12V半导体直流稳压电源课程设计01.docx
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12V半导体直流稳压电源课程设计01
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：
电气工程及其自动化
学生班级：
电气本1202
学生姓名：
何雄
学生学号：
1230140217
指导教师：
雷美艳
课题设计任务书
课题:
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）在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；
（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
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
《电子线路设计·实验·测试》谢自美主编华中科技大学出版社
《模拟电子技术基础》康华光主编高等教育出版社
《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社
（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
课题设计任务书………………………………………………………………………1
第一章绪论…………………………………………………………………………5
1．1制作半导体直流稳压电源的目的要求……………………………………5
1．2基本知识介绍………………………………………………………………6
第二章设计方案及电路设计………………………………………………………10
2．1设计方案（总体框图设计）……………………………………………10
2．2电源变压器电路的设计…………………………………………………11
2．3整流电路的设计…………………………………………………………11
2．4滤波电路的设计…………………………………………………………13
2．5稳压电路的设计…………………………………………………………15
2．6整体电路的参数确定及元件选择………………………………………17
第三章仿真…………………………………………………………………………20
3．1Mulisim仿真软件的简介………………………………………………20
3．2半导体直流稳压电源仿真电路…………………………………………21
3．3仿真结果及其分析………………………………………………………21
第四章制作与调试…………………………………………………………………26
4．1安装调试电路……………………………………………………………26
4．2性能指标测量与误差分析………………………………………………26
第五章结论与心得…………………………………………………………………28
附录…………………………………………………………………………………29
附录A……………………………………………………………………………29
附录B……………………………………………………………………………30
参考文献……………………………………………………………………………31
第一章绪论
直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。
不同的电路对电源的要求是不同的。
在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。
电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？
又如何使直流电压（电流）稳定？
这是电子技术的一个基本问题。
解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。
半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。
本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。
直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。
本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。
首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。
关键字：
串联稳压直流可调电源原理，Multisim软件
1.1制作半导体直流稳压电源的目的要求
（1）、设计一个串联直流稳压电源。
要求输入交流电压：
U=220V，f=50Hz，输出直流电压：
U=12V，输出直流电流：
Imax=500mA。
提示：
小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几个部分组成。
（2）、所设计的电路在Multisim仿真软件中，进行测试。
1.1.1基本目的
此次课程设计选择使用分立式元器件构成串联直流稳压电源。
通过本次学习了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真。
1.1.2基本要求
（1）、设计一个串联直流稳压电源。
要求输入交流电压：
U=220V，f=50Hz，输出直流电压：
U=12V，输出直流电流：
Imax=500mA。
提示：
小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几个部分组成。
（2）、所设计的电路在Multisim仿真软件中，进行测试。
1.2基本知识介绍
1.2.1电源变压器知识
1．初级（PrimaryWinding）：
是指电源变压器的电源输入端。
2．次级（SecondaryWinding）：
是指电源变压器的输出端。
3．额定输入电压U：
是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。
对GS变压器来说，U＝230V；对BS变压器来说，U＝240V。
4．空载电流I：
是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。
I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。
5．空载电压U：
是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。
U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。
6．负载电流I：
是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。
7．负载电压U：
是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。
8．定输出功率P：
是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。
一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。
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=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I=P/U=10VA/24V＝0.416A；若U=12V，则输出电流I=0.833A。
电源变压器：
将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。
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。
表1.1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
本设计选择小型单相式变压器，输出18V。
1.2.2整流电路
本次设计采用的是桥式整流电路
图1.1桥式整流电路
电路工作原理:
利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2\D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通,D1、D3截止。
而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。
.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：
Uo=0.9*Ui，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本设计采用桥式整流。
1.2.3滤波电路
滤波电路主要有：
电容滤波、RC-∏型滤波、LV-∏型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路。
图为LC滤波电路图和LC滤波波形图。
图1.2滤波电路
电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。
从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力.主要参数:
LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U2
1.2.4稳压电路
稳压电路：
它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。
它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。
稳压电路的主要指标：
1．稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻
稳压系数Sr：
稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量△Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量△Ui/Ui之比，即：
该指标反映了电网波动对输出电压的影响。
此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。
2．稳压电路的输出电阻
输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即：
除了上述两个指标外,有时还用其它指标:
电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰—峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。
