课程设计集成直流稳压电源的设计

1、课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 题题 目目: : 集成直流稳压电源的设计集成直流稳压电源的设计 初始条件：初始条件： 集成稳压器，电位器，电容，电阻，变压器等 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1.设计一个直流稳压电源，输出电压 vo 及最大输出电流 imax(i 档 vo=12v 对称输出，iomax=100ma； ii 档 vo=+5v，iomax=300ma； iii 档 vo=(+3+9)v 连续可调，imax=200ma)； 2.纹波电压 vop-p5mv，稳压系

2、数 sv510-3。 时间安排：时间安排： 第 19 周理论讲解，时间：星期一 5，6，7、8 节 地点：鉴三 204 第 20 周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主 13 楼通信工程综合实验室、 鉴主 15 楼通信工程实验室（1） 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 摘要 模拟电子技术课程设计是继模拟电子技术基础理论学习和实验教学之后又一重 要的实践性教学环节。综合设计实验对于提高我们学生的电子工程素质和科学实验能力。 直流稳压电源有许多优异的特性，为获得可靠的直流稳压电源，一个经济可行的办法是 将我国目前

3、使用的 220v 市电通过一定的方法转换为我们需要的直流电。我们此次的实验 设计任务就是设计一个有一定可靠性的多路直流稳压电源。 此设计思路为将 220v，50hz 市电通过降压变压器降为合适交流电压值，并经过整流 电路将交流电转为直流电，再通过滤波电路滤除直流电中的交流成分，最后经由集成稳 压器构成的稳压电路转化为稳定直流输出，输出电压分为12v，+5v，+3+9v 三档。且 集成稳压器具有一般集成电路体积小、重量轻、安装和调试方便、可靠性和稳定性高等 优点。 关键字：变压器；整流桥；滤波；整流二极管 abstract analog electronic technology curricu

4、lum is designed following the fundamentals of analog electronics, after the theoretical study and experimental teaching another important aspect of practical teaching. comprehensive design experiment for improving the quality of our students in electrical engineering and scientific experiments capac

5、ity. dc power supply has many excellent features, in order to obtain a reliable dc power supply, an economically viable approach is to use 220v chinas current electricity through a certain way we need to convert the dc. the experimental design of our task is to design a certain reliability of multi-

6、channel dc power supply. this design ideas for the 220v, 50hz electricity fell right through the step-down transformer ac voltage value, and through the rectifier circuit to alternating current to direct current, and then filtered through the filter circuit in the exchange of dc components, the fina

7、l composition via an integrated voltage regulator the regulator circuit into a stable dc output, the output voltage is divided into 12v, 5v, 3 9v third gear. and an integrated voltage regulator ics with general small size, light weight, easy installation and commissioning, reliability and stability

8、of the higher benefits. 目录目录 1.1.绪论绪论 .3 3 2.2. 电路工作性能指标及方案确定电路工作性能指标及方案确定 .4 4 2.1 设计主要性能指标 .4 2.2 整体方案基本确定 .4 3.3.单元电路原理单元电路原理 .5 5 3.1 电源变压器 .5 3.2 整流电路 .5 3.2.1 半波整流电路 .5 3.2.2 全波整流电路 .6 3.2.3 桥式整流电路 .6 3.3 滤波电路 .8 3.3.1 c 滤波器 .8 3.3.2 电感电容滤波电路（lc 滤波器） .9 3.3.3 lc 组成的型滤波电路 .9 3.3.4 型 rc 滤波电路 .10

9、 3.4 稳压电路 .10 3.4.1 稳压管稳压电路 .10 3.4.2 集成稳压电路 .11 3.5 各部分电路及电路间参数关系.12 3.5.1 集成稳压器 .12 3.5.2 电源变压器 .12 3.5.3 整流二极管 .12 3.5.4 滤波电容 .13 3.5.5 稳压系数 sv .13 4.4.参数计算及器件选择参数计算及器件选择 .1414 4.1档：12v 输出电路设计及原理 .14 4.2档：5v 输出电路设计 .15 4.2档：3v 输出电路设计 .16 5.5.调试调试 .1818 5.1multisim 仿真分析 .18 6.6.课程设计心得体会课程设计心得体会 .2

