多功能直流稳压电源设计

目录

1.设计的目的与要求……………………………………………………2 2.设计的原理及各部分电路的选择……………………………………3 3.设计的原理图及其参数选择…………………………………………15 4.稳压电源的性能指标及其测试方法…………………………………16 5.参考资料………………………………………………………………19 1

一、目的与要求

1．实验目的

通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会： (1)进一步加深理解整流电路的工作原理及滤波电路的作用。

(2)掌握直流稳压电路的设计方法，合理选择整流二极管、滤波电容及集成稳压器。

(3)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。 2．设计任务

设计一波形直流稳压电源，具体要求如下： (1)同时输出电压为3、5、10V。 (2)输出电流为2A。 (3) 输出纹波电压小于5mV 。 (4) 稳压系数小于0.005. (5) 输出内阻小于0.1欧。

(6)具有过流保护电路，输出电流大于2A时，保护启动。 3．设计要求

(1)合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图。

(2)选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）。 (3)按时提交课程设计报告，完成相应答辩。

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二、实验原理

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，即变压器，整流滤波电路和稳压电路。如下图所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

u1变压器u2整 电u3流 路滤 电u4波 路稳 电压 路Uo稳压电源电路的基本方框图

1、各部分电路的作用

（1）交流电压变换部分。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。

（2）整流部分。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份，即纹波，因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。 （3）滤波部分。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑化，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。

（4）稳压部分。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动，负载波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

2、各电路的选择

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1.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。

理想变压器满足U2/U1=N2/N1，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

整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。

（1）半波整流

半波整流电路如下图所示。为分析方便起见，可设二极管为理想的。

DTrRL

半波整流电路

该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U2msint=2U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。当U2变化的正半周期时，二极管D受正向电压偏置而导通，UL=U2；当U2变化的负半周期时，二极管D处于反向偏置状态而截止，UL=0。U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为 UL0=U2m/=2U2 ≈0.45 U2 （1）

π显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分，这些谐波

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的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

ULγUL0 （2）

式中，UL为谐波电压总有效值，其值应为

22ULγUL1UL2122 （ （3） U2UL02由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，≈1.21。由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。

U2oωtULoωt 半波整流电路的波形

半波整流电路中的二极管安全工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即

IF＞UL0/RL=0.45U2/RL

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM =2U2

2．全波桥式整流

全波桥式整流电路如图(a)所示，图中4个二极管接成电桥的形式，图(b)所示为该电路的简化画法。

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+U1Tr+U2D4D1D3D2+RLULU1TrU2 +RLUO----

图（a） 全波桥式整流电路 图(b) 全波桥式整流电路简化画法

该电路工作原理：参见图(a)，设变压器次级电压

U2=U2msint=2U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值。在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。U2和UL的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为

U2oωtULoωt 全波整流电路的波形

UL0=2U2m/=22U2≈0.9U2 （4）

π其纹波系数为

ULγUL0 （5）

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式中，UL为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为

2222 （6） ULγUL2UL4U2UL0由式（4）、（5）和（6）通过计算可得≈0.48。由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

全波整流电路中的二极管安全工作条件为：

a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有 IF＞ID0=0.5UL0/RL=0.45U2/RL

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM =2U2

（3）二倍压整流

倍压整流电路是利用二极管的单向导电性引导电源分别对每一个电容充电，然后将电容上的电压顺极性串联相加来获得高电压的。下面以二倍压整流电路来说明其工作原理。

在变压器副边电压的正半周，D1导通，D2截止，电流通过路为a-C1-D1-b，C1被充电至u2的峰值 2 U 2 。在变压器副边电压的负半周时，D2导通，D1截止，电流通过路是b-C2-D2-C1-a，u2与C1上的电压串联起

U来对C2充电，C2上得到最大电压为2 2 2。

正半周负半周

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电路选择：a)由于半波整流电路的平均输出电压为桥式全波

整流的一半，效率较低，且输出电压波动较大。

b)桥式全波整流电路的输出电压脉动程度比半波整流电路小得多，输出电压和电流的平均值也比半波整流电路提高了一倍，且对二极管的要求和半波整流时一样。虽然二极管数目的增多加大了整流电路内阻的损耗，但由于次内阻很小，消耗也不大。

c) 二倍压电路可以从低电压的交流电源获得很高的直流输出电压，而对变压器次级绕组绝缘层、电容和二极管的耐压要求都不高。但在接上负载后，电容将对负载放电，输出电压将会降低。若负载电阻小，则电容放电快，输出电压下降较多，电容放电产生的电压脉动也较大。所以倍压整流电路只适用于高电压、小电流的场合。此设计输出的不是高电压。