直流稳压电路的类型很多，有：
硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。
集成稳压器有两种：
输出固定电压和可调输出电压的稳压块。
1.2.5主要元器件简介
1、整流二极管1N4007GP
整流二极管1N4007GP的参数介绍：
最大整流电流:
1.0A
最大反向电压:
1000V
最大功耗:
3W
最大反向漏电流：
5uA
频率类型:
低频
2、0.1uf电容104
3、电解电容2200uf/25V,电解电容100uf/16V
4、集成三端稳压器LM7812CT
5、变压器
第二章设计方案与电路设计
2.1设计方案（总体框图设计）
2.1.1电路原理
直流稳压电源的工作流程如下：
图2.1.1直流稳压电源的设计电路框图
图2.1.2直流稳压电源的方框图
结合图2.1.1、图2.1.2，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ui，通过电源变压器，将220V的电压幅值调整为合适的电路工作压值u2。
通过电源变压器输送过来的交流电，再通过桥式整流电路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，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LM7812CT。
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，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。
2.2电源变压器电路的设计
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。
图2.2.1电源变压器
电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。
根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：
10kVA以上为大功率，10kVA～0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。
2.3整流电路的设计
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此，二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
（二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）
图2.3.1单相桥式整流电路图
图2.3.1是容性负载单相桥式整流电路。
它的四臂是由四只二极管构成，当变压器B次级的1端为正、2端为负时，二极管D2和D4因承受正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。
此时，电流由变压器1端通过D4经RL，再经D2返回2端。
当1端为正时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流则由2端通过D3流经RL，再经D1返回1端。
因此，与全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。
负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算：
图2.3.2单相桥式整流电路电压、电流波形图
（2.3.1）
负载电压vL的平均值为：
VL=
=0.9V2（2.3.2）
直流电流为：
IL=
（2.3.3）
而谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量之上。
常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即：
Kr=
=
（2.3.4）
式子中的
为谐波分量的有效值。
整流元件参数的计算：
在桥式整流电路中，二级管是两两轮流导通，所以流经每个二极管的电流为：
ID=0.5IL=
一般电网电压的波动范围为+%10到-%10之间，实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应该留有大于%10的余量。
2.4滤波电路的设计
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般有电抗元件组成，例如在负载电阻两端并联电容器C,或者在整流电路输出端与负载之间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。
图2.4.1滤波电路的基本形式
图2.4.1中的（a）图是C形滤波电路，（b）图是倒L形滤波电路，图（c）是
形滤波电路。
滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容C接在最前面）和电感输入式（电感L接在最前面）。
前一种滤波电路多用在小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一个电感器与负载串联）。
电容滤波电路：
图2.4.2桥式整流、电容滤波电路
图2.4.2所示为单相桥式整流、电容滤波电路。
在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vc对整流元件导电的影响。
整流元件只有在受正向电压作用时才导通，否则便截止。
负载RL未接入（开关S断开）时：
电容C充电时间常数为：
TC=RintC（2.4.1）
式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。
接入负载RL（开关S闭合）时：
电容C充电时间常数为：
Td=RLC（2.4.2）
因为Td一般较大，故电容两端的电压vc按指数规律慢慢下降。
在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值I2=1.11IL而有电容滤波时：
I2=（1.5~2）IL（2.4.3）
为了得到平滑的负载电压，一般取Td=RLC
（3~5）
电容滤波负载电压VL与V2的关系：
V=（1.1~1.2）V2
图2.4.3桥式整流、电感滤波电路
2.5稳压电路的设计
输出电压的变化量△Usc是很微弱的，它对调整管的控制作用也很弱，因此稳压效果不够好，带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。
BG1是调整管，BG2是比较放大管。
输出电田变化量△Usc的一部分与基准电压Uw比较，并经BG2放大后进到了BG1的基极。
Rc是BG2的集电极电阻，又是BG1的上偏置电阻。
R1、R2是BG2的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUsc的一部分作为输出电压的取样，送给BG2的基极，因此又叫取样电路R2上的电压Ub2：
叫取样电压。
DW和R3组，成稳压电路，提供基准电压Uw=Ue2。
图2.5.1串联反馈式稳压电路一般结构图
图2.5.1中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压。
这种稳压电路的主回路是起着调整作用的BJT、T与负载串联，故称为串联稳压电路。
基准电压VREF、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压：
Vo=
（1+
）=
（2.5.1）
输出电压的调节范围：
动端在最上端时，输出电压最小：
=
=
动端在最下端时，输出电压最大：
=
=
图2.5.278L系列输出电压固定的三端集成稳压器
集成稳压器：
根据课程设计任务书要求：
电源输出电压为12V，输入电压为220V，输出电流为Imax=500mA<1A。
因为集成稳压器比较方便，故采用LM7812CT集成稳压器组成稳压电路。
图2.5.3LM7812CT集成稳压器
2.6整体电路的参数确定及元件选择
图2.6.1总体的设计图
输入电压的确定：
U2太低则稳压器性能将受影响，甚至不能正常工作；U2太高则稳压器功耗增大，会导致电源效率下降，使最大输出电流有所降低。
所以U2的选择原则是：
在满足稳压器正常工作的前提下，U2越小越好，但U2最低必须保证输入、输出的电压之差大于2—3V。
由任务书技术指标要求可确定U2的值，取变压器输出的U2=18V。
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U2。
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。
一般小型变压器的效率为：
表2.6.1变压器的效率表
副边功率P/vA
〈10
10-30
30-80
80-200
效率η
0.6
0.7
0.8
0.85
根据设计的要求，最终要输出12V的直流电压。
若从变压器输出的送给整流滤波电路的电压V2为18V，则电容滤波电路的负载电压VC与V2的关系为：
VC=（1.1~1.2）V2
Vc=1.2*18=21.6v
为了稳定直流电压为12V，后面的稳压电路选用集成稳压器：
LM7812CT。
也就是说V2为16V符合要求。
于是变压器的变比n可以计算：
n==
=12
于是可以用变比n为12的功率为8W变压器。
整流电路：
图2.6.2整流部分
显然采用整流桥，设计要求中要求最大输出IL为500mA于是：
最大允许流经每个二极管的ID=0.5IL=0.5*500=250mA
而每个二极管所承受的最大反向电压为：
VRM=
=22.63V
于是整流桥部分采用的是四个型号为1N4007GP（参数详见1.2.5主要元器件简介）的二极管构成。
图2.6.3滤波部分
滤波部分：
滤波电容C可由下式估算：
因为R
C=0.5*T*4=2T=2*（0.02）=0.04s
V
=1.2V
=19.2V，C=
=1000uf
若考虑电网电压波动
%10,则电容器承受的最高电压为：
VCM=
*1.1=1.4*18*1.1=27.72v
由于采购原件时条件有限，且用2200uf电容，经过multisim仿真，得出2200uf/25V电容的可行性。
稳压部分：
稳压部分采用集成稳压器LM7812CT，集成稳压器LM7812CT的最大输入电压VI35V，最大输出电流Io1.5A，最大耗散功率PD20W，参数都符合要求。
第三章仿真
3.1multisim仿真软件的简介
图3.1.1Multisim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。
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