10、020 7.7.参考文献参考文献 .2121 8.8.器件清单及仪器相关参数器件清单及仪器相关参数 .2222 附录附录 整体电路图整体电路图 .2323 1 绪论 通过模拟电子技术基础第十章的学习，我们了解到，在电子线路中，通常都需 要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源是由（图 1-1）电源变压器、整流、滤波和 稳压电路等四部分组成。根据题目要求，系统可以划分为变压整流部分，滤波部分和集 成稳压部分。 a）稳压电源的组成框图 b）整流与稳压过程 图 1.1 系统基本框图及稳压过程 绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源市电是 220v 或 380v 的交流电，因此需要把交流电

11、变换成直流电。由于脉动的直流电压还含有较大的纹波， 必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还是会随电网电 压波动、负载和温度等的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路， 保证输出的直流电压稳定。 此次集成直流电源的课程设计，要求输出+5 、12v 以及+3+9v 连续可调的电压， 所有过程，包括设计，仿真，制作，调试，都是由我们自己独立完成。既锻炼了我们独 立思考的能力，也将学到的知识联系到实际操作中，提高了我们的动手能力，也学会了 主动查阅资料，而不是被动的接受知识。 2 电路工作性能指标及方案确定 2.1 设计主要性能指标： 输出电压 vo 及最大输出

12、电流 iomax： i 档 vo =12v 对称输出，iomax=100ma； 挡 vo =+5v，iomax=300ma； 挡 vo=（+3+9）v 连续可调，iomax=200 ma） ； 纹波电压：vop-p 5ma; 稳压系数：sv 510-3 ； 2.2 整体方案基本确定 由于设计要求指出要选择适当的方案设计电路，并且计算电源变压器的效率和功率， 选择整流二极管及计算滤波电容和安装调试与测量电路性能。小功率稳压电源由电源变 压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。由于电流的最大输出三档并不相 同，则需要三档分别用不同的滤波电路。而在变压和整流部分，虽然算出的变压副边电 压 u

13、2 不相同，但仍可用同一中间抽头的变压器实现。 根据三档不同的输出电压要求，可分别设计三个稳压电路实现。最后接同一个地实 现三档电路的整合。通过三个开关的开合来实现三档电路的选择。而12v 对称输出的两 边电路得通过双刀双掷开关控制才能使得正负电路都导通。具体实现则需对四个部分电 路分别进行讨论分析，得出最终电路图，实现设计要求。 3 单元电路原理 集成稳压电源可简化成四部分(图 31 )，且其的波形也如图所示： 图 3.1 系统基本方案图及其波形 3.1 电源变压器 电源变压器的作用是将电网 220v 的交流电压 v1变换成整流滤波电路所需要的交流电 压 v2。变压器副边与原边的功率比 p2

14、/p1= （1.1） 式中，为变压器的效率。一般小型变压器的效率如下表所示。 副边功率 p2/va i0max。 3.2 整流电路 3.2.1 半波整流电路 在 rl 两端得到的电压是单方向的，整流输出的波形只有输入波形的一半。常用在高 电压、小电流的场合。由于二极管的单向导电作用，负载电流 i0是一系列的脉动电流， 其方向不变，负载上的电压也是单向的脉动直流电压，显然，负载电压和电流的平均 值（直流分量）是不为 0 的。可见，电压 u2仅有半个周期想负载电阻 r 提供电压，因此， 这种电路称为半波整流电路。 其特点是输出电压波形为输入正弦波电源波形的正半周期，所以输出电压脉动很大， 直流分量

