毕业论文-半导体直流稳压电源设计论文课程设计论文.doc

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：通信工程
学生班级：1102班
学生姓名：谢曾闻达
学生学号：11401340214
指导老师：李祖林

模拟电子技术课程设计任务书
系：电气与信息工程系 年级：1102 专业：通信工程
指导教师姓名
李祖林
学生姓名
谢曾闻达
课题名称
半导体直流稳压电路的设计

内

容

及

任

务

一、设计任务和要求
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、设计内容
1、设计一个能输出±12V/±5V的直流稳压电源；
2、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
3、要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；
4、在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；
三、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%。
进

度

安

排
起止日期
设计内容
6月5号

设计一个能输出±12V/±5V的直流稳压电源
6月8号

根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数
6月13号

要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图
6月19号

在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源
主要参考资料
《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
答辩成绩

指导教师评阅意见

目 录

第一章 引言…………………………………………1
第二章 半导体直流稳压电路的设计………………2
2.1课程设计要求……………………………………………………2
2.2整体设计方案……………………………………………………3
2.3电源变压器………………………………………………………4
2.4整流滤波电路……………………………………………………5
2.5集成稳压器方案…………………………………………………6
2.6整流二极管的参数计算…………………………………………6
2.7滤波电容的参数计算……………………………………………7
2.8其他电路元件的选择……………………………………………7
第三章 半导体直流稳压电路的仿真与制作………7
3.1直流稳压电源电路的仿真电路…………………………………8
3.2 PCB版的设计与制作……………………………………………8
第四章 测试方法和实验结果………………………10
4.1测试方法和内容…………………………………………………10
4.2基本检查…………………………………………………………11
4.3指标测试和测试结果……………………………………………11
第五章 数据分析和讨论……………………………12
5.1数据分析…………………………………………………………12
5.2结果讨论…………………………………………………………12
第六章 结束语………………………………………13
附录A 元件清单……………………………………15
附录B 参考文献……………………………………16
- 15 -

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 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：
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/±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；
（8）撰写设计报告；
（三）、设计提示
1、设计电路框图如图所示：

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7812，7912和7805，7905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、实验仪器设备
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、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。

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2.2.1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2.2.1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，LM7912和LM7805,LM7905。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
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。
表2-3-1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

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
（一）、稳压二极管：
稳压电路可以利用稳压二极管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。
（二）、集成稳压芯片
随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。常用的有L7800系列L7900系列三端集成稳压器。在L78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。L79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。如要在同一电路中同时输出正负电压可采用如下图2.5.1接法。
图2-5-1 同时接正负稳压芯片的电路
LM78XX
CI
UI
+

_
UO
1
3
2
+

_

CI

LM79XX
1
3
CO

CO

2
UO

2.6整流二极管的参数计算
在含稳压器LM7812,LM7912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,LM7905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1.4 V2。
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-p Vi / Vo Sv=1.4v
所以滤波电容
C= ICt/ΔVip-p = Iomax t/ΔVip-p =0.003636uF
C的耐压值应大于1.4 V2=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。

2.8其他电路元件的选择
用LED指示电路时，因输出的电压比较高，如果直接接在电路中会将其烧坏，所以应该串联以各电阻。LED的工作电流为3~10mA。12V/10mA=1200,5V/10mA=500Ω。因为LED存在一定内阻，所以选择的电阻分别为1200Ω,470Ω。

第三章 半导体直流稳压电路的仿真与制作

3.1直流稳压电源电路的仿真电路

图3-1-1
3.2 PCB版的设计与制作
（一）、原理图的设计
综上对电路的分析，与各元器件的参数计算，用Protel99绘制的原理图如附图所示。
（二）、PCB图的绘制
Protel99是专门制作PCB印制电路板的软件，能够在原理图上生成网络表，创建一个PCB文件，导入网络表，就能够对电路板上元器件进行布局，布线，设计的PCB如下图3.2.1。

图3-2-1
（三）、实物图

图3-3-1

图3-3-2

第四章 测试方法和实验结果

4.1测试方法和内容
（一）测试方法
1、目光检测法：根据设计的要求和指标，需对成品进行参数的测试。在进行参数的测量前必须保证元器件的安装没有发生错误。所以可以用目眼检测的方法进行。
2、仪器测量法：设计要求测试电源的稳压系数，内阻，和纹波电压。这些数据的测试必须用到实验仪器设备。
（二）测试项目
1、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。
2、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。
3、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
4.2基本检查
在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查：
1、电源变压器的一次和二次绕组是否搞错，否则将会造成变压器损坏.。
2、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。
3、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。
4、检查负载端是否有短路现象。
4.3指标测试和测试结果

