正负可调直流稳压电源设计
姓名：张平
学号：141900143
专业：电子信息工程
指导老师：李继强
学院：电气信息学院
日期：2015年01月01日
摘要
在电子电路设计中，最离不开的就是电源。不管是调试测试电路，还是驱动电路，这些都离不开电源的应用。在本设计中采用5W，220V—12V的变压器来将220V电压降压。用三端可调节正电压稳压器LM317和三端可调节负电压稳压器LM337形成正负电压生成电路。正负可调直流稳压电源由电源变压器、整流电路、前级滤波电路、稳压电路和后级滤波电路共五部分组成。设计的可调电源具有电压正负可调、电路简单、成本低廉的优点。在电路中由于需要交流变直流，所以采用各种电容，运用电容充放电的原理来调整交流电到直流电。
关键词：可调电源电容滤波稳压
Abstracted
Adjustable DC regulated power supply is a DC power supply is often used in the real experiment, its main principle is divided into four parts, transformer, rectifier, filter, adjustable output. The four part is the title of one step one step, are indispensable. After the regulation and role of the four sector, will put the 220V AC sinusoidal into positive and negative adjustable DC power supply voltage regulator. To act with voltage of the chip LM317 and LM337. The two chip can lead in the middle bridge rectifier, voltage can be adjusted to achieve positive and negative.
Key word:adjustable power source;Capacitance smoothing ;
voltage stabilization ;
目录
摘要.............................................................................................................................. I Abstracted ..................................................................................................................... II 目录............................................................................................................................ I II 第一章方案论证和比较. (1)
1.1 设计任务 (1)
1.2 设计方案与选择 (1)
1.2.1 设计方案比较 (1)
1.2.2 方案选择确定 (1)
1.3 设计流程图 (2)
1.4 方框图 (2)
第二章设计原理与分析 (3)
2.1 变压器的原理与分类 (3)
2.1.1 变压器工作原理 (3)
2.1.2 变压器分类 (3)
2.2 桥式整流 (4)
2.3.1 整流二极管 (4)
2.3.1 整流桥 (5)
3.3 滤波电路 (7)
2.3.1 滤波电路的概念 (7)
2.3.1 滤波电路的性能 (9)
2.4 稳压及调节电路 (9)
2.4.1 主流器件 (9)
2.4.2 稳压与输出可调原理 (12)
第三章电路设计 (13)
3.1 变压与整流电路 (13)
3.1.1 变压器的选择 (13)
3.1.2 整流电路设计与二极管选择 (13)
3.2 前级滤波电路设计 (14)
3.3 稳压电路设计 (15)
3.4 后级滤波电路设计 (17)
3.5整体电路 (17)
第四章调试方案与测试结果 (19)
4.1 变压器降压检测 (19)
4.2 整流桥整流检测 (20)
4.3 滤波电路检测 (21)
4.4 稳压可调电路检测 (22)
4.4.1 稳压波形检测 (22)
4.4.2 电压调节检测 (23)
总结 (25)
附录一 (26)
第一章方案论证和比较
1.1 设计任务
设计并制作一个正负可调直流稳压电源，实现电压从正1.25V—正16.97V 可调和电压从负1.25V—负16.97V 可调；最大电流不超过0.5A。要求误差不大于百分之三十，且电路具有保护集成稳压芯片的功能。
1.2 设计方案与选择
1.2.1 设计方案比较
整流电路是将变压器变换后的交流电压变为单向的脉动交流电压。此处两种设计方案：方案一是采用单相全波整流电路。方案二是采用桥式全波整流电路。在负载得到相同的直流电压的情况下，桥式整流电路的整流二极管所承受的反向电压只有全波整流电路的一半，同时桥式整流电路提高了变压器的效率。
滤波电路是整流出的脉动交流进行平滑处理，使之成为一个含纹波成分很小的直流电压。在此有两种方案选择：方案一是电感滤波。方案二是电容滤波。电感线圈体积大、成本高，电容滤波在小电流时滤波效果较好。
稳压电路是将滤波输出的直流电压进行调节，以保持输出电压的基本稳定。在此有两种方案选择：方案一是晶体管稳压电路。方案二是利用集成稳压器组成稳压电路。集成稳压器体积小、可靠性高、使用简单安全。
调节输出电压大小有两种选择方案：方案一是直接用两个滑动变阻器组成分压式电路。方案二是采用滑动变阻器和集成运放联合调控。方案二调节方便，同时保证正负两输出端的电压平衡。
1.2.2 方案选择确定
综合上面各模块方案的比较，本次设计采用桥式全波整流、电容滤波、采用集成运放稳压、滑动变阻器与芯片联合调节输出的方案。可使系统调节方便、性
能优良。
1.3 设计流程图
1.4 方框图
220V 交流电
整流正负电压
变压器
正电压滤波
负电压滤波 LM317正相可调稳压电路调压
LM337负相可调稳压电路调压
正相滤波
正相滤波
输出电压
输出电压
第二章设计原理与分析
2.1 变压器的原理与分类
2.1.1 变压器工作原理
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。
图2-1 变压器原理图图2-2 小型变压器实物图变压器原理图如图2-1所示，与电源相联的绕组称为一次绕组（原绕组、初级绕组），匝数为 N
1
。与负载相联的绕组称为二次绕组（副绕组、次级绕组），
匝数为 N
2。空载时绕组电压有效值之比等于相应的匝数之比:K
N
N
U
U
o
ab=
=
2
1。
K>于1是降压变压器，K<1是升压变压器。小型变压器实物如图2-2。
2.1.2 变压器分类
1、按相数分为单相变压器、三相变压器。
2、按用途分为电力变压器、仪用变压器、电炉变压器、试验变压器、整流变压器、调压变压器、矿用变压器（防爆变压器）、其他变压器。
3、变压器按容量分类，如表2-1。
表2-1 变压器按容量分类
按照容量分类电压（kV）容量（kVA）
中小型
小型
≤35
5～500
中型630～6300大型≤1108000～63000特大型≥ 220≥3150
4、变压器常见型号
表2-2常见变压器的型号
2.2 桥式整流
2.3.1 整流二极管
一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子，在P区和N 区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很
小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。实物图如下：
整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。
2.3.1 整流桥
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而且在一定程度上克服了全波整流电路的缺点。桥式整流电路的工作原理如图2-3（a）、（b）所示。具体过程为：E2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成E2 、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压;E2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成E2 、D2 Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。
