5V简易直流稳压电源的设计.docx
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5V简易直流稳压电源的设计
摘要
本文主要论述了直流稳压电源的设计原理和实现方法。
直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。
本次设计选用了串联稳压电源。
稳压电路部分采用了继承三段稳压芯片LM317M以及W7912。
通过接滑动变阻器从而实现了电压的可调。
我们又采用7805、7905输出正负5V的电源作为数字电压表的工作原理。
数字电压表部分采用常见的数字集成电路ICL7107,它不仅结构简单，而且测量精度高，能够满足设计要求。
关键词：
直流稳压电源LM317M7805、7905ICL7107
引言
由于不同的电子产品可能需要不同的电源，设计可调电源就会使需要不同电源的电子产品得到与之匹配的电源，从而使其能正常工作，使它的工作效率达到最高。
电源的优劣将会决定电子产品的使用寿命，因此，我们需要的是高质量的直流电源。
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。
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
此次的课程设计，要求输出±5V稳定电压。
要能顺利完成这一设计，需要不仅熟悉了解课本上的知识，还要学会将理论知识应用到实践中，利用书籍资料来帮助自己。
本文设计要求的技术参数和设计要求：
容量：
5W
输入电压：
交流220V
输出电压：
直流±5V
输出电流：
1A
1基本电路原理分析
1.1整体电路框图
图1-1直流稳压电源的原理框图和波形变换
整体电路由以下四部分构成：
电源变压器：
将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2。
整流电路：
将交流电压U2变为脉动的直流电压U3。
滤波电路：
将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。
稳压电路：
当电网电压波动及负载变化时,保持输出电压Uo的稳定。
1.2电路原理分析
本次设计首先采用变压器把220V交流电变成所需要的电压。
利用二极管的单向导电性，可以设计出把交流电变成直流电的电路；再根据电容的滤波作用，输出纹波较小的直流电，从而得到平滑的直流电压；最后通过稳压块的稳压作用，就可以得到输出稳定的直流电。
由输出电压U0、电流I0确定稳压电路形式。
通过计算极限参数（电压、电流和功率）选择器件有稳压电路所要求的直流电压（Ui）、直流电流（Ii）输入确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压Ui的有效值、电流Ii（有效值）即变压器功率。
由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
在电子电路中，通常需要电压稳定的直流电源供电，小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳压四部分电路组成。
下面分别就稳压电源的四个组成部分分别分析其原理。
（1）电源变压器
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需的低电压。
根据设计要求，输出最大电源为+10V/1A，因此，输出的最大功率为10W。
另外，为了输出正、负电压，考虑到每个稳压集成块的压降为3V左右，所以可以选择220V/±16V/10W的变压器。
（2）整流电路
整流电路一般由单项导电性的二极管构成，经常采用单项半波、单项全波和单向桥式整流电路。
如图2-2所示的整流电路为应用广泛的桥式整流电路。
电路中采用了4个二极管，组成三项桥式整流电路。
整流过程中，4个整流管轮流导通，无论正半周还是负半周，流过负载的电流方向一致，形成全波整流，将变压器处的交流电压变成了脉动直流电压。
图1-2整流电路
整流电路的参数如下：
输出电压平均值：
输出电流平均值：
平均整流电流：
最大反向电压：
整流二极管的选择：
，
（3）滤波电路
交流电经整流电路后可变为脉动直流电，但其中含有较大的交流分量，为使设备上用纯净的交流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成分。
常见的滤波电路有：
电容滤波电路、电感滤波电路、电感电容滤波电路以及型滤波电路。
在此电路中，由于电容滤波电路电路较为简单、且能得到较好的效果，故选用此电路。
在加入电容滤波电路后，由于电容是储能元件，利用其充放电特性，使输出波形平滑，减少脉动成分，以达到滤波的目的。
为了使滤波效果更好，可选用大容量的电容为滤波电容。
因为电容放电的时间常数越大，放电过程越慢，脉动成分越少，同时使得电压更高。
滤波电容一般选几十至几千微法的电解电容，一般选取
。
图1-3滤波电路
（4）稳压电路
经过整流和滤波后得直流电压，会由于电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变化。
在绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动显得太大，仍需进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。
目前常用的稳压电路有并联式稳压电路、串联稳压电路以及集成式稳压电路。
由于集成式稳压芯片具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，因而工作是比较稳定的，电路
也相对比较简单。
为了使电路正常工作，要求输入电压应比输出电压至少高出2.5V~3V。
电路如图1-4、图1-5所示。
电容C1可防止自击振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰，一般取0.1~1uF。
输出端电容C2可以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消除自击振荡的作用。
图1-4输出正电压电路
图1-5输出负电压电路
2实验电路与元件参数选择
2.1实验电路
图2-1实验电路图
78和79系列分别是正电压和负电压串联稳压集成电路，体积小、集成度高、线性调整率和负载调整率高，在线性电源时代占领了很大市场。
LM7805为固定+5V输出稳压集成电路（采取特殊方法也可使输出高于5V），最大输出电流为1A，标准封装形式有TO-220、TO-263。
78和79系列集成电路应用相对固定，电路形式简单，只是正负直流电压输出时应注意变压器最小输出功率和最小输出电压，如图所示。
78系列和79系列稳压前后直流电压差为2～3V。
由于为正负双电源输出，稳压前后直流电压差应为5～6V
2.2元件介绍
（1）三端集成稳压器
集成稳压器具有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等优点，在电子电路中应用广泛。
集成稳压器的主要技术指标，包括额定输人电压、输出电压范围、输出电流范围、稳压系数和温度系数等等。
额定输人电压是指使直流稳压电源正常工作的输人直流电压的范围。
输出电压范围是指直流稳压电源能够稳定输出的直流电压范围。
如固定输出6V、9V、12V、15V等等。
