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半导体直流稳压电源

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的设计和测试

专业名称：

电气自动化技术

班级：

电气1202班

学生姓名;

学生学号：

指导老师：

《模拟电子技术》课程设计任务书

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、设计基本要求

（1）设计一个能输出±12V/±9V/±5V的直流稳压电源；

（2）拟定设计步骤和测试方案；

（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画出印制板图；

（5）在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；

（6）测量直流稳压电源的内阻；

（7）测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；

（8）

撰写设计报告。

（三）设计提示

1、设计电路框图如图所示

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

（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。

第一章引言…………………………………………………………1

第二章方案选择及比较……………………………………………1

第三章正负12V、正负5V直流稳压电源的方案设计……………2

3.1总方案设计…………………………………………………2

3.1.1方框图及原理图………………………………………………2

3.1.2子框图作用及原理图说明………………………………………2

3.1.3方案选择………………………………………………………3

3.2单元电路设计………………………………………………3

3.2.1电源变压器……………………………………………………3

3.2.2整流器选择……………………………………………………4

3.2.3滤波电容选择…………………………………………………4

3.2.4负载电阻RL……………………………………………………4

3.3工作原理……………………………………………………5

3.3.1整流电路………………………………………………………5

3.3.2滤波电路………………………………………………………6

第四章半导体直流稳压电路的制作………………………………7

4.1Multisim10.0软件介绍……………………………………7

4.2电路仿真……………………………………………………8

4.2.1输出电压…………………………………………………………8

4.2.2纹波电压…………………………………………………………9

4.3部分元件清单………………………………………………9

4.4焊接…………………………………………………………9

4.5调试及结果分析……………………………………………10

4.5.1直流稳压电源的调试测试方法…………………………………10

4.5.2稳压系数………………………………………………………11

4.5.3最大输出电流…………………………………………………11

4.3.4直流稳压电源原理图…………………………………………11

第五章数据分析与讨论……………………………………………12

5.1.技术指标测量分析…………………………………………12

5.1.1稳压系数分析…………………………………………………12

5.1.2误差计算………………………………………………………13

5.2设计总结……………………………………………………14

第六章谢辞…………………………………………………………14

参考文献及附录………………………………………………………14

参考文献………………………………………………………………15

附录…………………………………………………………16

第一章引言

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。

变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的±5V直流电，并实现电压可在3-12V连续可调。

电源的发展经历了整流器时代，逆变器时代、变频器时代并逐步向绿色靠拢。

稳压电源的历史可追溯到十九世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压器，到二十世纪初，就有铁磁稳压器以及相应的技术文献，电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器，在四十年代后期，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器。

五十年代晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了直流稳压电源的中心。

六十年代后期，科研人员对稳定电源技术做了新的总结，使开关电源，可控硅电源得到快速发展，与此同时，集成稳压器也不断发展。

直至今日，在直流稳压电源领域，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大都由开关电源担任，要求供电电压高，电流大的设备的电源由可控硅电源代之，小电流、低电压电源都采用集成稳压器。

第二章方案选择及比较

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。

方案三：

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、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。

第三章正负12V，正负5V稳压电源的方案设计

3.1总方案设计

3.1.1方框图及工作原理图

图3-1工作原理

3.1.2子框图作用及原理图说明

（1）变压器：

电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

降压后的交流电压，通过整流电路变成脉动的直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）滤波电路：

脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）稳压电路：

滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

3.1.3方案选择

（1）根据设计所要求的性能指标，选择7812和7912组成的多路集成三端稳压器。

核心器件选用稳压器7812和7912组合，LM7812输出＋12V的电压，而LM7912输出的是－12V的电压，从而达到对称输出的目的。

得电路原理图如下：

图3-2电路原理图

3.2单元电路设计

3.2.1电源变压器

由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。

举例来说，一个输出功率P=15VA的变压器，若输出电压U=12V,则输出电流I=0.833A。

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

（1）变压器的效率表

3.2.2整流器选择

整流二极管的参数应满足最大整流电流If>1.5Imax=0.75A，最大反向电压VR=16.9V.整流滤波特别应指出的是，电容滤波使电路被接通的一瞬间，整流管的实际电流远大于Imax，如果If较小，很可能在电路被接通时就已经损坏，因此，一般取   If>5Imax=2.5A，查手册可选定整流二极管VD1--VD4，最终选择桥堆为（2A.1000V） 的。

3.2.3滤波电容选择

由式RLC>=（3-5）T/2，则C1=5T/2RLRL为C1右边的等效电阻，应取最小值，由于电容C1：

由式RLC>=（3-5）T/2，则C1=5T/2R2，式中T为市电流电源的周期，T=20ms；Imax=500mA，因此RLmin=V1/Imax=33，所以C1=2015uf。

