直流稳压电源课程设计报告.docx

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直流稳压电源课程设计报告

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：

电气工程及自动化

学生班级：

学生姓名：

指导老师：

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。

3、设计扩展要求

（1）能显示电源输出电压值，00.0-12.0V；

（2）要求有短路过载保护。

（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

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。

目录

第一章绪论············································4

第二章方案的选择及论证······························5

第三章电路设计

3.1直流稳压电源的基本原理······································6

3.2降压变压器··················································6

3.3整流电路····················································7

3.4滤波电路····················································9

3.5稳压电路····················································9

3.6保护电路····················································10

3.7原理图······················································11

3.8元器件选择和电路参数计算说明································12

第四章制作和调试

4.1制作·······················································14

4.2注意事项·····················································14

4.2测试·························································14

4.2.1空载检查测试···········································14

4.2.2负载检查测试···········································15

4.2.3质量指标测试···········································15

第六章总结和体会

6.1总结心得··················································17

附录·················································18

参考文献···································18

第一章绪论

为加强对元器件的认识，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。

半导体直流稳压电源的设计和测试作为此次课程设计的课题，我们采用一般意义上的设计方案，即通过电源变压器、整流、滤波和稳压电路这四部分的有机组合来最终实现本次课程设计所要达到的目标。

本设计所涉及的知识：

方案论证，产品说明，原理说明，安装工艺，调试与测试，焊接技术，元件清单，操作说明。

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，本课题设计使用了EWB，Protel99等工具。

通过本课题的设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。

学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力，更培养了我们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，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。

第二章方案的选择及论证

直流稳压电源主要由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，而其性能主要取决于滤波电路和稳压电路，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：

由固定式三端稳压器（7805、7905）组成

由固定式三端稳压器（7805、7905）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V和-5V，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。

方案三：

采用三端集成稳压器（LM317、LM337）组成

由固定式三端稳压器（LM317、LM337）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压电源直流输出电压1.25V～15V可调。

可在输入端接保护电路以达到短路保护和限压保护等目的，输出端接电容以改善电路的稳定性。

第三章电路的设计

3．1直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源电路框图如图1所示。

从图中可知，系统由降压变压器、整流器、滤波器、稳压器和保护电路共五个部分组成。

图3.1.1　直流稳压电源的电路框图

直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3.1.2各部分的作用：

图3.1.2整流与稳压过程

3．2降压变压器

降压变压器将电网220V、50Hz交流输入电压降压后变为所需的约18V交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。

图4为直流稳压电源变压器电路，图中为了控制电源，在变压器初级接一开关，作为总的电源开关K。

图中在变压器次级接的B＊（1A）是保险管，作用是防止电流过大损坏变压器。

图3.2.1直流稳压电源变压器电路

3．3整流电路

一、单相整流电路

（一）半波整流电路

单相半波整流电路如下图（a）所示，图中Tr为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。

设V为整流二极管，令它为理想二极管，RL为要求直流供电的负载等效电阻。

由图可见，负载上得到单方向的脉动电压，由于电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。

半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大，因此，它只使用于要求不高的场合。

（二）桥式整流电路

为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如下图所示，图中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。

1.工作原理和输出波形

设变压器二次电压u2=21/2U2sinωt，波形如电压、电流波形图（a）所示。

在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为a→V1→RL→V3→b，此时V2、V4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，如电压、电流波形图（b）中的0～π段所示。

若略去二极管的正向压降，则uO≈u2。

电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过RL，电流路径为b→V2→RL→V4→a。

这时RL上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图（b）中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，uＯ≈－u2。

由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为uＯ=2×0.45U2=0.9U2。

桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u2的正半周，V1、V3导通时，可将它们看成短路，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为URＭ=21/2U2。

同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向峰值电压也为URＭ=21/2U2。

二极管承受电压的波形如电压、电流波形图（d）所示。

由上图可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。

桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压UO提高，脉动成分减小了。

因此，采用二极管桥式整流电路进行整流，将变压器变换后的交流电压转变为单向的脉动直流电压，使输出电压高，脉动系数小（纹波电压小），提高整流效率。

3．4滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去交流成分。

（一）电容滤波

1.电路和工作原理

设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，V1、V3导通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。

忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此uo=uc≈u2，在u2达到最大值时，uc也达到最大值，然后u2下降，此时，uc>u2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压uc按指数规律缓慢下降，当下降到|u2|>uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。

其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。

电容滤波电路对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理，使它成为一个含交流成分很小的、更加平滑的直流电压。

即滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定是低于整流输出电压基波频率的。

虽然电容C1取得越大，脉动系数

就越小，脉动成分就小，但一般取

RLC1=

T为交流电网电压的周期（

）。

电容滤波电路的优点是在输出电流IO不高时，体积小，成本低。

电容滤波适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

3．5稳压电路

稳压器为电源的核心部分。

尽管经过整流滤波后的直流电压，可以充当某些电子电路的电源，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。

图5为直流稳压电源稳压器电路，通过三端可调线性集成稳压器LM317的稳压，输出电压在输入电网波动±10%、输出负载变化以及温度波动几种情况下仍然可以保持不变。

图3.5.1直流稳压电源稳压器电路

三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的，但可以通过外接元件R2、R3来扩展输出电压，达到调压作用，如图4-3-5所示。

输出端和调节端之间在工作时产生标称值为1.25V的基准电压UREF，这个基准电压加在电阻R2上，由于电压是恒定的，就有一个恒定的电流流过输出设定电阻R3，得到的输出电压是：

UO=RREF（1+R3/R2）+IADJR3

IADJ代表了一个误差项，在设计LM317时尽量减小IADJ，并使之等于一个常数，完全不随输入电压和负载变化，于是：

UO≈1.25（1+R3/R2）

可见，当R2取定（通常取R2=240Ω）后，改变R3的值，输出电压UO也随之改变，即输出UO可调。

发光二极管LED与限流电阻R1串联接在稳压器的输入端，当电源开关K闭合时，指示灯亮。

C2：

应靠近稳压器，起消振作用（即防止自激振荡）。

C3：

为一旁路电容，可进一步抑制纹波，当输出电压升高时，C3可防止纹波的放大。

（即将R3上的纹波旁路掉）

C4：

由于使用了C2、C3等，与任何反馈电路一样，某些数值的外接电容（500рF~5000рF）可能引起振荡，C4的作用就是消除这种效应，确保工作稳定。

T1：

扩流电路。

由于三端集成稳压器输出电流固定且较小，带负载能力差，在实际工作中，往往需要稳压器输出较大电流，以提高带负载能力，利用T1进行电流放大，T1接成共集电极电路（射随器），具有电流放大作用，由于电流较大，T1采用3DD15D大功率管。

实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表，作UO的指示。

3．6保护电路

对于一个功能完善的稳压电源来说，必须有一套完整可靠的保护电路，在串联稳压电路中，若使用不慎，负载电流过大或输出短路的情况是可能发生的。

此时，LM317内部调整管的功耗将剧增，尤其是在短路的情况下，全部输入电压都加到调整管两端，这就会使调整管的功耗超过它的极限功耗PCM而损坏调整管，所以必须采用合适的过流保护电路。

直流稳压电源保护电路如图3.5.1中的D5、D6和图3.6.1所示。

①保护二极管

大多数电容的串联内阻是很小的，当短路时放电电流将产生20A的脉冲尖峰，即使短路的时间很短，但放电能量足以损坏集成电路。

当LM317的调整管有外接电容时，需加保护二极管以防止电容通过小电流端放电而进入调整器。

D5：

防止C4的反峰。

当调整管的输出端接有电容C4而输入端被短路时，输出端电容将向调整管输出端放电，放电电流与电容量有关，也与输出电压及输入电压减小的速率有关。

D5为C4提供了一条放电回路，即防止C4的反峰高压对LM317的冲击。

D6：

防止C3的反峰。

由于在调整管的调整端接有旁路电容C3，当输入或输出端短路时，在C3上要产生一个反峰高压。

当输出端短路时，C3通过D6放电。

当输入端短路时，C3通过D6、D5放电，防止C3反峰冲击调整器。

图3.6.1直流稳压电源三极管过流保护电路

②T2和T3保护电路

通过T2和T3保护电路，可以防止电流过载或输出短路时损坏器件。

R6为采样电阻，以便对输出电流进行动态监视。

R6阻值0.5Ω，功率为3W。

当输出电流大于1.5A（额定电流）时，R6上的压降为：

1.5A×0.5Ω=0.75V（或大于0.7V）时，三极管T3导通，R5压降升高，T2也导通，从而使从LM317的输出电流从T2分流一部分，这样流进扩流管的电流便减小，输出电流也减小。