15、较小，整流效率较低。 图 3.2 半波整流电路 图 3.3 半波整流电路波形图 3.2.2 全波整流电路 在 rl 上得到的正、负半周都有整流输出的波形，其整流输出电压平均值为半波整流 的两倍，每个二极管承受的最高反向电压是输入电压最大值的 22 倍。 图 3.4 全波整流电路图 3.5 全波整流电路波形图 3.2.3 桥式整流电路 其输出电压波形与全波整流的输出电压波形是相同的。每个二极管承受的最高反向 电压是输入电压最大值的2 倍。 在 v2 的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管 d1 流向 rl， 再由二极管 d3 流回变压器，所以 d1、d3 正向导通，d2、d4

16、反偏截止。在负载上产生 一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。 在 v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过 二极管 d2流向 rl，再由二极管 d4流回变压器，所以 d1、d3反偏截止，d2、d4正向导 通。电流流过 rl时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中 虚线箭头所示。 桥式整流电路如图 3-6 所示形式。 图 3-6 单相桥式整流电路图 结合上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图 3-7。 图 3-7 桥式整流电路的工作波形 在桥式整流电路中，流过变压器次级的电流是正负相对称的，也就是说，没有直流 成分

17、流过次级绕阻。半波整流电路则不然，流过变压器绕阻的电流是单方向的电流，它 包含着直流分量，这样就给变压器增加了直流磁通。且桥式整流电路的输出电压高，谐 波电压较小，管子所承受的最大方向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内部都有 电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。 3.3 滤波电路 经过整流后得到的脉冲直流纹波还是很大的，所以要经过滤波电路的滤波，滤波电 路通常有电容滤波，电感滤波，ii 型滤波等。 电容滤波 适应小电流负载 vl1.2v2 电感滤波 适应大电流负载 vl0.9v2 lc 滤波 适应性较强 vl0.9v2 rc 或 lc 型滤波 适应小电流负载 vl1.2v2

18、 3.3.1 c 滤波器 优点：电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适用于输出电压较高， 负载变动小的场合。由于滤波电容很大，而整流电路的内阻又很小，常在整流电路中串 联限流电阻 r=(1/101/50)rl。负载直流电压随负载电流增大而减小。在工程设计中一 般取 v0=(1.11.2)v2。 缺点：输出电压随负载变化而有较大的变动，即外特性较差，故适用于负载电压较 高，负载变动不大的场合。 图 3.8 c 滤波电路 电容滤波电路中二极管的电流和导通角如下图所示： 3.3.2 电感电容滤波电路（lc 滤波器） 优点：电压经电感滤波后，又经电容滤波，会使负载电阻上得到一个更平滑的直流

19、 电压。输出电压与负载无关，比较稳定。对平滑程度要求较高负载电流变动较大的场合， 使用该电路比较适合，它的显著优点是可以遏制整流管的浪涌电流，适用于可控硅整流 电路。 缺点：适用于电流较大，要求输出电压脉动较小的场合，适合于高频电路。 图 3.9 lc 滤波电路 3.3.3 lc 组成的型滤波电路 优点：滤波效果比 lc 滤波器更好。 缺点：电感线圈的体积大而笨重，成本高；对整流二极管冲击电流较大。 图 3.10 lc 组成的型滤波电路 3.3.4 型 rc 滤波电路 优点：电阻对于交直流电流都具有同样的降压作用，更好的实现了滤波作用。 缺点：r 越大，c 越大，滤波效果越好，但 r 太大会使

20、直流压降增加，故只使用于负 载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。 图 3.11 rc 组成的型滤波电路 3.4 稳压电路 由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变 化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外 界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维 持稳定的输出。 3.4.1 稳压管稳压电路 + iz vivo - 在这种稳压电路中，稳压二极管起着电流控制作用，无论是由于 rl 或 vi 的变化， 使输出电压产生很小的变化，因而引起 iz 较大的变化，使电流 ir 变化，并通过限流电 阻

