1、 徐海学院电子技术综合设计 第 1 页中国矿业大学徐海学院电子技术选修课姓 名： 学 号： 专 业： 题 目： 直流稳压电源的制作与调试 设计地点： 电工电子实验室 设计日期： 2013 年 6 月 成 绩： 指导教师： 年 月 徐海学院电子技术综合设计 第 2 页电子技术选修课任务书学生姓名 专业年级 学号 设计日期： 2013 年 06 月 19 日 至 2013 年 06 月 22 日设计题目：直流稳压电源的制作与调试设计内容和要求：1. 设计内容 输入交流电(220V/50Hz) ； 输出 4 路直流电(+5V、 +12V、 -12V 及+1.25V+14V 可调） 。 各路直流输出电
2、流0.5A 纹波电压50mV 具有输出电压指示（发光二极管）2. 设计要求 用 Multisim 仿真整体电路原理图； 用 Altium designer 设计整体电路图； 用 Altium designer 设计 PCB 板图指导教师签字： 年 月 日徐海学院电子技术综合设计 第 3 页摘要： 电子设备一般都需要直流电源供电，而这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。而且这种情况越来越常见，应用也越来越广泛。特别是这些电子设备上运用的直流电都是低压电，而且在同一设备上直流电要求的大小也是不一样的。针对这种情况，本次设计的就是输出
3、直流电的直流稳压电源。市电 220V 电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。 通过直流稳压电源设计，再利用稳压直流电源仿真对稳压直流电源的四个部门分别进行电路图，输入输出波形进行分析，得到合理的方案。最后，利用 PCB进行原理图设计到开板制作，焊接，封装，得到我们所需要的直流稳压电源。 关键词： 直流稳压电源，变压器，整流，滤波，稳压。徐海学院电子技术综合设计 第 4 页目 录目 录 41 晶体管串联型稳压电源 61.1 晶体管串联型稳压电源框图 .61.2 串联型稳压电源组成： .61.2.3 基准电压电路： .61.2.5 过载
4、保护电路： 61.3 晶体管串联型稳压电源原理图 .71.4 主要技术指标 .72 直流稳压电源设计 82.1 直流稳压电源综述 .82.2 电源变压器工作原理 .82.3 整流电路 .92.3.1 整流电路的任务 92.3.2 衡量整流工作性能的参数 92.3.3 常用单相整流电路分类 .92.4 滤波电路 .152.4.1 几种滤波电路 .152.4.3 电容滤波电路分析 .152.5 稳压电路 .172.5.1 常用稳压电路分类 .172.5.2 稳压电源质量指标 .172.5.3 集成三端稳压器稳压电路 .182.5.4 集成三端稳压器分类： .182.5.5 常用三端集成稳压器性能
5、.183 原件选型及型号参数 203.1 变压器选择 .203.2 整流电路选择 .203.3 滤波电路选择 .203.4 稳压电路的选择 .204 稳压电源电路仿真 .224.1 固定稳压电源电路仿真 .224.1.1 电路原理图 .224.1.2 变压电路仿真 .224.1.3 整流电路仿真 .244.1.4 滤波电路仿真 .274.1.4.1 滤波电路元器件清单 .274.1.5 稳压电路仿真 .294.1.6 工作原理 .314.2 可调输出稳压电源 .324.2.1 电路原理图 .324.2.2 工作原理 .32徐海学院电子技术综合设计 第 5 页5 电路板设计 335.1 原理图绘
6、制 .335.2 建立元器件封装库 .335.3 PCB 的绘制 .336 电路的安装于调试 346.1 元器件检查与整形 .346.2 焊接 .346.3 装配 .346.5 常见问题处理 347 电路的参数测定 357.1 电压输出测量 .357.2 最大输出电流测量 .357.3 纹波电压测量 .357.4 电阻的测量 .368 稳压电源实物照片 379 实践小结（收获、体会及建议） .38徐海学院电子技术综合设计 第 6 页1 晶体管串联型稳压电源1.1 晶体管串联型稳压电源框图图 1-1 晶体管串联型稳压电源框图1.2 串联型稳压电源组成：1.2.1 调整电路：调整电路的核心是调整管
7、，输出电压的稳定通过调整管的调节作 用来实现，当电网电压波动及负载变化时，调整管电压降相应改变，使输出电压保持稳定。由于调整管与负载是串联： ，V0稳压过程相反。1.2 2. 取样电路：取样电路与负载并联，通过取样电路可以反映 U0 的变化，因为反馈电压 Uf与输出电压 U0 有关。反馈电压 Uf 取出后送到放大单元，改变电位器 W 的滑动端子可以调节输出电压 U0 的大小。1.2.3 基准电压电路：将电路的基准电压送给比较放大电路。限流电阻 R3 与稳压管 Dz 组成基准单元。Dz 两端电压 UDZ 作为整个稳压电路自动调整和比较的基准电压。1.2.4 比较放大电路： 晶体管 T2 组成放大
