直流稳压电源电路的设计实验报告

出波形如图 2-3 所示

直流稳压电源电路的设计实验报告

一、实验目的

1、了解直流稳压电源的工作原理。

2、设计直流稳压电路，要求输入电压： 220V 市电， 50Hz，用单变压器设 计并制作能够输出一组固定 +15V 输出直流电压和一组 +1.2V~+12V 连续可调的 直流稳压电源电路，两组输出电流分别 IO≥ 500mA。

3、了解掌握 Proteus 软件的基本操作与应用。

二、实验线路及原理

1、实验原理

（1）直流稳压电源 直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置， 它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤 波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

图 2-1 直流稳压电源的原理框图和波形变换

其中：

1）电源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要 的交流电压， 并送给整流电路， 变压器的变比由变压器的副边电压确定， 变压器 副边与原边的功率比为 P2/P1=n，式中 n 是变压器的效率。

2）整流电路：利用单向导电元件，把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直 流电。

3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从 而得到比较平滑的直流电压。 滤波电路滤除较大的波纹成分， 输出波纹较小的直 流电压 U1。

4）稳压电路：其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电 流有较大变化这一特点， 通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定 输出电压的目的。 稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定， 不随交流电网电压 和负载的变化而变化。

2）整流电路

常采用二极管单相全波整流电路，电路如图 2-2 所示。在 u2 的正半周内，

二极管 D1、D2 导通， D3、D4截止； u2的负半周内， D3、D4 导通， D1、D2 截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻 RL，且方向是一致的。电路的输

整流二极管采用 1N4007，具有正向导通电压降低，导通电流高，泄露电流 低，过载电流高，成本低等优点，其基本参数如下图所示，有黑色线圈一端表示 负极。

图 2-4 1N4007 基本参数

（3）滤波电路

经过整流后的直流电幅值变化很大， 会影响电路的工作性能。 可利用电容的 “通交流，隔直流 ”的特性，在电路中并入两个并联电容作为电容滤波器，滤去其 中的交流成分。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并联， 以达到使输出波形基 本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压： Uo1=（1.1～1.2）U2。直流 输出电流： Io1=I2/（1.5~2）（U2 变压器副边电压的有效值， I2 是变压器副边电流 的有效值。）

（4）稳压电路

集成串联型稳压电路有三个引脚， 分别为输入端， 输出端和公共端， 因而称 为三端稳压器。 按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路； 前者的输出电 压不能进行调节，

为固定值； 后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范 围，便于实时控制。

本设计实现输出固定 +15V 输出直流电压时采用集成三端稳压 7815。X78XX 系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为 T0-220。它有一系列的固定电压 输出，应用广泛。每种类型由于内部电流的限制以及过热保护和安全工作区的保 护，使它基本不会损坏。 7815可输出+15V 电压。其参数及引脚如下所示。

图 2-5 7815 参数

图 2-6 7815 引脚图

7815标准应用如下图所示：

图 2-7 7815 标准应用

本设计实现输出 +1.2V~+12V 可调电压时采用可调式三端稳压器 LM317 。 LM317

可调式三端稳压器在输出电压范围 1.2 伏到 37伏时能够提供超过 1.5 安 的电流，有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端 （简称调整端 ）。调整端是基准电压电路的公共端， 其典型值为 1.25V。LM317 可调式三端稳压依靠 外接电阻来调节输出电压的， 为保证输出电压的精度和稳定性， 要选择精度高的 电阻，同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。 LM317 引脚图如下图所示。

图 2-8 LM317 引脚图

LM317 标准应用如下图所示。电路中的 R1、R2 组成可调输出的电阻网络。 为了能使电路中的偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定 R1 为 120~240

欧姆。通过 R1 泻放的电流为 5~10mA。

图 2-9 LM317 标准应用

（5）单相变压器 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线 圈、次级线圈和铁心（磁芯） 。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹 配阻抗，安全隔离。

2．实验线路

下图为+15V固定稳压电源的线路图。 采用三端式稳压器 7815构成单电源电 压输出串联型稳压电源， 220V 的市电经变压器变压后变成电压值较小的交流， 再经桥式整流电路和滤波电路形成直流。 滤波电容 C1 一般选取几百～几千微法。 当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器 C2（数值为 0.33 μF），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容 C3（0.1 μ F） 用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。

图 2-10 +15V 稳压电源线路图

下图为+1.2~+12V 可调稳压电源的线路图。输入电容器 C1用于抑制纹波电 压，输出电容器 C2用于消震，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定，调节滑动 变阻器的阻值即可得到相应的电压。

图 2-11 +1.2 ~+12V 可调稳压电源线路图

三、实验内容及步骤

1、根据搭接的仿真原理图领取相应的电阻电容等元器件，根据原理图以及 芯片引脚图布置电路结构，同时注意走线平整、美观。

2、开始焊接电路，按照布局好的电路焊接。焊接时需要注意（ 1）电解电容 的极性不能接反，否则要爆炸。 （2）凡电路板上要流过较大电流的连线，都要换 上线径稍粗的导线。