（一）稳压系数测试
先将变压器的输入电压调为交流220V，用万用表的直流电压档分别测量电源的各个输出端，记录数据在表4.3.1中。
表4-3-1稳压系数测量数据
输出端口/v
输入电压/v
+12V
+5V
-12V
-5V
220v
11.97v
5.08v
-12.03
-5.08
（二）测量内阻
1、不接负载，直接用万用表直流档测量电源输出端的电压，如上表3所示输入220V时各输出的电压。
2、在±12V输出端外接一个电位器，使电流达到规定的最大电流500mV，用万用表直流档测量输出端口的电压得到的电压值分别为10.83V和-11.15V。
3、在±5V输出端外接一个电位器，是电流达到规定的最大电流500mV，用万用表直流档测量输出端口的电压得到的电压值分别为4.98V和-5.06V。

第五章 数据分析和讨论

5.1数据分析
稳压系数分析：
稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T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，即稳压系数.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。根据表3的数据最大的Δvo=±0.01V，ΔVI=220V×10％=22V所以稳压系数=0.01×220/22×11.97≈0.0084。
（- 0.01）×220/22×（-12.03）≈0.0083≤5%
5.2结果讨论
1、稳压系数是表征稳压电源应对输入电压的波动而保持输出电压稳定的能力。稳压系数越小，表示稳定电压的能力越强。所以一个电源的稳压系数越小表示其性能越好。经试验测量和计算得到制作的电源稳压系数为0.0083，小于设计要求的5﹪。所以设计的电源是符合要求的。
2、内阻也是电源质量好坏的一个重要的指标，它表征的是电源接负载的能力，内阻越小，接负载时分得的电压越小，从而保证接大电流负载时能够保证有足够的输出电压，保证负载能够正常工作。经测量和计算得到电源正负输出的内阻分别为2.28Ω和1.76Ω，这个内阻非常的小，说明接负载的能强。

第六章 结束语

在做课程设计之前曾在模电实验中接触过集成直流稳压电源，对直流稳压电源的设计有一定的了解。我在知道模拟电子课程设计中要做直流稳压电源是还暗自高兴这是个自己比较熟悉的项目。但在看到要求时才知道自己高兴的太早，因为在模电实验中我们只做到了基本的直流稳压电源的测量，而本次课程设计要求我们自主的设计并测设参数，并且要用软件仿真。此刻我才意识到自己对知识的了解和掌握并不全面，也不扎实。做课程设计对从没经验的我并不是简单的事。
为完成这次设计我查阅了很多资料和书籍，我发现查资料也是一门学问，要会查才能找到你所需的内容，我在网上查阅了相关的电子设计和电源设计资料，同时也查阅了一些书籍，也和班上多名同学和小组之间进行了交流，随着了解的深入对设计有了基本的思路。
这次课程设计给我带来了很大的收获，让我学到了很多，第一次用PCB做电子产品,不仅掌握了简单的电子电路的设计与制作，也掌握了一些芯片的原理与作用。在制作的过程中,我基本掌握了Protel99软件的使用，同时我也遇到了困难，在仿真环节中由于对软件的实用不熟练，仿真基本上都没有成功，并且由于时间关系没有对仿真软件进行进一步的学习，这让我觉得很可惜，以后一定会找时间补一下仿真软件方面的知识，以免以后做课设是让同样的问题难倒我。但总体上比没有做课设之前还是有了一定的进步。
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。
总体来说，这次电源的制作是比较成功的。因为我制作的这个电源稳压系数比较的小，能够很好的保持电源输出的稳定，内阻比较的小，接负载的能力也比较的强。
在接电路之前，一定要通过查资料把电路中的每个元件的作用弄明白和把每个芯片的管脚的功能弄清楚，明白每个元件的各个管脚与它哪里相对应。在电路设计中，应该仔细认证，从中我们可以学到很多东西，可以提高自己发现问题解决问题的能力，使自己的动手能力有一定的提高。出现故障时要积极面对，在检查线路时一定要有耐心，不要因为麻烦就放弃。遇见错误要一步一步的按照原理图来，先一步一步的测试，然后整体测试。不要没顺序没条理，这里测一下那里测一下，最后又什么都没查出来，那样既浪费了时间又浪费了精力。
这次电源的制作我不是一次性成功的，我做了两次，主要原因是在腐蚀时走线上有很多的孔，有些导线都断了，为了避免焊接好元器件后测试发现不符合设计的要求，我重新腐蚀了一块PCB板，最后经过测试，做出的直流稳压电源还算是成功的。

附录A 元器清单：
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
1.2Kω
470ω
各2个
桥式整流器

1个

附录B 参考文献
《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