8、电路。它将采样所得的反馈电压 Uf 与基准电压 UDZ 比较后加在 T2 的输入端，即 UBE2=Uf-UDZ 经 T2 放大后控制调整管 T1 输入端的电位。R4 是 T2 的集电极负载电阻，同时也是调整管 T1 的偏置电阻。1.2.5 过载保护电路：串联型稳压电源的保护电路有限流和截流两种它们的作用是在负载电流超过额定值时，保护调整管不致因功耗过大而损坏。徐海学院电子技术综合设计 第 7 页1.3 晶体管串联型稳压电源原理图图 1-1 晶体管稳压电路1.2 工作原理图 1-2 晶体管串联型稳压电源原理图1.4 主要技术指标（1）输入电压：AC: 220V（2）输出直流稳压：DC：3V、4.
9、5V、6V 三档。（3）输出直流电流：额定值 150mA，最大值 300mA。（4）具有过载，短路保护，故障消除后自动恢复。 徐海学院电子技术综合设计 第 8 页2 直流稳压电源设计2.1 直流稳压电源综述一个完整的小功率直流稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四部分组成： 图2-1直流稳压电源组成图其中：（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。（2）整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压，但此脉动的直流电压含有较大的纹波。（3）滤波电路：把脉动的直流电压的纹波加以滤除，从而得到平滑
10、的直流电压，但这样的电压还随着电网电压的波动、负载和温度的的变化而变化。（4）稳压电路：当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定，进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力。2.2 电源变压器工作原理变压器的基本工作原理就是利用电子感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或者传输信号，是电能传递或者传输典型好的重要原件。变压器主要由铜线铁芯和线圈。因为电流 I1 的方向和大小是随时间变化的，变压器的初级通上交流电时，变压器的铁芯中产生了交变的磁场 ， （其中 I1 的绕线组叫做初级线圈 N1，另一个绕组叫做线圈 N2。 ）这样，在次级线圈处就能感应处频率相同的交流电压。显然变压器
11、只能改变交流电压，不能改变直流电压，因为直流电流是不会变化的。电流整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路u1 u2 u3 u4 uo徐海学院电子技术综合设计 第 9 页通过变压器就不会产生交变磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。变压器计算公式：假设变压器处于理想状态，即不计初，次级线圈的电阻损耗，当其间耦合系数为 1 时，令：且初级次级线圈缠绕的铁芯中磁通量 2为 ，盖磁通量称为主磁通。则变压器的电动势平衡方程为：dtNtE*)(122若初级次级线圈内的电压电动势的瞬时值都按照正弦规律（一般交流电都按账号正弦规律变化） ，则 212121NEU由于理想状态不计铁
12、芯损失，有能量守恒定律得：21*IIU令 (称为匝数比)则NK1221I上式表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。2.3 整流电路2.3.1 整流电路的任务交流电压转变为单向脉动的电压。2.3.2 衡量整流工作性能的参数（1）输出电压平均值 VO（AV）-反映整流电路将交流电压转换为直流电压的能力。（2）脉动系数 S-反映整流输出电压中交流成分的大小，用来衡量整流电路输出平滑程度。)(AVOorS2.3.3 常用单相整流电路分类 1、半波整流（1 个二极管完成）2、全波整流（2 个二极管完成）3、桥式整流（4 个二极管
13、完成）徐海学院电子技术综合设计 第 10 页2.3.3.1 半波整流（1）电路组成 图 2-2 半波整流电路组成图（2） 元器件作用图 2-3 中，T 为变压器，其作用是将 220V 的交流电压变成所需要的直流电压，D是整流二极管，其作用是将方向变化的交流电变为单相的脉动直流。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。（3）参数计算输出电压平均值（ ）、输出电流平均值（ Io ) 0U=0U(sin21)(210 tdtdO= 245.LLRI0.二极管上的平均电流： 0ID二极管承受的最高反向电压： 2URM（4）工作原理u2 0 时:二极管导通
