直流稳压电源.docx

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直流稳压电源

直流稳压电源的设计

第一章绪论

电源波动或负载变化影响而保持稳定，这就需要我们对整流后的电源进行稳压设计。

在各种电子电路中，总离不开电源电路，而由于电路结构和元件特性，就需要用到直流电源供电，而能提供直流电源的干电池太阳能电池等功率小，成本高等缺点。

而交流电在产生、电能输送等方面具有独特的优点，发电站、各市电网中的电能传输都是以交流电的形式进行输送，因此，就需要我们对市电提供的电压进行降压整流等，把交流电转换成直流电，以获得我们所需要的电压。

电力系统供电电压的波动，或者负载阻抗和功率的变化，都会引起整流器输出电压随之改变。

在电子电路和自动控制装置中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，使整流器输出电压尽可能少受流电进行滤波，稳压，以获得我们所需要的供电电源。

本次课程设计的课题是直流稳压电源，本课程设计将就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。

由于本人水平有限，不妥指出还望各位老师指正。

1.1、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；

4、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流；

5、通过设计加深对基础知识的认知和个学科间的联系，能基本的进行综合电路课题的设计。

1.2设计任务

1、进行设计方案的比较，并选定设计方案；

2、完成电路的设计和主要元器件说明；

3、完成硬件原理图设计和PCB图设计；

4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。

1.3设计要求与技术指标

1.3.1技术指标：

⑴两路基本电压输出±5V和±12V电压、一路可调0~20V可显示电压输出，最大输出电流为1.5A。

⑵输出纹波电压5～6mV，输出电流大于1A

⑶输出功率≥20W，总体谐波失真小于0.2％，稳压系数Sv≤5×10-3。

数字电压表四位显示，分辨率小于20mV，可连续可调。

显示范围为四档：

Ⅰ：

0～5V、Ⅱ：

5～10V、Ⅲ：

10～15V、Ⅳ：

15～20V。

可外接测量范围0~20V的电压，具有自动换档的功能。

1.3.2设计要求

（1）设计一个能输出正负9V的直流稳压电源；

（2）要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；

（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）在万能板或面包板上制作一台直流稳压电源；

（5）测量直流稳压电源的稳压系数；

（6）测量直流稳压电源的内阻；

（7）拟定测试方案和设计步骤；

（8）写出设计性报告。

1.4、设计所需设备：

1）、自耦变压器一台

2）、数字万用表

3）、数字电压表

4）、变阻器、面包板或万能板

5）、智能电工实验台

1.5．原理说明

1.5.1直流稳压电源的基本组成及原理

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，

直流稳压电源的基本组成框图如下图1-1所示：

直流集成稳压电源原理

交流电源电压经电源变压器变换成整流电路所需的交流电压植后，通过整流电路变成单向脉冲电压，再由滤波电路滤去其中的交流分量，得到较平滑的直流电压，最后经稳压电路获得稳定的直流电压。

1.5.2电源变压器

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。

1.5.3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。

各滤波电容C满足RC＝（3~5）T/2，式中T为输入交流信号周期，R为整流滤波电路的等效负载电阻。

1.5.4、三端集成固定电压输出稳压器

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。

1.6电路原理分析

220V市电经电源变压器降为约12V的交流电，经滤波电容C1滤除市电干扰后再经桥式整流电路形成一个不稳定的直流电压加至电源滤波电容C2的两端，在C2两端形成一个约18V的较平滑的直流电压加至由T1等组成的电子滤波电路，在T1的发射极得到一个稳定的12V直流电压。

为提高电流的放大倍数，改善电子滤波器的性能，电源调整管采用复合管的形式。

R5，R6，Rp及T3，D5组成取样放大电路。

当某种原因使负载电流增大，导致输出电压减小，T3基极电压随之下降，基极电流减小，使T3对电源复合管基极的分流减小，电源复合管中基极电流增大，集电极电流相应增加，从而使输出电压恢复正常。

