艳
本人任务：
电路设计与产品制作
课题时间：
2013年12月
第一章绪论
1.1未来电子技术发展方向
1.2我们自动化专业人员将要从事的工作
第二章半导体直流稳压电路的设计
2.1课程设计要求
2.2整体设计方案
2.3电源变压器
2.4整流滤波电路
2.5集成稳压器方案
2.6整流二极管的参数计算
2.7滤波电容的参数计算
第三章半导体直流稳压电路的仿真与制作
3.1Multisim仿真软件的简介
3.2直流稳压电源电路的仿真电路
3.3仿真结果及分析
3.4PCB版的设计与制作
第4章电路测试
4.1测试方法和内
4.2指标测试和测试结果
第5章数据分析和讨论
5.1数据分析
5.2结果讨论
第6章结束语
附录A电路图
附录B元件清单
附录C参考文献
第一章绪论
1.1、未来电子技术发展方向
1.稳压电源的应用前景与介绍
电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分，交流电源一般为220、50HZ电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机﹑电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源，直流电源又分为两类：
一类是能直接供给直流电流或直流电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等。
另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。
现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。
2.半导体体生存系统正在发生变化。
随着半导体产业数十年的发展，整机制造商和半导体供应商的需求和服务都在发生转变
3.可靠、高效率、低功耗是业界对电源系统的永久追求。
从目前一些领先电源半导体制造商的解决方案来看，在中、小功率应用中，提高效率、降低成本仍然是主要的作为；而对于大功率应用来看，多相位无疑将成为主流，在服务器、电信设备中的应用中已明显看到这个趋势。
节能产品已成为进入欧美等发达国家的通行证，相关的法规和行业标准也在不断出台，利用先进的节能半导体技术能在电动控制、照明等主要耗电领域节省30%至50%的能源。
4.可编程技术和器件将与平台半导体解决方案形成更激烈的竞争态势，并促进FPGA/CPLD器件密度的进一步提高，以及面向特定应用的新型器的研发。
快速的产品更新周期和不断的升级造就了可编程器件的迅速发展，对于样品阶段以及一些新兴电子产品来说，将一直保持其灵活、快速的优势，而当进入快速成长和成熟期的阶段，可编程器件公司的策略是低成本可编程器件或类似ASIC的掩膜器件来进一步延伸其产品的生命周期。
而这对于制造商的利益在于可以无缝地移植代码，并顺利地进入批量生产。
5.EDA工具和半导体IP成为半导体工业发展的重要支持力量。
半导体工艺向90nm以及65nm、45nm直至32nm的进程大大增加了芯片复杂度，而其它需求，如采用CMOS工艺实现模拟和射频电路、DFM、DFT等，对EDA工具提出了更高的要求。
SiP是半导体厂商可以考虑的一种重要模式。
与此同时，半导体IP，尤其是一些被业界广泛认同的内核，正成为快速推出IC（单IP内核或多IP内核）的一条捷径。
6.模拟器件仍然无处不在。
数字家庭中的无线连接、新潮便携数码产品中的音频电路、电源管理、信号通路使模拟器件的重要性日益突显，我们看到的趋势是在数字世界中创造了更多的模拟应用，放大器、ADC/DAC、接口都是明显的例子。
未来，我们应该更关注的是模拟及数字器件将如何不断融合的发展进程。
1.2、我们自动化专业人员将要从事的工作
本专业毕业生有着广阔的就业渠道，因为自动化技术的应用广泛，其就业领域也五花八门。
尽管现在我们就业实行的是“双向”选择的政策，你选用人单位，但用人单位也在选你。
谦虚、踏实、稳重是本专业毕业生在择业时的第一选择。
根据近几年毕业生就业的情况看，他们的工作都非常理想，收入状况也颇为乐观。
与本专业就业领域相关联的行业在近年来借助市场经济的搞活和对外开放程度的加深，也获得了飞速发展。
民航、铁路、金融、通信系统、税务、海关等部门的自动化程度越来越高，科研院所、高科技公司也借助强大的人才优势，发展迅猛。
未来随着自动化技术应用领域的日益拓展，对这一专业人才的需求将会不断增加，自动化专业的毕业生也将借助这一技术的广泛应用而在社会生活的各个领域、经济发展的各个环节找到发挥自己专长的理想位置。
第二章半导体直流稳压电源电路的设计
2.1课程设计要求
一、设计实验目的
通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：
（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；
（2）掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法
二、设计要求和技术指标
1、技术指标：
要求：
输入电压为交流220V。
电源输出电压为+12V、-12V、+5V、-5V
最大输出电流为IL=500mA。
稳压系数Sr≤5%，纹波电压△Vop-p≤5mV。
设计要求
设计一个能输出正±12V/，±5V的直流稳压电源；
电源变压器只做理论设计
完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、绘制电路图；
在万能板上制作一台直流稳压电源；
测量直流稳压电源的稳压系数；
测量直流稳压电源的内阻；
拟定测试方案和设计步骤；
撰写设计报告、调试总结报告。
三、设计提示
1、设计电路框图如图所示，
图2.1.1