14、，忽略二极管正向压降， uo=u2u2Vb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。徐海学院电子技术综合设计 第 14 页图 2-8 桥式整流（负半周期）原理图u 负半周，Va 时：二极管 D1、D3 导通，一方面向 RL 提供电流，另一方面向 c 充电。（5）电路波形 RL未接入图 2-16 电容滤波电路波形图接入 时LR徐海学院电子技术综合设计 第 17 页图图 2-17 电容滤波电路波形图2.5 稳压电路2.5.1 常用稳压电路分类稳压管稳压电路：电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电路：效率较高，目前用的也比较多。2.5.2 稳压电源
15、质量指标1、输出电压： TIV,f0102、输出电压变化量： TSIRKI03、输入调整因数： 0TIV4、电压调整率： 0%1*TIIVS徐海学院电子技术综合设计 第 18 页5、稳压系数： 010TIV6、输出电阻： 001TVIR7、温度系数： 01TTS2.5.3 集成三端稳压器稳压电路随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入端、输出端、公共引出端，故称之为集成三端稳压器。(1)集成三端稳压器稳压电路原理图图 2-18 集成三端稳压器稳压电路原理图2.5.4 集成三端稳压器分类：CW78L
16、XX 输出电流最大为 150mACW78MXX 输出电流最大为 500mACW78XX 输出电流最大为 1.5A注：型号后 XX 两位数字代表输出电压值2.5.5 常用三端集成稳压器性能本节主要介绍常用的 W7800 (W7900)系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。 性能特点（7800、7900 系列）输出电流超过 1. 5 A（加散热器）不需要外接元件徐海学院电子技术综合设计 第 19 页内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为 4%输出电压额定值有: （5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V）等 。徐海学院电子技术综合设计 第
17、 20 页3 原件选型及型号参数3.1 变压器选择根据设计要求：（1）4 路直流电压输出 （+5V、 12V、以及+1.25V+14V 可调） 。（2）各路直流输出电流0.5A最大输出电压为 14V，根据第一节计算公式，加滤波电容后，直流输出电压 UO 1.2 U2，所以要选择双端输出变压器，并且变压器副边输出电压为(14+3)/1.4=12.14V。结合输出电流要求，电源变压电路选择 I/P 220V50Hz,O/P 12V2 ， 600mA 的变压器。3.2 整流电路选择由理论可知，全波整流和桥式整流的效率均为 UO=0.9U2 , 全波整流的二极管最大反向耐压值为 2.82U2。管子导通
18、电流为 0.5IO=250mA。查手册可知，常用整流二极管1N4007 最大反向耐压为 1000V，最大正向平均整流电流为 1A，完全可以满足本设计要求。因此采用 1N4007 搭成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。3.3 滤波电路选择由于输出最大电压为 14V，电流最小 0.5A，所以，RL=28。采取简单的电容滤波，为获得较为平滑的负载电压，一般时间常数 =RLC （35）T/2.取 RLC =5 T/2，得 C=1786F,考虑电网电压波动10%，则电容所能承受的最高电压为 1.1 U2 1.414 = 18.67V，所以采用 2200F/25V 的电解电容作为滤波电容。3.4 稳
19、压电路的选择徐海学院电子技术综合设计 第 21 页根据输出要求可知，有固定输出和可调输出两种。由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的内部保护措施，并且使用方便、价格低廉，所以决定采用 7812、7912、7805 作为固定稳压器，纹波电压均可在 50mV 以下，输出电流可达到 1.5A。采用 LM317 作为可调稳压器，纹波电压均可在 50mV 以下 ；输出电流方面，317 系列 TO220 封装也可达到 1.5A。完全满足设计要求。故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。徐海学院电子技术综合设计 第 22 页4 稳压电源电路仿真4.1 固定稳压电源电路仿真4.1.1 电路原理图图 4-1 固定输
