直流稳压电源电路设计

模拟电子技术课程设计报告 题目名称：直流稳压电源电路设计 姓名： 学号： 班级： 指导教师： 成绩：

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1课程设计任务和要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 2方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 3单元电路设计及参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 4总原理图及元器件清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 5安装及调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 6性能测试及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 7结论及心得⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 14 8参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 14

课程设计题目： 直流稳压电源电路设计 一、 课程设计任务和要求: 1） 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计固定的正负直流电源（±12V）。

2） 输出可调直流电压，范围：1.5∽15V； 3） 输出电流:IOm≥1500mA；（要有电流扩展功能） 4） 稳压系数Sr≤0.05；具有过流保护功能。 二、方案设计： 2 / 21

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图1所示，其整流及稳压过程的电压输出波形如图2所示。

图1稳压电源的组成框图 图二整流及稳压过程波形图 电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

方案一、单相半波整流电路 半波单相整流电路简单，电路及其电压输出波形分别如图3、图4所示，使用元件少，它只对交流电 3 / 21

的一半波形整流，其输出波形只利用了交流电的一半波形则整流效率不高，且输出波形脉动大，其值为：S= 𝑈2√2⁄√2 𝑈2𝜋⁄= 𝜋2≈1.57，直流成分小，𝑈0=√2𝑈2𝜋≈0.45𝑈2，变压器利用率低。

图3 单相半波整流电路 图 4 单相半波整流电路电压输出波形图

方案二、单相全波整流电路 使用的整流器件是半波电路的两倍，整流电压脉动较小，是半波的一半，无滤波电路时的输出电压𝑈0=0.9𝑈2，变压器的利用率比半波电路的高，整流器件所承受的反向电压要求较高。

方案三、单相桥式整流电路 4 / 21

单相桥式整流电路使用的整流器件较多，但其实现了全波整流电路，它将𝑈2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍，且如果负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍，且其及半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。所以综合三种方案的优缺点决定用方案三。

三、单元电路设计及参数计算 整流电路采用单相桥式整流电路，电路如图5所示，

图 5 单相桥式整流电路 当𝑈2>0时，电流由+流出，经𝐷1、R𝐿、𝐷2流入-，即D1、D2导通，D3、𝐷4截止；当𝑈2<0时，电流由-流出，经D3、R𝐿、𝐷4流入+，即D3、𝐷4导通，𝐷1、𝐷2截止。电路的输出波形如图6所示。 5 / 21

图6 单相桥式整流电路输出波形 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即：𝐼𝑓= 12𝐼

01电

路中的每只二极管

承受的最大反向电压为2𝑈2(𝑈2是变压器副边电压有效值)。

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及负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：𝑈01=(1.1~1.2)𝑈2，直流输出电流：𝐼01= 𝐼2（1.5~2）（𝐼2是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

±12V直流稳压电源电路总体原理电路图如图7所示，可调式直流稳压电源电路总体原理电路图如图8所示，电流扩展直流稳压电源电路总体原理电路图如图9所示： 6 / 21

图7 12V直流稳压电源 图8 可调式直流稳压电 7 / 21 图 9 电流可拓展直流稳压电源电路 1.选集成稳压器，确定电路形式 (1)、在±12V直流稳压电源电路实验中的稳压电路，采用固定式三端稳压器，主要使用了集成块78系列及79系列。78××系列输出为正电压，输出电流可达1A，如7812的输出电流为5mA~1A，它的输出电压为12V。和78××系列对应的有79××系列，它输出为负电压，如7912表示输出电压为–12V和输出电流为5mA~1A。故称之为三端式稳压器。典型应用电路图如图10所示。

图10应用电路图 (2)、在可调式直流稳压电源电路中要求输出电压可调，所以选可调式三端稳压器LM317，其特性参数𝑉0=+1.2V~+37V，𝐼0𝑚𝑎𝑥=1.5A，最小输入、输出压差8 / 21

（𝑉𝑖−𝑉0）𝑚𝑖𝑛=3V，最大输入、输出压差（𝑉𝑖−𝑉0）𝑚𝑎𝑥

=40V，能满足设计要求，故

选用LM317组成的稳压电路。稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。电路系列的引脚功能相同，典型电路如图12所示.。𝑅1及𝑅𝑃1组成电压输出调节电路，输出电压𝑉