21、 r 的调压作用，使输出电压稳定。 3.4.2 集成稳压电路 集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。 按照输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可以分为正电压输出和负电压输 出两种类型。按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。其常见产品有 cw317、cw337、lm317、lm337。其中 317 系列稳压器输出连续可调的正电压，337 系 列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为 1.237v，最大输出电流为 1.5a。此外三 端集成稳器还有 78 系列和 79 系列。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

22、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。 本次设计中需要分三档输出电压+5 、12v 以及+3+9v 连续可调的，则需用到固定 式集成稳压管 7805，7812，7912 以及可调式集成稳压管 lm317，它们的连接与引脚的辨 识会有差别。 固定式三端稳压器的引脚及构成的典型稳压电路如图 3.12 所示，其中输入端接电容 ci 可以进一步滤除纹波，输出端接电容 co 能消除自激振荡，确保电路稳定工作。ci，co 最好采用漏电流小的钽电容。 图 3.12 固定式三端稳压器电路示例 如右图，对于 78xx 系列 1- 输

23、入 input 2- 地 gnd 3- 输出 output 对于 79xx 系列 1- 地 gnd 2- 输入 input 3-输出 output 对于 lm317 系列 1调整端adjust 2输出output 3输入input 图 3.13 可调式三端集成稳压器电路示例 在图 3.13 中，r1 与 r2 组成输出电压调节电路，输出电压 uo1.25 (1 + r2 / r1 )， r1 的值为 120 240，流经 r1 的泄放电流为 5 10ma。r2 为精密可调电位器。电容 可以进一步消除纹波，电容 c1 与 co 还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振 1 c 荡。电容 c2

24、与 r2 并联组成滤波电路。 3.5 各部分电路及电路间参数关系 3.5.1 集成稳压器 集成稳压器的输出电压 uo 应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相通。稳压器 的最大允许电流 icmiomax （1.4） 3.5.3 整流二极管 整流二极管 vd2 的反向击穿电压 urm 应满足： um2 u2 （1.5） 其额定工作电流应满足： ifiomax （1.6） 3.5.4 滤波电容 滤波电容 c 的容量可由下式计算： c=ictui （1.7） 其中，ui稳压器输入端纹波电压的峰峰值 t电容 c 放电时间，t=t/2=0.01s ic电容 c 放电电流，可取 ic=iomax 滤波电容

25、的耐压值应大于2 u2。 3.5.5 稳压系数 sv 电路稳压系数 sv 满足下式： sv=（uouo）（uiui） 4、参数计算及器件选择 4.1档：12v 输出电路设计及原理 集成稳压器选用 lm7812 和 lm7912，其输出电压分别为+12v，-12v，最大输出电 流 maxo i 为 1.5a。所确定的稳压电源电路如图 4-1 所示。 集成稳压器的输出电压 uo 应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相同。稳压器 的最大允许电流 iomiomax，稳压器的输入电压范围为： uomax+（ui-uo）minuiuomin+（ui-uo）max 式中，uomax最大输出电压； uomi

26、n最小输出电压； （ui-uo）min 稳压器的最小输入电压差； （ui-uo）max稳压器的最大输入电压差； 选择电源变压器 uomax+（ui-uo）minuiuomin+（ui-uo）max 即 11.4v+3vui3v+12.6v 取 14.4vui15.6v u2uimin/1.1=14.4/1.1=13.6v 取 u2=15v 变压器副边电流：i2iomax=0.2a 则变压器的副边输出功率 p2为 p2i2u2=3w 由表 1 知，变压器的效率 =0.7，则原边输入功率 p1p2 /=4.28w。 为留有余地， 图 4-1 输出电压为12v 的稳压电 源 故选用功率为 20w 的