从而达到过流保护的目的。

当输出电流减小到一定程度，R6上的压降小于0.7V即T3截止，T2也截止，电路恢复正常。

C5：

当负载恢复正常，IO＜1.5A，T3截止，由于C5已充电，使T2再维持导通一段时间，直到C5放电到不能维持T2导通，即防止负载连续突变而造成的T1连续被冲击（防干扰），同时还具有交流旁路功能。

C6：

输出电容，作用之一是滤波，作用之二是防止当输出电压突变时造成对负载冲击（消振）

3.7原理图

根据前面所述的，可以设计出下述双向供电电路图：

3.8元器件选择和电路参数计算说明

一．变压器的选择

1）确定副边电压U2:

根据根据设计要求：

Uo=9V

根据经验：

Ui-Uo≥（2～3）V

∴Ui=12V

根据Ui=（1.1～1.2）U2

可得变压的副边电压：

U2=10V

在这里我们选择副边电压为18V的变压器。

2）确定变压器副边电流I2

∵Ii=Io

又副边电流I2=（1.5～2）Io取Io=Iomax=500mA

则I2=2*0.5A=1A

3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：

Po>I2*U2=12W

由于变压器的效率η=0.7，所以变压器原边输入功率P1=P2/η=17.2W，为留有余地，选用功率为20W的变压器。

二．选择整流电路中的二极管

∵变压器的副边电压U2=12V

∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：

=17V，

桥式整流电路中二极管承受的平均电流为：

ID=0.5I0max=250mA

选用IN4007。

查手册选整流二极管IN4007，其参数为：

反向击穿电压UBR=

最大整流电流IF=

在这里我们选用整流堆W08M

三．滤波电路中滤波电容的选择

根据：

RC≥（3～5）T∕2

而R≈Ui∕Io

∴C约为2000uF

电容的耐压要大于

，考虑到交流电源电压的波动，故滤波电容C取容量为

，耐压为

的电解电容。

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、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

四、选择集成稳压器

我们需要得到的是输出为

的直流稳压电源。

固选择LM317三端固定式正电压输出集成稳压器；LM337三端固定式负电压输出集成稳压器。

第四章制作和调试

4.1制作

对电路进行组装：

按照自己设计的电路，在面包板上插接元器件并焊接。

焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。

对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。

经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求

4.2注意事项

●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。

●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。

●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。

●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。

●检查负载端不应该有短路现象。

4.3测试

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针测试。

4.3.1空载检查测试

（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）断开负载，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。

4.3.2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。

4.3.3质量指标测试

（1）稳压系数Sr的测试

在负载电流，环境，温度不变的情况下，输出电压的相对变化引起输出电压的相对变化。

测量稳压系数，在负载电流为最大时。

分别测得输入电压比220V增大和缩小10%，所得数据如下表：

U1

UO1

UO2 

198V

+9.02V

-8.96V

220V

+9.01V

-8.95V

242V

+9.01V

-8.97V

将所得数据代入公式：

Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。

得：

Sr1=-0.45%

Sr2=0.51%

所得数据满足设计要求：

Sr=ΔVoVI/ΔVIVO。

（2）纹波电压的测试

　使为U1=220V伏并保持不变，在额定输出电压（+9v,-9v,5v）的情况下，用示波器测出输出电压中纹波电压的峰值分别为U=1mv,U=4mv,U=3mv

.

（3）输出电阻的测量

连接好电路，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=9.01V，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2=8.99V和输出电流Io2=129mA，则输出电阻为：

=0.155

（4）最大输出电流的测量

连接好电路，保持稳压电源的输入电压

，接一个变位器作为负载，串联一个毫安表，通过改变电位器的阻值使输出电压降低5%左右，测量此时的电流I。

按要求将Ui调节到8.51V,测出此时的电流大小为395mA。

此时测出电阻为22

第五章总结和体会

通过这学期的课程设计，我受益匪浅，认识到了自己的许多不足和缺点。

要想把理论与实际联系起来，还是需要一段时间的。

要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。

其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。

其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题不能以“人品之类”话而敷衍过，应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。

在实验时应保持冷静，测试有条理。

遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。

其三，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。

该多画就多画些，以便能增加你对该软件的熟练度。

用起来称心如意，这样就不会浪费时间。

再如，在焊接导线时，应区别不同类型的导线用不同类型的焊接方法及焊接的先与后顺序。

如果你不懂那些，你就会出现很大笑话。

其四，要注意试验安全，不要轻易地尝试不安全接法。

在做设计时必须讲求产品的实用性及美观性。

这就要求我们对所需器件进行合理布置。

团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神，各施其职。

这样就能起到事半功倍的作用，毕竟一