反之亦然。

稳压管D5为T3提供取样基准比较电压，R4则为D5提供电压。

R1与C7组成退耦电路，以减小输入纹波电压对T3的影响。

R2与C8组成有源滤波电路，能减小输出电压纹波系数，达到优良的滤波效果。

1.7系统整体设计方案：

稳压器的基本作用是消除或减弱输入电压、负载电源和温度变化对输出电压的影响。

为了完成这个作用，可以采用各种类型的稳压电路。

根据所采用的调整元件的不同，稳压器可分为电子管稳压器，晶体管稳压器。

根据调整元件的方法的不同，可分为并联型和串联型稳压源

1.并联型稳压电源（晶体管）：

当负载电流保持不变时，晶体管并联型稳压电源具有较高的效率。

但是，如果稳压器的负载是可变的，特别是空载状态下，稳压器的全部输入电能都损耗在串联和并联调整元件上，稳压器的效率非常低。

因此，当输出电压需要在较大范围内调整或者输出电压稳定性要求较高时，一般都不采用并联稳压器。

2.并联型稳压器的主要优点是输出短路时，不会损坏并联型调整元件。

并联型稳压器的这种过载自动保护作用是由串联电阻完成的。

当输出端负载短路时，与输出端并联的调整元件的两端压为零，因此不会损坏调整元件。

这时，全部输入电压都加到串联电阻的两端。

因此，串联电阻的额定功率要根据输出短路的状态来计算。

此外，负载变化较小时，并联稳压电源的稳定性比较好，对各种瞬时变化的适用性比较出色。

3.并联型稳压电源（稳压管）稳压管并联型稳压电路比较简单，但是，由于存在不少的缺点，一般用于稳定度要求不高的且负载固定的小电流稳压性，或者作为各种复杂稳压器的基准电压电源。

稳压管并联稳压器主要缺点有：

①效率太低②输出电压一般不能调节③稳压性能不够理想。

4.串联型稳压电源（稳压管）带有差动放大器的串联稳压器且具有双路输出电压和输出电压调整范围较宽的。

它的优点是保护电路：

①限流保护电路②断流保护电路③负载转换保护电路④调整管失控保护电路

第二章系统电路设计

2.1电源变压器

电源变压器的作用是将220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需要的交流电压V2。

变压器副边与原边的功率比为

式中，

为变压器的效率。

一般小型变压器的效率如表所示。

小型号变压器的效率表

（一）

副边功率

＜10

10~30

30~80

80~200

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

2.2.整流滤波电路

滤波电容的确定：

通常认为：

滤波电容越大越好。

这是因为整流特性与时间常数RL*C的值有关，他的数值越大，电容放电越慢，滤波效果越好。

整流二极管D1—D4组成单相桥式电路,将交流电压V2变成脉动的直流电压，再经过滤波电容C滤除纹波电压Vi。

Vi与交流电压V2的有效值V,2的关系为

每只二极管承受的最大反向电压

通过每只二极管的平均电流

式中,R为整流滤波电路的负载电阻。

它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应满足

式中T为50Hz的交流电压的周期，即20ms。

2.3、直流稳压电源设计

调节器整管T1与负载电阻RL组成串联式稳压电路。

T2与稳压管Dz组成采样比较放大电路，当稳压器的输出负载变化时，输出电压V0应该保持不变，稳压过程如下。

设输出负载电阻RL变化，使V0

，则

直流稳压电源的类型有多种，就这个问题我用下面两种方案来进行设计。

方案一用CW78系列和CW79系列的及CW317构成的稳压电路。

集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。

首先我们介绍一下集成稳压器常见的稳压器有固定三端与可调式三端稳压器，我们先介绍固定三端稳压器及其典型应用。

我们通常所用的7800和7900系列的稳压管如下图2.3.1所示：

固定三端式稳压稳压器的典型应用

（a）CW78xx系列典型应用（b）CW79xx系列典型应用

在CW78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。

CW79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。

其中CW78xx系列中输出为正电压，如7815则它的输出电压为+15V而CW79xx系列中输出为负电压，如7915则输出电压为-15V，（它们的输出额定电流以字母为标志，L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A）但不管是输出为正电压的78系列还是输出为为负电压的79系列，它们的输入端所接入的电容Ci的功能是进一步滤除纹波，输出端接入的电容C0能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

Ci和C0最好用漏电流小的电容，如果是电解电容的话，则电容量要比图中的增加10倍。

2.4芯片说明

78127912芯片由于它只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。

它由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路等部分组成。

第三章电路设计调试与制作

3.1电路设计

图3.1.115V直流稳压电源图

3.1.1输入电压的确定

稳压器的输入电压U1即为整流滤波电路的输出电压。

U1太低则稳压器性能将受影响，甚至不能正常工作；U1太高则稳压器的功耗增大，会导致电源效率下降。

所以U1的选择原则是：

在满足稳压器的正常工作的前提下，U1越小越好，但U1最低必须保证输入、输出电压之差大于2~3V。

3.1.2整流管与滤波电容的选择

对于桥式整流电路，整流电路使用整流硅管。

滤波电容C1≥（3~5）T/2，T=1/50=0.02s,R≈V2/Iomax=15/0.5=30π，所以C1≥1667uF,取C1=2200uF。

为了防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高电频，电路中接入C2=220uF，C3=10uF的电容用来实现频率补偿。