综上所述选择桥式全波整流电路较合理。

3．滤波电路

尽管全波整流的纹波系数较之半波整流有很大改善，但还不能直接给负载供电，需采用滤波电路进一步减小纹波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。滤波电路种类很多，下面介绍几种常用的滤波电路。

（1）电容滤波

电容滤波电路如下图所示，由于工频交流电频率较低（50HZ），图中电

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容C一般取值较大。

+U1Tr+U2+CRLUL---

电容滤波电路

该电路工作原理：设U2=U2msint=2U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数d=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。与此同时，U2仍按2U2sint的规律上升，一旦当U2＞UC 时，D1、D3导通，U2→D3→C→D1对C充电。然后，U2又按2U2sint的规律下降，当U2＜UC 时，二极管均截止，故C又经RL放电。同理，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。

由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：

a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取

RLC≥(3～5)T/2 （7） 式中，T为交流电源电压的周期。

b）RL越小输出电压越小。

若C值一定，当RL∞，即空载时有

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UL0=2U2≈1.4 U2

当C=0，即无电容时有 UL0≈0.9 U2

当整流电路的内阻不太大和电阻RL电容C取值满足式（7）时，有 UL0≈(1.1～1.2)U2 （8） 电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合

（2）电感滤波

电感滤波电路如下图所示，由于工频交流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几亨利以上。

+U1Tr+U2L+RLUL---

电感滤波电路

电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。

电路选择：电感滤波，在电感线圈不变时，负载越小，

输出电压的交流分量越小，脉动越小，但仅在负载远远小于L时才能获得较好的滤波效果，若忽略电感阻抗，则输出电压为0.9 U2 电容滤波，电路简单，输出电压较高，约为1.2 U2

。

，，

脉动较小。

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此电路的负载较大，为100，工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，因此一般少用。在输出电压的脉动、交流分量相近的情况下，此实验选择电容滤波较合理。

4．稳压

滤波后的输出电压即使纹波很小，也仍然存在稳定性的问题。这是因为当负载RL变化或电网电压波动时，输出电压的整体也要随之改变，因此，绝大多数直流电源都必须采用稳压电路进行稳压。

（1）简单稳压管稳压电路如下图所示。电路中，R为限流电阻，v 为稳压二极管。

～ u1 IRu2Ui＋CVRIZILUZRLUo

稳压管稳压是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。

下面讨论R的取值范围。为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最

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大电流为Izmax，即要求Izmin＜Iz＜Izmax。当UI最大和RL开路时，流过稳压二极管的电流最大，此时应有RUImaxUzIzmax；当UI最小（不小于Uz）和RL

最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有

RUIminUz。即

IzminUz/RLminUImaxUzIzmaxRUIminUz （9）

IzminUz/RLmin一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。

(2)串联型稳压电路

左图是一个简单的串联型稳

压电路，该三极管叫做调整管。电阻R和稳压管Dz组成简单的稳压管稳压电路，接到调整管的基极，使基极电压Ub=Uz保持恒定，此电压称为基准电压。

其电压稳定过程如下：当电网电压波动或负载电流变化引起输出电压Uo升高时，由于调整管基极电位Ub是恒定的，将引起调整管基-射极之间的电压Ube下降。由三极管特性曲线可知，其基极电流Ib减小，集-射极电压Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使输出电压降到原值。 （3）三端集成稳压器

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将串联型稳压电路中的各元件集成在一块芯片上就形成了集成稳压器。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W317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2，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）。

此外三端集成稳器还有78系列和79系列。如下图是78系列的外形和接线图。78系列又分三个子系列，即78xx,78Mxx,78Lxx.其主要差别在于输出电流和外形，78 xx输出电流为1.5A ,78 Mxx输出电流为0.5A,而78Lxx的输出电流为0.1A.

1 3 W78 ×× 2 u1 · UO

1——输入端 2——接地端 3——输出端

电路选择：并联稳压电路的结构简单，但输出电压不可调，

稳定精度不高；串联型稳压电路用输出电压直接去控制调整

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管的基极电流，控制作用不明显，稳压效果较差；而且两者的调整管的功耗很大，电路效率低；集成稳压器体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉。由于78系列的输出电压恒定，相比之下，W317系列的输出电压具有连续可调的优点，此电路须3、5、10V电压，可选用78系列作为稳压电路。

5.扩流电路及保护电路

由于W78XX的最大输出电流仅为1.5A，故要采用扩流电路，将其扩至2A。 加多留保护的串联扩流电路：

R为电阻，U来自比较放大电路。当正常工作是，V2截止，调整管V1导通，电流直接从V1的射集经电阻R流出，当电流过大时，R两端的电压使V2导通，并从V1的基集分流，了调整管的射集电流，R取值不同，调整管射集的电流限定值不同，大约为Ube2/R.

