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
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