C4=0.1uF是用来减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

R1≥12/500mA=24π，可以取R1=470π。

发光二极管用来检测电路是否接通。

负输出端的电路与正输入端对称，所以C5=2200uF,C6=220uF,C7=10uF,C8=0.1uF。

3.1.3集成稳压器的选择

选择固定集成稳压器CW7812，CW7912，其特性参数

Vo=12V,Iomax=500mA,Vi=14~35，副边电压V2≥Vimin/1.1=14/1.1=12.7V,取V2=15V，所以应选择输出12V的变压器。

3.2．PCB图仿真、设计与生成

（1）由整机电路图直接生成网络表。

（2）调用ProtelPCB，并进行元器件合理布局。

（3）调用网络表，并自动布线。

（4）PCB图的人工调整及打印输出。

生成PCB图如下图所示：

图3.2.1固定输出集成直流稳压双电源PCB图

3.3.电路的装调

先装集成稳压电路，在装整流滤波电路，最后安装变压器。

安装一级测试一级。

对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。

其输入端加直流电压Vi≤12V，调节RP1，输出电压VO随之变化，说明稳压电路正常工作，整流滤波电路主要是检测整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正，反向电阻。

接入电源变压器，整流输出电压Vi应为正。

断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，在接通电源，输出电压VO为规定值，说明各级电路均正常工作，可以进行各项性能指标的测试。

其中IO=500mA,RL=18欧。

3.4电路的调试与检测

3.4.1调试前的检测

电子安装完毕，通常不宜急于通电，先要认真检查一下。

检查内容包括：

（1）连线是否正确

a.检测的方法通常有两种方法：

这种方法的特点是，根据电路图连线，按一定顺序一一检查安装好的线路，由此，可比效容易查出错线和少线。

b.按照实际线路来对照原理图电路进行查线

这是一种以元件为中心进行查线的方法。

把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。

为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”档，或用数字万用表的“二极管档”的蜂鸣器来测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

（2）元器件的安装情况

检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管的极性和集成元件的引脚是否连接有误。

（3）电源供电，信号源连接是否正确。

（4）电源端对地是否有短路的现象。

注：

在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。

若电路经过上述检查，并确认无误后，就可以转入调试。

3.4.2通电观察仪器调试方法

按照上述调试电路原则，具体调试如下：

通电观察

把经过准确测量的电源接入电路。

观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异味，手摸器件是否发烫，电源是否有短路现象等。

如果出现异常，应立即断电源，待排除故障后才能再通电。

然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压，以保证元器件正常工作。

1静态调试

当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：

A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。

B、对照原理图，检查各元件是否接正确。

2动态调试

接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正电源输出电压为+11.91V，负电源输出电压为-11.92V。

3.4.3调试中注意事项

1、正确使用测量仪器的接地端

凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应和放入器的接地端接在一起，否则仪器机壳引入干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。

测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流，给测量结果带来很大的误差。

2、正确选择测量点

用同一台测量仪进行测量时，测量点不同，仪器内阻引进的误差大小将不同。

3、测量方法要方便可行

需要测量电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流，因为测电压不必改动被测电路，测量方便。

若需知道某一支路的电流值，可以通过测取该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。

3.5焊接及准备

焊接工具：

镊子、尖嘴钳、万用表、工具箱、电烙铁、焊锡、焊剂、直插式电路板。

焊接前应对母材焊接处进行清洁处理，这是保证焊接质量的重要条件。

常用纱布、锉刀和刀片进行这项工作，以清除焊接处的油漆和氧化层。

清洁处理后的母材要及时涂上焊剂。

电烙铁加焊：

电烙铁的操作使用方便，适用于薄铜和铜导线的焊接。

焊接时要注意控制焊剂的熔化温度。

过高的温度易使焊锡氧化而失去焊接能力，过低造成虚焊，降低焊接质量。

焊接时注意事项

电烙铁在使用中一般用松香作为焊剂，特别是电线焊接、电子元器件的焊接，一等要用松香做焊剂严禁用盐酸等有腐蚀性焊锡膏焊接，以免腐蚀印制电路板或短路电气线路。

电烙铁在焊接金属铁、锌等物质时，可用焊锡膏焊接。

如果在焊接中发现紫铜制的烙铁头氧化不易沾锡时，可将铜头用锉刀锉去氧化层，在酒精内浸泡后再用，切勿浸入酸内浸泡以免腐蚀烙铁头。

焊接电子元器件时，最好选用低温焊丝，头部涂上一层薄锡后再焊接。

焊接场效应管时，应将电烙铁电源线插头拔下，利用余热去焊接，以免损坏晶体管。

3.6重要技术指标测量及误差分析

3.6.1.技术指标测量

1、测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加10%，即Vi=242V,测量此时对应的输出电压Vo1；再调节自藕变压器使输入减少10%，即Vi=198,测量此时对应的输出电压Vo2,然后测量出Vi=220V时对应的输出电压Vo,则稳压系数

Sv=

=

.