20、出稳压电源电路原理图4.1.2 变压电路仿真4.1.2.1 变压电路元器件清单 名称 参数 所在库 名称 符号市电 220v，50HzSource-power sourceAC-POWER徐海学院电子技术综合设计 第 23 页地Source-power sourceGROUND变压器220V/双 12V 600mA设定匝数18.33:1:1Basic-TRANSFORMER 1P2S电压表 AC Indicator-VOLTMETER VOLTMETER_V示波器 双通道 仪器栏 Oscilloscope表 4-14.2.1.2 变压器电路仿真图N1:N2=220:12=18.33图 4-2
21、变压电路仿真4.1.2.3 变压器电路波形（1）变压器原边和副边波形徐海学院电子技术综合设计 第 24 页图 4-3 变压器原边和副边波形（2）变压器两个副边波形图 4-4 变压器两个副边波形4.1.3 整流电路仿真4.1.3.1 整流电路元器件清单 名称 参数 所在库 名称 符号整流二极管1000v，1ADiode-Diode1n4007地Source-power sourceGROUND电压表 DC Indicator-VOLTMETER VOLTMETER_V示波器 双通道 仪器栏 Oscilloscope表 4-2徐海学院电子技术综合设计 第 25 页4.1.3.2 整流电路仿真图1、
22、(1)半波整流图 4-5 半波整流半波整流系数 0.45，故理论上半波整流电压为：UzL=0.4512=5.4V1、(2)变压器副边波形与半波整流波形图 4-6 变压器副边波形与半波整流波形2、（1）全波整流图 4-7 全波整流全波整流系数 0.9，故理论上全波整流电压为： UzL=0.912V=10.8V徐海学院电子技术综合设计 第 26 页2、（2）变压器副边波形与全波整流波形图 4-8 变压器副边波形与全波整流波形3、（1）桥式整流鬎图 4-9 桥式整流3、 （2）变压器副边波形与桥式整流波形图 4-10 变压器副边波形与桥式整流波形徐海学院电子技术综合设计 第 27 页4.1.4 滤波
23、电路仿真 4.1.4.1 滤波电路元器件清单 名称 参数 所在库 名称 符号电解电容2200uFBasic-CAP electrolit2200uf电容0.1uFBasic-CAP ACITOR 0.1uF电阻 10 Basic-Res 10地Source-power sourceGROUND电压表 DC Indicator-VOLTMETER VOLTMETER_V示波器双通道仪器栏 Oscilloscope表 4-34.1.4.2 滤波电路仿真图1、 （1）负载开路图 4-11 滤波电路仿真徐海学院电子技术综合设计 第 28 页负载开路系数 1.414，理论上滤波电压为：UzL=1.414
24、12=16.97V1、（2）变压器副边波形与滤波波形(负载开路)图 4-12 变压器副边波形与滤波波形(负载开路)2、（1）负载闭合图 4-13 负载闭合系数 1.2，理论上滤波电压为：UzL=1.212=14.4V2、（2）变压器副边波形与滤波波形（负载闭合）图 4-14 变压器副边波形与滤波波形（负载闭合）3、（1）负载闭合，减小电容 C1徐海学院电子技术综合设计 第 29 页图 4-15负载闭合，减小电容 C1，滤波电压进一步降低3、（2）变压器副边波形与滤波波形（负载闭合，C 减小）图 4-16 变压器副边波形与滤波波形（负载闭合，C 减小）4.1.5 稳压电路仿真4.1.5.1 稳压电路元器件清单名称 参数 所在库 名称 符号电解电容2200uFBasic-CAP electrolit470uf电容 0.1uF Basic-CAP ACITOR 0.1uF电阻 470 Basic-Res 470地Source-power sourceGROUND徐海学院电子技术综合设计 第 30 页电压表 DC Indicator-VOLTMETER VOLTMETER_V示波器 双通道 仪器栏 Oscilloscope稳压器 5VPower- Voltage_regulatorLM7805CT发光二 极管5mADiode-LEDLED_red表 4-44.1.5.2 稳压电路仿真图