3、设计的电路

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（1）集成稳压器输入电压Ui的确定。 为保证稳压器在电网量低时仍处稳压状态，要求Ui>Uomax+(Ui-Uo)min, 其中(Ui-Uo)min是稳压器最小输入输出差，典型值为3V，当电网电压有±10％的波动时，电源应稳压，所以Uimin=[Uomax+(Ui-Uo)min]/0.9=(10+3)/0.9=14.44V,取15V。

另外，为保证稳压器安全工作，要求Ui（2）电源变压器副边电压、电流及功率的确定。 一般地，U2>Uimin/1.1=13.6V, I2=(1.1~3)Iomax,取I2=1.1Iomax=2.2A.

（3）整流滤波元件参数选择。 二极管反向电压峰值

URM>1.1*1.41*13.6=21.1V，ID>1.1*2.2=2.42A；滤波电容C1=（3~5）T/2RL。

（4）稳压器功耗估算。 为保证稳压输出器在额定输出条件下安全、可靠地工作，必须装散热器。当交流输入增加10%时，稳压器输入直流电压最大，此时稳压器的最大耗散功率为Pmax=(Uimax-Uomin)Iomax=59.45W，所以散热器的功率应大于59.45W.

（5）其他措施。 滤波电容C1=（3~5）T*/2RL=（20000~33333）μF，取30000μF。离集成稳压器较远，在稳压器输入端加一个C2=0.33μF的旁路电容，输出端接C3=0.1μF的电容，用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入高频干扰。C4为铝电解电容，取1μF，用来减小稳压电源输出端由输入电源引入的干扰。D2为保护二极管，当即撑起输入端发生短路，D2为C4提供一个放电同路，防止C4两端的电压作用于集成稳压器内部的调整管，造成调整管发射结击穿而损坏。集成稳压器输出

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电流为1.5A，所以调整管输出电流为0.5A,R1=Ube1/0.5=1.4欧。

电路工作原理：当电路正常工作时，Q1截止，Q2导通，

Q2集电极的电流和集成器的输出电流合并后输出2A的电流，触电1分别和触电2、3、4相连可得输出电压，即R5,R6,R7两端的电压，为3V,5V,10V；当总电流大于2A，即Q2集电极电流大于0.5A时，R1两端的压降使VI导通，此时Q2被关断，输出电流小于2A，了输出，达到保护电路的作用。

以输出电压为3V为例，滤波和输出波形如下图：

电路粗调：测试电路输出纹波电压，发现其远大于5mV，可能是C2、C4的值过小使得输入端的高频分量对输出产生影响，故依次加大C2、C4、C2和C4，但对输出的纹波电压几乎都没有影响，于是考虑，可能是滤波效果不好导致，故增大C1，发现纹波下降明显，当C1加至6.9mF时，纹波开始小于5mV，改变R2，对输出纹波几乎没有影响。当Q2导通时，由于R1的分压，R2端电压大于0.7V且R1端电压小于0.7V，所以R2必定大于R1，故R2可取100欧。此时输出电压和电流如下图

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输出电压为2.936V，近似为3V，输出电流为1.957A，近似为2A。

4.稳压电源的性能指标及测试方法

a)稳压电源的技术指标

稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳压系数、输出电阻、纹波电压等。 b)测试方法

注：XMM1为电压表，示数为Io，XMM2为电压表，示数为Uo,黑框内为被测稳压电路。

（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。

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（2）输出电阻：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。

（3）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。

a.测出纹波电压(峰峰值)如图所示：

按上述粗调调整方法调整后，显然纹波电压小于5mV.

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b.输入电压不变时，输出电压及输出电流如下图：

通过计算可得Ro=（2.936-2.928）/（1.957-1.875）=0.098<0.1

c.输入电压变化引起输出电压变化

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经计算，Sr=0.38》0.005,须调整。

在输出基本不变的情况下，要减小Sr，可增大ΔUi,为此可以加大减小时间常数τ，这里采取减小C1的方法。

到此，设计结束。

参考资料：(1)李立主编，电工学实验指导.北京：高等教育出版社，2005. (2)高吉祥主编，电子技术基础试验与课程设计.北京：电子工业出版社，2004.

(3)谢云等主编，现代电子技术实践课程指导.北京：机械工

业出版社，2003.

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