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7812和7912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Δvo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。
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ΔVo，ro=ΔVO/ΔIL。
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-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，所以有有效值衡量存在一定误差。
2、实验仪器
自耦变压器一台，数字万用表，万能板，智能电工实验台，示波器，交流毫伏表
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、要求作出实物，并调试。
五、设计总结
1、总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。
2.2整体设计方案
一、电路原理
直流稳压电源的工作流程如下：
图2.2.1直流稳压电源的方框图
从图1—1我们得出直流稳压电源的工作原理：
电路接入幅值为220V、频率为50Hz的市电ui，通过图1—1中的电源变压器TRIAD，将市电220V的电压幅值调整为合适的电路工作压值u2。
通过电源变压器TRIAD输送过来的交流电，再通过图1—1中的桥式整流电路BRIDGE，得到单方向全波脉动的直流电压。
由于单方向全波脉动的直流电压中含有丰富的交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，图1—1中的电容C就起到这个作用；对于要求不高的电路，经过滤波后的直流电压可以直接应用，对于一些要求比较高的电路。
我们在滤波电路的后面再接一个稳压电路，使输出的直流电压更加平滑，如集成稳压器LM7812和LM7912。
一般来说，滤波电容C的容量比较大，本身就存在着较大的等效电感，因此对于市电引入的各种高频干扰的抑制能力很差。
为了解决这个问题，在电容C旁并联一只小容量电容器C1、C2，就可有效地抑制高频干扰。
另外，稳压器在开环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响，有可能产生自激，C1、C2则兼有抑制高频振荡的作用。
输出端接入电容器C3、C4、C5、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。
2.3电源变压器
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=η，式中η是变压器的效率
副边功率P/vA
〈10
10-30
30-80
80-200
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
表2.3.1
2.4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2.4.1全波整流波图2.4.2桥式整流滤波
各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）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2.4.3等效电路图
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。
UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
流过每只二极管的平均电流为：
其中：
R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
2.5集成稳压器方案
7812的输出电压Uo为12V，最小输入输出压差8V，最大输入输出压差为40V，7812的输入电压范围为：
20V≤Ui≤52V
U2≥Uimin/1.1=18V
取U2=20V,I2=0.5A
变压器副边电压P2≥I2U2=10V
为留有余地同样选择22V变压器
2.6整流二极管的参数计算
在含稳压器LM7812的电路中的二极管选择:
由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm>1.414U2=12×1.414=17V
在含稳压器LM7805的电路中的二级管的选择:
由于二极管最大瞬时反向工作电压URM>1.414×U2=15×1.414=21V
IN4001的反向击穿电压大于50V,额定工作电流I=1A>Iomax.故整流二极管选用IN4001.
2.7滤波电容的参数计算
滤波电容的容量可由下式估算：
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；
T——电容C放电时间，t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
在本实验中
Sv=ΔVo/Vo/ΔVi/Vi
式中，Vo=9v、Vi=12v、ΔVop-p=5mv、Sv=0.005
则ΔVi=ΔVop-pVi/VoSv=1.4v
所以滤波电容
C=ICt/ΔVip-p=Iomaxt/ΔVip-p=0.003636F
C的耐压值应大于1.4V2=21v。
由于之前模电实验可知，我们在实际制作过程中采用比理论值小的电容同样能达到很好的滤波效果，因此采用2200μF的电容。
第三章直流稳压电源电路的仿真与制作
3.1Multisim仿真软件的简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路
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