可见，C1容量较大，应选电解电容，受规格的限制，实际容量应选2200uf，其耐压值可取35VC1的最后取值还需根据纹波电压的要求调整并确定

注意:

因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

3.2.4负载电阻RL

由式

I0（AV）=Uo/RL=0.9U2/RL

可得RL=0.9U2/IoRLmin=0.9U2/Iomax=27受规格限制可选择R=30Ω

3.3工作原理

图3-3整流电路原理分析图

3.3.1整流电路

设变压器副边电压u2，U2为其有效值。

当U2为正半周时，电流由A点流出，经D1，RL，D3流入B点，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即U0=U2，D2和D4管承受的反向电压为-U2。

当U2为负半周时，电流又B点流出，经D2，RL，D4流入A点，负责电阻RL上的电压等于-U2，即Uo=-U2，D1、D3承受的反向电压为U2。

这样，由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载负载电阻RL上的U2的整个周期都有电流通过，而且方向不变。

图3-4整流电路的示意图

3.3.2滤波电路

当变压器副边电压U2处于正半周后并且数值大雨电容两端电压Uc时，二极管D1、D3导通，电流一路流经负载电阻RL，另一路电容C充电，因为在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压Uc和U2相等，当U2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压Uc也开始下降，趋势与Uc基本相同，但是由于电容按指数规律放电，所以当U2下降到一定数值后，Uc的小将速度小于U2下降速度，使Uc大于U2从而导致D1、D3反向偏置而边为截止，此后，电容C继续通过RL放电，Uc按指数规律缓慢下降。

当U2负半周副值变化到恰好大于Uc时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，U2再次U2，Uc上升到U2的峰值后又开始下降，下降到一定数值时D2、D4变为截止，C对RL放电，Uc按指数规律下降；放电到一定数值时D1、D3变为导通，重复上述过程。

滤波电路的分析示意图如下：

图3-5滤波电路的示意图

第四章半导体直流稳压电路的制作

4.1Multisim10.0软件简介

图4.1.1multisim仿真软件的操作界面

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。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。

目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim10.0，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NIMultisimv11作为最新版本包含于其中，作为最新版本，NIMultisimv11有很多优点，而且加入了很多新的元器件，有很丰富的元器件库。

我所用的就是NIMultisimv11的版本。

4.2电路仿真

4.2.1输出电压

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。

当电压为220v时的电压值和波形的测量

220v测试值11.947v-11.957v5.002v-5.324v

4.2.2.纹波电压

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。

LM7812输出端的纹波电压△Vo=2.004Pv

4.3部分元件清单

1.变压器：

输出12V

2.固定式三端稳压器：

LM7812一个，LM7912一个，LM7805一个，LM7905一个

3.整流桥堆：

2W10一个

4.电容：

电解电容2200uf两个电解电容470uf两个电容0.01uf四个

4.4焊接

在焊接电路之前，我们先通过初步测试得到数据计算，再经过仿真，最后根据原理图，将所选元件一一焊接在面包板上

焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。

．测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。

．注意稳压器的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性，不应反接。

按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。

4.5调试及结果分析:

4.5.1直流稳压电源的调试测试方法

一、调试所需器材：

1.直流稳压电源

2.示波器

3.数字万用表

4.多功能试验台等等

二、在直流稳压电源通电测试前，必须认真对安装电路进行一下事项的检查：

1.对电源变压器的绝缘电阻进行测试，以防止变压器漏电，危及人身和设备安全。

如果用万用表高电阻档检测，则其指示电阻均应为无穷大。

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.整流桥的引脚和滤波电容的极性不能接反，否则将会损坏元器件。

4.三短稳压器的输入、输出和公共端一定要识别清楚，不能接错。

特别是公共端不能开路，一旦开路，输出电压UO很可能接近UI，导致负载损坏。

5.检查负载不应该有短路现象。

三、直流稳压电源的调整测试一般分为以下两步：

1空载检查测试：

接通220V交流电压，用万用表交流电压档测量变压器的二次交流电压值，其值应符合设计。

2加载检查测试：

上述检查符合要求后，则稳压电路基本正常，此时可接上额定负载RI并调节输出电压，使其为额定值，观察其是否符合设计值，如有干扰或自激振荡，则应设法消除。

4.5.2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。

4.5.3、最大输出电流

输出端接负载电阻RL，使RL逐渐减小，直到VO的值下降5%，此时流经负载RL的电流极为Iomax

4.5.4、直流稳压电源原理图

4-1电路原理图

第五章数据分析与讨论

5.1技术指标测量分析：

5.1.1稳压系数分析：

（1）测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加10%，即VI=242V,测量此时对应的输出电压VO1；再调节自藕变压器使输入减少10%，即VI=198,测量此时对应的输出电压VO2,然后测量出VI=220V时对应的输出电压Vo,则稳压系数

Sr=

=

.