0≈1.25(1+𝑅𝑃1𝑅1⁄

)

式中1.25是集成稳压块输出端及调整端之间的固有参考电压VREF，此电压加于给定电阻𝑅1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器𝑅𝑃1，电阻𝑅1常取值120~240Ω，取𝑅1=240Ω，则𝑅𝑃1𝑚𝑖𝑛=48Ω，𝑅𝑃1𝑚𝑎𝑥=2.64kΩ,故取𝑅𝑃1为5kΩ的精密线绕可调电位器，及其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10μF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

图12 (3)、在电流扩展中用大功率三极管TIP41C和LM7812稳压器，TIP41C三极管为NPN管，主要参数为：最大工作电压100V，最大工作电流6A，最大耗散功率65W。设三端稳压器的最大输出电流为𝐼0𝑚𝑎𝑥，则晶体管的最大基极电流𝐼𝐵𝑚𝑎𝑥=𝐼0𝑚𝑎𝑥-𝐼𝑅，因而负载电流的最大值为𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥=（1+β）（𝐼0𝑚𝑎𝑥-𝐼𝑅

），故其负载采9 / 21

用大功率的电阻，取𝑅𝐿=3.9Ω，为10W的电阻。图中二极管用于消除𝑈𝐵𝐸对输出电压的影响。

2.选择电源变压器 电源变压器的作用是将电网220V的交流电压𝑈1变换成整流滤波电路所需要的交流电压𝑈2，通常根据变压器副边输出的功率𝑃2来选用变压器。变压器副边及原边的功率比为：𝑃1𝑃2=η，式中，η为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表1所示。

功率𝑃2𝑉𝐴⁄

<10 10~30 30~80 80~200

功率η 0.6 0.7 0.8 0.85

由LM317输入电压及输出电压最小压差：（Vi−V0）min=3V，最大压差为：（𝑉𝑖−𝑉0）𝑚𝑎𝑥=40V,可得到LM317的输入电压范围为:

𝑉0𝑚𝑎𝑥+(Vi−V0)𝑚𝑖𝑛≤𝑉𝑖≤𝑉0𝑚𝑖𝑛+(Vi−V0)𝑚𝑎𝑥

15V+3V≤𝑉𝑖≤1.5V+40V

18V≤𝑉𝑖≤41.5V 副边电压𝑉2≥𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛1.1⁄=181.1⁄V，取𝑉2=17V，副边电流𝐼2＞𝐼0𝑚𝑎𝑥≥1.5A，取𝐼2=1A,通过电流扩展可达到𝐼2≥1.5A，则变压器副边输出功率𝑃2≥𝐼2𝑉2=25.5W。由表1可得到变压器的效率η=0.7，则原边输入功率𝑃1≥𝑃

2𝜂⁄

=36.43W。为留有余地，

选功率为50W的电源变压器。 10 / 21

3．选整流二极管及滤波电容 (1)、在±12V直流稳压电源电路设计中整流二极管D选1N4007即可，其极限参数为𝑉𝑅𝑀≥1000V，𝐼𝐹=1A，满足𝑉𝑅𝑀＞√2𝑉2。滤波电容容量较大，一般采用电解电容器，选用3300μF/50V即可。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

(2)、在可调式直流稳压电源电路及电流扩展直流稳压电源电路中整流二极管D选1N4007，其极限参数为𝑉𝑅𝑀≥1000V，𝐼𝐹=1A。满足𝑉𝑅𝑀＞√2𝑉2，𝐼𝐹=𝐼0𝑚𝑎𝑥的条件。滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定，滤波电路的电路图如图14(a)所示，其输出电压波形如图14(b)、(c)所示，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。已知，𝑉0=15V，𝑉𝑖=18V，取∆𝑉0𝑃−𝑃=9mV, 𝑆𝑟=0.005＜0.05,符合要求，则稳压器的输入电压的变化量：

∆𝑉𝑖=∆𝑉0𝑃−𝑃𝑉𝑖𝑉0·𝑆𝑟=2.2𝑉 滤波电容:C= 𝐼·𝑡∆𝑉𝑖 = 𝐼0𝑚𝑎𝑥 𝑡∆𝑉𝑖 =3636μ

电容的耐压应大于√2𝑉2=24V。故取2只3300μF/50V的电容相并联。

（a） （b）