直流稳压电源的设计方法.doc

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模拟电子技术课程设计

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

设计任务书………………………………………………………2

第一章绪论…………………………………………………5

第二章系统设计方案论证及分析……………………………7

2.1概述……………………………………………………7

2.2设计目的………………………………………………7

2.3设计任务………………………………………………9

2.4设计要求………………………………………………9

2.5电路原理分析…………………………………………9

2.6设计方案的选择与论证………………………………10

2.7直流稳压电源的参数设计方法………………………11

第三章单元电路的设计……………………………………14

3.1电源变压器……………………………………………14

3.2整流电路………………………………………………14

3.3滤波电路………………………………………………16

3.4稳压电路………………………………………………19

第四章制作与调试……………………………………………20

4.1安装与检查………………………………………………22

4.2焊接技术………………………………………………22

4.3稳压电源各项性能指标的测试…………………………23

4.4误差分析………………………………………………24

第五章结论和心得……………………………………………25

第六章谢辞……………………………………………………27

附录………………………………………………………………27

附录A主要器材………………………………………………28

附录B原理图………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………30

第一章绪论

电子技术是当今高新技术的“龙头”，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。

电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。

要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。

本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。

电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。

交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源。

直流电源又分为两类：

一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，本文不做具体介绍；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。

现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。

电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将50HZ的交流电经过电源变压器，整流，滤波和稳压这四个基本部分后获得。

整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是将当输入交流电源电压的波动、负载和温度的变化时，维持输出直流电压的稳定。

由于集成稳压器具有体积小、重量轻、使用方便和工作可靠等优点，应用越来越广泛。

国产的稳压器种类很多，主要分为两大类。

稳压器中的调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压器，调整元件工作在开关状态的称为开关稳压器。

在电子仪器仪表中，经常要求有稳定的直流电源，所以在整流滤波后面，通常需要接直流稳压电路。

本设计是设计的直流稳压电源，是一种将220V交流电转换为稳压输出的直流电源装置，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是有电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路四个部分组成。

通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。

我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。

本次课程设计的课题是直流稳压电源的设计和调试，本课程设计将就直流稳压电源电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。

第二章系统设计方案论证及分析

2.1概述

220V经电源变压器降为约+24V的交流电，先经过D1整流桥和电容C1进行和C2整流后分别经过稳压芯片U1、U2分别得到+12V和-12V的一个相对稳定的直流电压。

为提高输出电压的稳定系数，对电子滤波器的性能进行了改善，电源调整管采用复合管的形式。

分别在整流滤波和稳压后加电容C3、C4、C5、C6实现频率补偿,防止高频自激振荡和抑制高频干扰。

为了减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰分别加电容C7、C8。

当输入端时，为保护稳压芯片加D3、D4。

并且还在输出端加了D1,D2两个发光二极管，来检测电路是否正常工作，为了防止由于电流过大，讲发光二极管击穿，特用了两个电阻来进行保护。

经过一系列的改善如：

减小输出电压纹波系数，达到优良的滤波效果等，是最终电路达到了设计要求。

2.2设计目的

1、学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。

2、掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。

3、通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：

（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；

（2）掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

（3）通过电路的设计可以加深对该课程知识的理解以及对知识的综合运用。

2.3设计任务

设计一波形直流稳压电源，满足：

（1）当输入电压在220V±10%时，输出直流电压为±12V，输出直流电流d的最大为500mA；

（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5%，输出内阻小于0.1欧。

2.4设计要求

直流稳压电源的基本要求：

（1）合理的选择电源变压器；

（2）合理选择集成稳压器；

（3）完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、安装调试、绘制电路图；

（4）撰写设计使用说明书。

（5）稳压电源　在输入电压为220Ｖ，50HZ.电压变化范围为+10%~-10%条件下：

a.输出直流电压为+12/-12；

b.  最大输出电流为:

Iomax＝500mA；

c.  纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）；

d. 具有过流保护及短路保护功能；

e.画出总体设计框图，以说明直流稳压电源有哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间的联系、变化，并以文字对原理作辅助说明。

设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。

选择合适的元器件，接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。

在验证各个功能模块基础上，对整个电路

的元器件和布线，进行合理布局，进行直流稳压电源整个电路的调试。

2.6设计方案的选择与论证

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2.1所示。

负载

稳压电路

滤波电路

整流电路

变压器

（a）

u1u2u3uI

（b）整流与稳压过程

图2.1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程

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，因此在本实验中不适合此方案。

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，因此在本实验中不适合此方案。

方案三：

由固定式三端稳压器（7812）组成

由固定式三端稳压器（7812）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+12V，它属于CW78**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。

2.6电路原理分析

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2.2所示。

各部分的作用：

图2.2

（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。

（2）整流滤波电路：

整流电路将交流电压U1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U0。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等，如图2.3所示。

图2.3

整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C滤波纹波，输出直流电压U0。

U0与交流电压U2的有效值u2的关系为

U0=（1.1-1.2）u2

每只整流二极管承受的最大的方向电压Vrm=U2

通过每只二极管的平均电流I=0.5Ir=0.45U2/R

式中,R为整流电路的负载电阻.它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数应满足RLC≥（3-5）T/2

式中,T为50HZ交流电压的周期,即20ms.