Vi

Vo

Iomax

Sv

220V

11.91v-11.92V

25.34mA

3%

输出电压与最大输出电流的测试

测试电路如图3.6.1所示。

自耦变压器电流表

一般情况下，电压表

稳压器正常工作时，其输出

电流

要小于最大输出电流

，图3.6.1稳压电源性能指标的测试电路

~220V被测稳压电路

稳压电路取

，可算出RL=30Ω，

工作时

上消耗的功率为：

P=6W

故

取额定功率为8W，阻值为

30Ω的电位器。

测试时，先使RL=30Ω，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。

然后慢慢调小

，直到Uo的值下降5%，此时流经

的电流就是

，记下

后，要马上调大

的值，以减小稳压器的功耗。

（2）．输出电阻的测量

按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压

，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：

（3）．纹波电压的测试

用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔUop-p

的值（约几mV）。

（4）．纹波因数的测量

用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）

的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。

则纹波因数为：

3.6.2、误差分析

1）、误差计算

+Vcc%=（11.91-12.00）/12.00=0.75%

-Vcc%=︱11.92-12.00︱/12.00=0.67%

2）、误差分析

综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:

a、元件本身存在误差；

b、焊接时，焊接点存在微小电阻；

c、万用表本身的准确度而造成的系统误差。

d、读数误差

心得体会

在老师的细心地指导下，及在同学的帮助下，使我们顺利的完成本次课程设计

1、通过本次实验设计，掌握了直流稳压电源的电子电路的设计与制作，掌握了CW7812芯片的原理与作用，使我学会了如何去检查电路中的错误。

2、在制作电路时，深深体会到连接电路时一定要细仔细，一定要确保每条线路接触性良好。

为保证接出的电路不出现错误，在接线时不能只看着电路原理图去接，应该先把电路图中的每个元件的原理和用途搞清楚，明白每个元件的各个管脚与它哪里相对应，最主要的是搞清楚元件与元件之间的联系，它们在一起有怎样的作用，它们接在一起可以实现那些功能，它们之间有什么相互的影响，好几个元件在一起又能有怎样的功能，弄明白了这些过后，就可以接电路。

在接电路的过程中要仔细并且得有耐心，在检查错误时要更耐心，，当出现错误时，首先检查线接对了没有，如果没有错误就看是不是元件存在问题，遇见错误要一步一步的来，不要这里弄一下那里弄一下，这样是不行的。

其实，现在做电路出现错误是一件好事，因为每出现一个错误都将给你带来一点新的知识，这样不光掌握了一些新的东西更重要的是学会了怎么去检查电路中出现的错误。

3、在实验测试时，应保持冷静，要有条理，遇问题时要联系书本知识积极思考，同时记录好实验数据，这样才能在实验后进行数据分析和总结。

通过这次课程设计，加强了我们接线路的能力和检查线路错误的能力，同时大大加强了我们的动手能力。

在以后的课程设计中，我们一定会努力做得更好。

参考资料

1、谢自美主编。

电子线路设计、实验、测试。

第二版。

武汉：

华中科技大学出版社，2000

2、华中理工大学电子学教研室编，康华光主编。

电子技术基础，模拟部分。

第四版。

北京：

高等教育出版社，1998

3、湖南工学院电子电工实验室，李祖林、雷军、王韧编。

EDA与单片机技术实验指导书。

2005

附录A元件清单

电容：

2200uF2个

220uF2个

10uF2个

0.1uF2个

集成稳压器：

CW78121只

CW79121只

整流二极管：

IN4007型1只

电源变压器：

IN:

220V50HZ

OUT:

12V1个

谢辞

经过两周的课程设计，在xx老师的指导下本人顺利完成了所布置的课程设计，通过这次设计使本人受益匪浅。

本设计中包括了电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分的模拟电路、电子技术、EDA技术等多领域知识这次设计是对大学两年来的学习知识系统化、深层次化，得以灵活的应用。

通过这次设计学会了分析问题、处理问题的方法，可以说达到了举一反三的目的。

为以后工作、学习都打下了比较坚实的基础。

在此次设计过程中，xx老师在百忙之中给予了我们精心的辅导和指点，帮助我解决许多难点，疑点，使我对理论知识与实践知识达到有机了结合。

在此我要向王老师表示最衷心的感谢！

另外，本设计也得到了其它老师、同学的支持和帮助，谨在此一并感谢！