由于实验室提供变压器 （二次侧 2*15V）和假负载 （0～50Ω/2A 的可调电阻

RW和防止调节不慎而限流保护的电阻 R），接线图如下所示

在电路板上分别焊接大电流三针接线座子， 1′、2′、3′和 4、5、6。在 1′ -2′间焊接整流桥， 3′悬空，以便与变压器二次侧的一组 15V 引出线相连。

3、焊接完成后，使用万用表测试焊点是否牢固，防止虚焊。将万用表调至

蜂鸣档，用两个探针接触整流桥正端引脚与 1000uF 电容正端，发出蜂鸣声说明 焊点牢固，其余焊点之间也同样测试。测试完成后连接电路，验证效果，连接好 的电路如下图所示。 图 3-1 接线图 图 3-2 焊接好的电路

4、焊接完毕后开始测试并记录实验数据。

（1）首先测试输出电路能否实现相应功能。 将变压器接到大电流三针接线座子 1′、2′、3′上，测 +15V 输出（4）与 参考地（ 5）的电压是否为一固定输出 15V 。测可调电压（ 6）与参考地（ 5）的 电压能否按要求可调？

（2）测试输出电流是否 ≥500mA。 将变压器接到大电流三针接线座子 1′、2′、3′上，将 +15V 输出（4）与 一可变电阻相连，并串联一电流表，电流表负端接参考地（ 5），测量电流能否输 出 0～ 0.5A。

同样方法测试 +1.2V~+12V 连续可调的直流稳压电源电路。

四、仿真

运用 protues软件对其进行系统仿真，仿真原理图如下图所示： 图 4-1 直流稳压电源仿真图

1、固定+15V 输出直流稳压电源 仿真图中上部分为固定 +15V 输出直流稳压电源。 输入为 220V，50Hz 市电， 经变压器降压为 AC24V ，如下图所示。

图 4-2 220V 市电降压为 24V 变压器参数设置如下图所示。

图 4-3 变压器参数设置

降压后 24V 电压经过桥式整流后变为直流电压，如下图所示 ：

图 4-4 桥式整流

最后经过滤波电容 C1、C2、C3和稳压器 7815输出 15V 的直流电压，如下 图所示：

图 4-5 输出 15V 直流电压 使用示波器观测整体波形， A 观测

220V 市电（黄色），B 观测降压后的波 形（蓝色）， C 观测整流后的波形（红色） ，D 观测输出的直流电压（绿色） ，如 下图所示。

图 4-6 整体波形观测

2、+1.2V~+12V 连续可调的直流稳压电源 仿真图中下半部分为 +1.2V~+12V 连续可调的直流稳压电源。采用 LM317 可调稳压器， D5、D6 起保护稳压器的作用。

当可调电阻短路时，输出电压为 1.26V，如下图所示：

图 4-7 可调电阻短路时，输出直流电压

当可调电阻的 86%接入电路时，输出电压为 12.1V，如下图所示：

图 4-8 可调电阻的 86% 接入电路时，输出直流电压

五、实验设备

实验时所用的仪器设备如下表所示。

表 5-1 实验设备 序号 设备 数量

1 变压器（二次侧 2*15V ） 1

2 假负载（ 0～ 50Ω/2A 的可调电阻 RW 和防止调 节不慎而限流保护的电阻 R） 1

3 数字万用表 2

4 镊子 1

5 剪刀 1

6 导线 若干

7 洞洞板 1

8 电烙铁 1

9 焊锡丝 若干

10 一字起

1

六、元器件清单

表 6-1 元器件清单

序号 元器件 数量

1 三端稳压器 7815 1

2 三端稳压器 LM317 1

3 整流桥 1

4 1000uF 电容 1

5 0.33uF 电容 3

6 10uF 电容 1

7 散热片 2

8 2k 可调电阻 1

9 120 欧电阻 1

10 大电流三针接线座子 2

七、实验数据及分析

1、仿真数据记录分析

（1）+15V 固定直流稳压电源电路可实现输出 +15V 固定电压的功能

（2）+1.2V~+12V 连续可调的直流稳压电源电路数据记录

表 7-1 仿真数据记录

序号 滑动变阻器阻值（ k） 理论计算值（ V） 仿真数据 （V）

1 0 1.25 1.26

2 0.3 5 5.03

3 0.5 7.5 7.55

4 0.7 10 10.1

5 0.86 12 12.1

分析仿真数据与理论数据误差极小，可以验证仿真结果的正确性。

2、实验数据记录及分析

（1）+15V 固定直流稳压电源电路

空载时输出电压为 15.190V。