半导体直流稳压电源的设计解读.docx

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半导体直流稳压电源的设计解读

前言

学生姓名：

朱麒任

学院：

工学院

年级：

09级

专业：

通信工程

学号：

2094021502

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、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-P≤5mV，稳压系数Sr≤5%。

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；

（7）撰写设计报告。

（三）设计提示

1、设计电路框图如图所示

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rZVZ/IZ。

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：

VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑

（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。

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：

VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑

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：

59.8mA106Ω

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=η，式中η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＝（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1.25V－37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Uo的表达式为：

Uo＝1.25（1＋R2/R1）

式中R1一般取120－240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6LM317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、根据三端可调试输出集成稳压器的特点：

当输入电压为2~40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2~40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=3×10-3.则由式

由式

得滤波电容，

电容C的耐压应大于

。

故取2只2200μF/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=1.2V~37V,Iomax=1