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兰州交通大学博文学院 电子技术课程设计
设计题目：直流稳压电源的设计 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师：
| 在输入交流电压220V，50Hz的交流电压变换范围±10%条件下设计一个交流变换为直流的稳压电源： 1.输出电压：VL=12V±2V 2.最大输出电流：IL MAX=500mA 3.稳压系数：SV=0.05 4.电源内阻：ro≤0.1Ω 5.输出纹波电压：Vop-p≤20mV 利用串联于电路中的调整管Q1进行动态分压而使负载得到稳定电压的电路。 串联型稳压电源的工作原理，是在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，利用稳压二极管两端电压不变的原理，使输出电压保持不变，并用多级三极管组成达令顿复合电路，组成放大器提高稳压精度。 |
目 录
一、设计方案 1
1.1设计目的 1
1.2方案选择 1
1.3设计主要性能指标 3
二、单元电路原理 3
2.1设计方案原理框图 3
2.2直流稳压电源的参数设计 4
2.3部分电路设计计算 4
三、单元电路的设计 6
3.1电源变压器 6
3.2整流滤波电路 7
3.3稳压电路 9
3.4集成稳压器的选择计算 9
3.5选择电源变压器 10
3.6整流二极管及滤波电容的选择 10
四、元器件明细表 11
五、总结 12
六、参考文献 12
一、设计方案
1.1设计目的
稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引用深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。
通过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、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品串联稳压电源，即利用串联于电路中的调整管Q1进行动态分压而使负载得到稳定电压的电路。
1.2方案选择
方案1：采用7805构成直流电源
采用7805构成直流电源的电路如图1所示，改变RP阻值使7805的公共端的电压在0～10V之间可调，则7805的输出端电压就可实现-5～+5V之间可调了。这种方案是利用了7805的输出端与公共端的电压固定为+5的特性来设计的。
优点：简单快捷，精确度高
缺点：存在不好数控的问题
图1 7805构成的直流电源电路图
方案2：可调式三端稳压电源设计
三端稳压电源构成直流可调原理框图如图2所示。该方案需使用三端稳压芯片CW317作为稳压电路可调部分，其输出电压调整范围宽。
优点：该方案结构简单，使用方便，干扰和噪音小。
缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高。
图2 三端可调式稳压器电路原理图
方案3：晶体管串联式直流稳压电路
晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图3所示，该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。
图3 晶体管串联式直流稳压电路框图
优点：单纯的电路很简单，易于连接。
缺点：增加辅助电源后电路结构复杂，多采用分立式原件，电路可靠性低。
直流稳压电源是电子设备能量的提供者，对直流电源要求是：输出电压的幅值稳定，平滑，变换频率高，负载能力强，温度稳定性好。综合以上三种方案，得出结论，第2种方案最可行。总体设计应该简单耐用。
1.3设计主要性能指标
在输入电压为220V，50Hz，电压变化范围±10%的条件下：
1. 输出电压：VL=12V±2V
2. 最大输出电流：ILmax=500mA
3. 稳压系数：Sv≤0.05
4. 电源内阻:ro≤0.1Ω
5. 输出纹波电压：Vop-p≤20mV
二、单元电路原理
2.1设计方案原理框图
交流电网220V的电压通过电源变压器将变为需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还是会随电网电压波动、负载和温度等的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还须接稳压电路，保证输出的直流电压稳定。
图4 直流稳压电源基本原理框图
2.2直流稳压电源的参数设计
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压U0、输出电流I0、输出纹波电压Vop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流桥和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤：
根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Ilmax，确定稳压器的型号及电路形式。
根据稳压器的输入电压U1，确定电源变压器副边电压U2的有效值u2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。
确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压RMU和滤波电容的电容值和耐压值。根据确定的参数选择整流桥和滤波电容。
2.3部分电路设计计算
⑴选择分立元件复合管，确定电路形式在此方案中主要选择两种类型三极管
1、对于VT1管集电极一发射极反射击穿电压UBR(CEO)1应为
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集电极最大电流
ICM1>(1+20%)800mA=960mA
集电极耗散功率
PCM1>（23.76-3)V800mA=16.6W
对于VT2管UBR(CEO)2应当也有
UBR(CEO)1>UC1max=23.76V
集电极最大电流
ICM2>==13.3mA
VT2集电极耗散功率
PCM1>（23.76-3)V13.3mA=0.28W
⑵选择电源变压器
电源变压器有很多种：有降压的、有升压的，在这次的设计中我们用的是降压变压器，它的作用是将来自电网的220V交流电压U1变为整流电路所需要的交流电压U2。η=，其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：
表1 小型变压器的效率
因此，当算出了副边功率2P后，就可以根据上表算出原边功率P输入电压Vi的范围为VI max+(Vi-V0)minViV0 min+(Vi-V0)max,Vi max为最大输出电压，V0 min为最小输出电压，(Vi-V0)min为稳压器最小输入、输出差，(Vi-V0)max为稳压管最大输入、输出差，故Vi12+3=15V,考虑电网电压10%的波动，最终取Vi=16.7V,由10V2==15.18V,但在实际过程中，由于没有这种生产标准，所以选购了输出为24V的。
（3）用整流桥和滤波电容整流桥：实测V2=33V整流输出电压平值
Vi =(1.1-1.2)V2=36.3V
二极管平均电流
ID=I0==0.45=0.327A
二极管最大反向压
URM=U2=23.3V
故整流桥选用1N4001(1A,50V)保护二极管选IN4148(1A,50V)滤波电容
RLC(3-5)T/2,则C1=5T/2RL
式中T为交流电源周期，T=20ms，RL为C1右边的等效电阻，应取最小值，由于Imax=500mA,因此RL==33,所以C1=C2=1515μF,可见C1的容量较大，应选电解电容，受规格限制，电容的耐压要25V,故滤波电容C取容量为2200uF，耐压为25V的电解电容。