（2）输出电压与最大输出电流的测试

测试电路如图5-2

图5-2稳压电源性能指标的测试电路

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

SV=（△VO/VO）/（△Vi/Vi）

=[220/（242-198）][（VO1-VO2）/VO]

（3）输出电阻的测量

保持稳压电源的输入电压

，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：

（4）．纹波电压的测试

用示波器观察U0的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔU0p-p的。

测试结果（寝室电压为246v）

理论输出值

+5V

+12V

—12V

-5V

实际输出值

+5.06V

+12.15V

-12.00V

-5.10V

5.1.2误差计算

UCC+12%=（12.15-12.00）/12.00=0.0125%

-UCC-12%=（-12.00+12.00）/-12.00=0

UCC+5%=（5.06-5.00）/5.00=0.012%

-UCC-5%=（-5.10+5.00）/-5.00=0.02%

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:

1测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;

2电流表内阻串入回路造成的误差;

3测得纹波电压时示波器造成的误差;

4万用表本身的准确度而造成的系统误差.

可以通过以下的方法去改进此电路:

1.减小接触点的微小电阻;

2.测得纹波时示波器采用手动同步;

3.元器件安装前进行检测

4.采用更高精确度的仪器去检测.

5.2设计总结

1.输出电压+11.98V和-11.98V，符合设计的基本要求，为提高精确度可使用稳压管

2.电路中C3,C4用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量一般较小，一般为1uf，这里采用的是2A104J。

C5,C6用于消除输出电压中的高频噪声，可取小于1uf的电容，可取几十微法甚至于几微法的电容，一便输出较大的脉冲电流。

常选瓷片电容104。

第六章谢辞

本设计直接采用7812和7912，设计比较复杂，我们从最开始的一无所知，通过去图书馆查找资料，去网上找教程学习，还有找学长请教一些问题，从最开始电气规则检查40几个错误，一个一个去改正，一个一个去请教，再到生成网络表格，做封装，导入PCB板，一步一步改正错误，同时也学到了很多东西，之后又开始了焊接，其中老是因为自己的不小心，不是焊反了，就是因为焊铁的原因把元器件焊坏了，之后又要去买元件，当直流稳压电源做出之后，发现只有3个灯是亮的，我不断地去发现问题，解决问题，最后终于弄好了。

从这次的课程设计中，我们学会了团结合作，学会了遇到一个你完全不会的东西，怎样通过查找资料，学习，请教去弄懂它；学会了细心的重要性，学会了我们专业对于动手能力的要求是有多么重要。

通过本次课程设计使我对集成直流稳压电源有了更为深刻的了解，对其构造组成及参数计算掌握的比以前熟练很多，特别是对稳压器的认识比以前更广泛，虽然在课本中接触过稳压器的知识，但课本上的介绍十分简单也十分有限，并且我对课本的记忆不是很深刻，但通过本次自己动手动脑设计之后记忆的就深刻了。

尤其是本次设计中用到的78××，79××系列的掌握比以前好了很多，不过仍然会有不足。

通过这次课程设计让我对直流稳压源有了更深刻的理解，同时也更加明白自己动手方面的能力是有许多地方不足的。

参考文献及附录

参考文献

1.王勇，李谷若，胡启明。

《protel99SE实战100例》。

北京：

电子工业出版社。

2010.11--77页

2.曹才开，罗雪莲，刘海波等。

《电路与电子技术实验》。

湖南：

中南大学出版社。

2009.141-146页

3.康华光，电子技术基础。

模拟部分。

北京：

高等教育出版社，2006.485-494页

4.熊幸明，曹才开。

电工电子实训教程。

北京：

清湖大学出版社2007.34-41页

5.彭介华.电子技术课程设计指导.北京：

高教出版社，2002.

附录

附录A元器件清单

名称

型号

数量

名称

型号

数量

变压器

12V

1个

交流电源

220V/50Hz

1个

电源芯片

LM7812

1个

电源芯片

LM7805

1个

电源芯片

LM7912

1个

电源芯片

LM7905

1个

发光二极管

4个

电容

0.1μF

4个

电容

470μF

4个

电容

2200μF

2个

电阻

470ω

2个

桥式整流器

1个

电阻

12K

2个

万用电路板

1块

附录a-7905附录b-7912

附录B原理图