（3）电压输出稳压器

由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。

因此，为了维持输出电压UI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）发生变化时，能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所组成。

采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

2.7直流稳压电源的参数设计方法

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-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Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

根据稳压器的输入电压，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和滤波电容的电容值和耐压值。

根据所确定的参数，选择整流桥和滤波电容。

设计参数如下：

⑴　选择三端集成稳压器，确定电路形式

集成稳压器选用L7812cv（1.5A,12V）及PJ7912（1.5A,-12V），其输出电压范围为：

Uo=12V和-12V。

所确定的稳压电源电路如图2.4所示。

图2.4

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。

，其中：

是变压器副边的功率，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

副边功率

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。

U1和U2的取值决定了相关器件及参数的选择，一般情况下，U1应比U0高3V左右（太小影响稳压，太大稳压器功耗大，易受热损坏）。

故可取U1=12+3=15V，考虑电网电压10%的波动，最终取U1=16.7V,由UL=（1.1-1.2）V2,变压器次有效值u2为u2=U1/1.1=15.2V，但因本设计输出电压为12V，故变压器输出电压U2=18V，即变比为0.7，但在实际过程中，由于商家没有，选购了输出为24V的。

⑶选用整流桥和滤波电容

整流桥：

整流输出电压平值

=21.6V

二极管平均电流

=0.327A

二极管最大反向压

=33.94V

故整流桥选用2W06W（1A,50V）

保护二极管选IN4001（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，应去最小值，由于Imax=500mA,因此RL=U1/Imax=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。

发光二极管的保护电阻选用470.

第三章单元电路设计

3.1电源变压器

过整流电路将交流变为脉动的直流电压。

由于此脉动的直流压含有较的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。

电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，然后通过的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。

3.2整流电路

利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）的电路，称为整流电路。

交流电分为三相交流电和单相交流电，在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。

本节主要研究单相桥式整流电路，对于倍压整流电路及全波整流电路，可通过相应参考书来了解。

为简化分析，假定二极管是理想器件，即当二极管承受正向电压时，将其作为短路处理；当承受反向电压时，将其作为开路处理。

单相桥式整流电路

为了保留全波整流电路效率高、脉动系数小的优点而克服其反向电压高的缺点，若使二极管承受的反向电压和半波电路一样，比全波整流电路减少一半，使二极管成本下降，可在此基础上多用几只二极管，如图3.1所示电路就基本解决了上述问题。

图3.1单相桥式整流电路

1）电路组成及工作原理

桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥，电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。

这种电路有三种画法，如图所示。

在工作时，D1、D2与D3、D4两两轮流导通。

在u2正半周，二极管D1和D2正向导通，而D3、D4反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：

a→D1→RL→D2→b→a，u0=u2；在u2的负半周，二极管D3和D4正向导通，而D1、D2反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：

b→D3→RL→D4→a→b，u0=－u2。

由此可见，不论哪两只二极管导通，负载电流的方向都始终保持不变。

电路各处电压、电流波形如图3.2所示。

2）输出电流电压U0

由桥式整流电路的波形可知，其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同：

U0=0.9U2

3）整流二极管的选择

由桥式整流电路的波形可知，每只二极管截止时所承受的反向电压为变压器副边电压峰值，因此，各二极管所承受的最大反向电压为

URM=U2

虽然是全波整流，由于二极管仍然是只有半个周期导通。

此值与半波整流电路相同，负载上的电流是这个数值的2倍。

ID=I0/2

图3.2单相桥式整流电路的波形图

3.3滤波电路

经过整流后，输出电压在正负方向上没有变化，但输出电压波形仍然保持正弦波的形状，起伏很大。

为了能够得到平滑的直流电压波形，需要有滤波的措施。

在直流电源上多是利用电抗元件对交流信号的电抗性质，将电容器或电感器与负载电阻恰当连接而构成滤波电路。

电容有通高频、阻低频的作用，将其直接并在整流电路后面，可以让高频电流通过电容流回电源，从而减少了流入负载的高频电流，降低了负载电压的高频成分，减小了脉动。

下面讨论电容滤波电路的工作原理，为讨论问题的方便，我们以半波整流电容滤波电路为例进行分析，电路如图3.3所示。

图3.3单向半波整流电容滤波电路及其波形图

（1）工作原理

设u2波形如图3.3（b）所示，未接电容时，输出电压如图3.3（b）中的虚线所示。

在u2正半周，设u2由零上升，二极管D导通，u0=u2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度，uC=u2。

当u2上升到峰值时，电容充电达到1.4U2，二极管D截止，随后u2下降，电容C向负载RL放电，放电时间常数为RLC，其值较大，所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多，此时负载电压靠电容C的放电电流来维持，u0=uC。

当电容放电到b点时，uC＜u2，二极管D又导通，电容又被充电。

充电至1.4U2后，又放电。

如此重复进行，就得到输出电压的波形如图3.3（b）中实线所示。

由图可见，经电容滤波后，负载电压变得平稳，且平均值提高了。

桥式整流电容滤波电路的原理与半波时相同，其电路和波形如图3.4所示。

图3.4单相桥式整流电容滤波电路及其波形图

（2）输出直流电压

在有滤波电容的整流电路中，要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的，工程上一般按下列经验公式进行估算。

当电容的容量足够大，满足RLC≥（3－5）T/2（T为电网电压的周期）时，

对于半波整流电容滤波：

U0≈U2

对