稳压过程。输出电压因某种原因变化时，LM317构成的电压调整器就能够调整输出电压，使其保持恒定。
输出电压调整过程。Rw用于调整输出电压大小。当Rw滑动端向上滑时，基极电压Ub就上升，使输出电压变小。若当Rp滑动端向下滑时，输出电压则会变大。
用317稳压块制作稳压电源时，稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。7V输出电流为0.1～0.5A；工作结温同样分为-55～+155℃，-25～+150℃，0～+125℃三类电压调整率的典型值为0.01％V，负载调整率的典型值为0.1％，内部含有过流、过热和调整管安全工作区保护电路。
直流稳压电源基本原理电路图
图5 直流稳压电源基本原理电路图
三、单元电路的设计
3.1电源变压器
电源变压器将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。
实际电路中选择一个中间带抽头的多路输出稳压器，其输出电压分别是（交流）12V、18V、20V。分别对应LM78XX、79XX系列和LM317稳压器。
3.2整流滤波电路
单相桥式整流电路如图6所示，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理为简单起见，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6 单相桥式整流电路
在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。
在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
单相桥式整流电路如图7所示。由图可见，U2正半周时D1、D4导通，D3、D2截止，在负载电阻RL上形成上正下负的脉动电压；而在U2负半周时，D2、D3导通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下负的脉动电压。如果忽略二极管内阻，有Uo≈U2。
图7 单相桥式整流电路简化图
桥式整流电路波形如图8所示。正负半周均有电流流过负载，而且电路方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。单相桥式整流电路主要参数：输出直流电压UO(AV) ,脉动系数S，二极管正向平均电流 ID(AV),二极管最大反向峰值电压URM。桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点，用一次级线圈的变压器，达到了全波整流的目的。
图8 桥式整流电路的工作波形
由图可见，通过负载桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
3.3稳压电路
由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按照输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。其常见产品有CW317、CW337、LM317、LM337。其中317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为1.2～37V，最大输出电流为1.5A。图9 LM317三端式稳压器及稳压电路
3.4集成稳压器的选择计算
集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为
VL=1.2～37V
最大输出电流
I0max=1.5A
集成稳压器的输出电压VL应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相同。稳压器的最大允许电流ILm<ILmax，稳压器的输入电压范围为：
VLmax+（VI-VL)minVIVLmin+（VI-VL)max
式中，VLmax——最大输出电压；
VLmin——最小输出电压；
（Vi-VL）min——稳压器的最小输入电压差；
（Vi-VL）max——稳压器的最大输入电压差；
在电路中，取C0=1μF,C1=0.01μF,C2=10μF,R1=200Ω，RW=2kΩ二极管用IN4001在电路中，R1和RW组成输出电压调节电路，输出电压VL=1.25(1+RW/R1)，R1取120～240Ω，流过R1的电流为5～10A。取R1 =200Ω，则由VL=1.25(1+RW/R1)，可求得：
Rwmin=1400欧，Rwmax=2040欧，故取为2500欧的精密线绕电位器。
3.5选择电源变压器
VLmax+(VI-VL)minVIVLmax+(VI-VL)max
14V+3VVi10V+40V
17VVi50V
V2Vimin/1.1=17/1.1=15.45V
取V2=20V,变压器副边电流
I2ILmax=500mA
取I2=200mA,则变压器的副边输出功率P2为
P2I2U2=3.09W
为留有余地，故选用功率为10W的变压器,所以变压器选用20V/10W的即可。
3.6整流二极管及滤波电容的选择
由于
URM===28.284V,ILmax=500mA
IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。
SV=
式中：V=14V，Vi=20V,Vop-p20mV，Sv=0.05 ,则
△Vi=Vop-p/VLSv=1.67V
则滤波电容C为
C=Ict/△Vi=ILt/△Vi=4800μF
由之前模电实验可知，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4700μF的电容。
四、元器件明细表
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBBFF.tmp.png1000V,1A | | | | | | URMfile:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBC00.tmp.png75V，25nA | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
表2 元件明细表 五、总结 通过本次课程设计培养了我运用互联网查找资料和综合应用课本理论知识解决实际问题的能力。让我懂得，当下的我们一定要好好努力，好好学习，注重培养自己的能力。在计算和动手方面要有耐心和细心，才能把事情做得更好；在生活和学习中，要和身边的人团结互助，能帮的就要尽力帮。 相信以后的我会以更加积极地态度对待学习、对待生活，我的激情永远不会结束。相反，我会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己。只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！认真的对待每一个实验，珍惜每一分每一秒，从中学到更多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我在课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的！ 六、参考文献 [1] 封民肠．模拟集成电路系统（第二版）[M]，北京：中国铁道出版社，1998 [2] 常晓玲．电气控制系统与可编程控制器[M]，北京：机械工程出版社，2004 [3] 赵学泉，张国华．电源电路[M]，北京：电子工业出版社，1995 [4] 晶体管技术编辑部．电子电路设计与制作[M]，北京：科学出版社，2005 [5] 陈大钦．电子技术基础实验[M]，高等教育出版社，2005 [6] 康光华．电子技术基础[M]，高等教育出版社，2006 [7] 张庆双．实用电子电路200例[J],机械工业出版社,2005
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