连续可调的直流电源可在一定电压范围内输出，如集成稳压器CW138的输出电压可在一内连续可调。
输出电流范围是指直流稳压电源在正常工作条件下所允许输出的电流范围。
如由集成稳压器构成的直流稳压电源，最大输出电流为5A
稳压系数是指当负载和环境温度不变时,输出电压的相对变化量。
它是衡量直流稳压电源对电网电压即输人交流电压波动的适应能力，即稳压性能好坏的标志。
一般情况，其数值越小表明输出电压越稳定。
温度系数是指直流稳压电源的输入电压和负载均不变时，由于环境温度变化引起的输出电压变化量与温度变化量之比。
该系数越小，表明直流稳压电源受环境温度的影响也越小,输出电压越稳
稳压器L78、79系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。
W78系列三端集成稳压电路具有固定输出正电压，L79系列三端集成稳压电路具有固定输出负电压。
这两个系列稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，因而他的工作是比较可靠的。
字母后面的数字表示输出电压，电压等级：
5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。
如设计一个输出、的线性直流稳压电源，选择L7815、L7905。
三端固定稳压器注意事项：
1）防止输入输出接反，损坏器件；
2）防止稳压器浮地故障；
3）如果输出电压|V0|〉7V，应接保护二极管
4）输入电压不能超过Vimax
78系列VImax=35V，79系列VImax=-35V
5）输入电压必须大于VImin
78系列，VImin≥7V，79系列，VImin≤-7V
6）输出电流不能超过最大值IOmax
7）加散热片
（2）整流桥
整流桥的作用是将交流电转变为直流脉动电压。
整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。
最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。
一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流;后两个数字代表额电压。
本实验用RS307，即额定电流3A，额定电压1000V。
2.3原件参数计算与选择
（1）稳压器
要求输出+5V、-5V的直流电，选择选择L7805、L7905。
（2）变压器
为了使电路正常工作，要求输入电压应比输出电压自少高出2.5V~3V，且
。
所以变压器的输出电压的平均值至少应为8V，因此选择双8V/8W的变压器。
（3）电容大小的选择
对于滤波电容C来说
，
即
滤波电容一般选几十至几千微法的电解电容。
又因为输出最大电流为1A，故可估算出RL范围，取RL为18
，求得C约为2200uF。
故电容C选择2200u/25V的电解电容。
电容C1一般取0.1~1uF，在此取C1=0.33uF。
电容C2一般取0.1uF，C0应取0.22nF。
3电路仿真与分析
3.1电路仿真
仿真采用功能比较强大的Multisim,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。
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。
图3-1仿真电路
图3-2仿真电路分析
图3-3仿真结果图
通过观察示波器以及电压表，可以看出正电压稳定为5.506V，负电压稳定在-5.38V左右，示波器也是一条直线，说明之前的交流通过整流、滤波、稳压之后已经把220V的交流电转换成了正负5V的线性直流电源。
3.2电路分析
整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成[3]。
经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。
电路图如下：
图3-4整流电路图
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波。
在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。
选择电容滤波电路，直流输出电压：
Uo1=（1.1～1.2）U2，电路图如下：
图3-5滤波电路图
前面所讨论的整流滤波电路，都是不能保证输出稳定的直流电压。
输出电压不稳定的主要原因有以下几个方面：
经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。
其原因主要有以下几个方面：
1、由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有±10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；
2、由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化；
3、由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化；
4、整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。
所以，为了得到输出稳定的直流电压，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。
本设计选用固定式三端稳压器。
选用LM7805三端正电源稳压电路，输出稳定+5v电压；选用LM7905三端负电源稳压电路，输出稳定的-5v电压。
电路图如下：
图3-6稳压电路图
通过将上述三部分的分析综合起来画出总的电路图，总体电路图如下：
图3-7总体电路图
交流电源为220V50HZ的工频交流电，考虑到220V的电压直接接二极管，故选取最高耐压为1000V的二级管连接成桥式整流器，电容C1、C9、C5经过计算选取420uF，C2为100uF，C3、C4消除纹波因素选取100nF。
稳压模块选取稳压输出为5V的电源管理ICLM7805和电压输出为-5V的电源管理ICLM7905。
总结
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。
本设计的特点是由220V电压由变压器转变成有效值5V的双通道输出电压，将输出的2个支路的输入端均并联到整流部分，得到输出波纹较大的正负两直流输出，由于电压波纹较大，要经过大电容的滤波，从而得到较稳定的直流输出，但是所得的电压不是我们任务设计的要求，所以还要经过稳压片稳压，才能得到符合的电压。
选择正电压的直流输出端接到7805和7905系列的稳压片，经过稳压片的稳压作用，这样就可以进行输出是+5V、-5V多路输出直流稳压电源。
该电路具有结构简单，思路清晰，连接电路方便的特点。
参考文献
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[2]王增福﹒新编线性稳压电源﹒电子工业出版社﹒1999
[3]郭培源﹒电子电路及电子器件﹒高等教育出版社，2000
[4]王鸿麟﹒直流稳压电源的原理和设计﹒人民邮电出版社﹒1981
[5]朱康中﹒交直流稳压电源﹒水利电力出版社﹒1987
[6]刘润华﹒现代电子系统设计﹒石油大学出版社﹒1998
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