（a）E2正半周整流桥工作（b） E2负半周整流桥工作
图2-3桥式整流电路的工作原理
经过桥式整流，所得正负半周期的波形如图2-4所示。
图2-4 桥式全波整流波形
设计指示灯电路的目的是检验电路是否有输出，如图2-5。经过整流之后输出电压为12V左右，用普通的低功耗LED作指示灯，通常LED灯工作电流为15~30mA左右，额定电压为3V，所以输出电压不能直接加载到指示灯上，要加个1K左右的限流电阻，这样输出电流为12mA左右，指示灯能够正常工作，且亮度适中。
图2-5 指示灯电路
3.3 滤波电路
2.3.1 滤波电路的概念
电容常见各种功能
1、旁路：旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
2、去耦：又称解耦。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。
去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相
互间的耦合干扰，在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。
3、滤波：从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1μF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成
份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越不容易通过。具体用在滤波中，大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。
4、储能：储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000μF 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。
常用的电容有电解电容和瓷片电容。其外形如图2-6：
图2-6 电解电容和瓷片电容
整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于0．01．故整流输出的电压必须采取一定的措施．尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。
2.3.1 滤波电路的性能
直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量。半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O.67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S=1／(4(RLC／T-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。) RC-π型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图2-7虚线框即为加的一级RC滤波电路。若用S'表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R')S'。在ω值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。滤波电路滤波波形图如图2-8所示。
图2-7 RC-π型滤波电路
图2-8 滤波电路滤波波形图
2.4 稳压及调节电路
2.4.1 主流器件
三端稳压集成电路也称三端稳压管，它的样子就像是普通的三极管，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、输出端和接地端。
LM317/LM337是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317是三端可调正稳压器，输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。管脚分布如图2-9 所示，内部结构如图2-1所示。LM337是三端可调负稳压器，输出电压范围是-1.2V至-37V，负载电流最大为1.5A。使用简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。管脚分布如图2-11所示，内部电路如图2-12所示。此外芯片的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM317/LM337 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM117/LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
图2-9 LM317管脚图
图2-10 LM317内部结构
LM317参数值如表2-2。亩的
笔记，如要转载请注明。表2-2 LM317参数
符号参数值单位
VI-O 输入－输出电压差40 V
IO 输出电流内部限制
Top 工作结温LM117 -55到150 ℃
LM217 -25到150
LM317 0到125
Ptot 功耗内部限制
Tstg 储存温度-65到150 ℃
图2-11 LM337管脚图
图2-12 LM337内部结构
LM337参数值如表2-3。
表2-3 LM337参数
参数值
输出电压(V) -1.2~-37
输出电流最大值(mA) 1500
输入偏置电流(mA)典型值 3.500
输入电压最大值(V): -40
保护过流热关断Yes
封装/温度(℃) TO-220/-40~125 2.4.2 稳压与输出可调原理
1、LM317典型接法如图2-13所示。
图2-13 LM317典型接法
2、LM337典型接法如图2-114所示。
图2-14 LM337电路连接图
第三章电路设计
3.1 变压与整流电路
3.1.1 变压器的选择
设计要求是能稳定输出3V至12V电压，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，为饱和管压降，而12V为输出最大电压，3V为最小的输入电压，以饱和管压为3V计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于15V，可以选择220V-12V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该小于0.5A×12V=6w，结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-12V，额定功率5W的变压器。
图3-1 变压器内部与外部图
3.1.2 整流电路设计与二极管选择
开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。
由于输出电流最大只要求0.5A，电流比较低，所以整流电路的设计可以选
择常见的单相桥式整流电路，由4个串并联的二极管组成。对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为17V，二极管导通电压0.7V,则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是34V，考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到实际的应该大于22.1V，最大反向电压应该大于44.2V。在输出电流最大为0.5A的情况下我们可以选择额定电流为1.5A，反向耐压为50V的二极管IN4007。常用型号1N4001—1N4007极限参数如表3-1所示。电特性如表3-2所示。
表3-1 常用二极管极限参数表
表3-2 1N4007电特性表
3.2 前级滤波电路设计
电路连接如图3-2。
图3-2 前级滤波电路
当滤波电容偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而电容偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为17V ，当输出电流为0.5A 时，我们可以求得电路的负载为I
U
R ==34Ω时，我们可以根据滤波电容的计算公式：R
C τ
=
来求滤波电容的取值范围，其中在电
路频率为50HZ 的情况下， T 为20ms 则电容的取值范围大于600uF ，保险起见我们可以取标准值为1000uF 额定电压为35V 的铝点解电容。另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个0.1uF 的陶瓷电容来作为高频滤波电容。
3.3 稳压电路设计
电路连接如图3-3.