27、变压器。所以变压器选用 15v/20w 的即可。 由于：urm=/2u2/21521.21v, iomax=0.1a in4001 的反向击穿电压 urm50v，额定工作电流 id=1a，故整流二极管选用 in4001。 式中，uo12v,ui=15v, uopp5mv, sv510 则 uiuopp ui/ uo sv1.25v 则滤波电容 c 为 c=ict/ui= c=iomaxt/ui=800f 又由于电容的耐压应大于2 u2=19.23v 在图 4-1 所示的电路中，取 c1 = c2 =1000f，c3 = c4=0.33f，c5 = c6 = 0.1f，c7 = c8 = 220

28、f，二极管用 in4001。 4.2 档：5v 输出电路设计 集成稳压器选用 lm7805，其输出电压为+5v，最大输出电流 maxo i 为 1.5a。所确定的 稳压电源电路如图 4-2 所示。 选择电源变压器 uomax+（ui-uo）minuiuomin+（ui-uo）max 即 4.75v+5vui5.25v+5v 取 9.75vui10.25v u2uimin/1.1=9.75/1.1=8.86v 图 4-2 输出电压为 5v 的稳压电源 取 u2=10v 变压器副边电流：i2iomax=0.5a 则变压器的副边输出功率 p2为 p2i2u2=5w 由表 1 知，变压器的效率 =0.

29、7，则原边输入功率 p1p2 /=7.14w。 为留有余地， 故选用功率为 20w 的变压器。所以变压器选用 15v/20w 的即可。 由于：urm=/2u2/21014.1v, iomax=0.3a in4001 的反向击穿电压 urm50v，额定工作电流 id=1a，故整流二极管选用 in4001。 式中，uo5v,ui=10v, uopp5mv, sv510 则 uiuopp ui/ uo sv2v 则滤波电容 c 为 c=ict/ui= c=iomaxt/ui=1500 又由于电容的耐压应大于2 u2=14.22v 在图 4-2 所示的电路中，取 c1 =2200f，c2 = 0.33

30、f，c3 0.1f，二极管用 in4001。 4.3 档：3v 输出电路设计 集成稳压器选用 cw317，其输出电压范围为： vuo372 . 1 ，最大输出电流 maxo i 为 1.5a。所确定的稳压电源电路如图 4-3 所示。 选择电源变压器 图 4-3 输出电压可调的稳压电源 uomax+（ui-uo）minuiuomin+（ui-uo）max 即 9v+3vui3v+40v 取 12vui43v u2uimin/1.1=12/1.1=10.91v 取 u2=12v 变压器副边电流：i2iomax=0.2a 取 i2=0.5a 则变压器的副边输出功率 p2为 p2i2u2=6w 由表

31、1 知，变压器的效率 =0.7，则原边输入功率 p1p2 /=8.57w。 为留有余地， 故选用功率为 20w 的变压器。所以变压器选用 12v/20w 的即可。 由于：urm=/2u2/21216.968v, iomax=0.2a in4001 的反向击穿电压 urm50v，额定工作电流 id=1a，故整流二极管选用 in4001。 式中，uo9v,ui=12v, uopp5mv, sv510 则 uiuopp ui/ uo sv1.33v 则滤波电容 c 为 c=ict/ui= c=iomaxt/ui=1500f 取 c = 1600f，c1 =0.01f，c2 =10f，c0 = 1f，

32、r1 = 240，rw = 2k，二极管用 in4001， 1 r 和 w r 组成输出电压调节电路，输出电压 )1 (25 . 1 1 rru wo ， 1 r 取 240120 ，流过 1 r 的电流为 ma105 。取 r1 = 240，则由 )/1 (25 . 1 1 rru wo ，可求 得： w r min=336， w r max=1488。 故取 w r 为 k2 的精密线绕电位器。 5 调试 5.1multisim 仿真分析 本次设计使用的仿真软件是 multisim10.0. 它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分 析能力。通过 multi

33、sim 和虚拟仪器技术，pcb 设计工程师和电子学教育工作者可以完成 从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般 windows 应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。 档：12v 输出电路的仿真结果如下图： 通道 a 与 b 分别输入的+12v 和-12v 的电压。输出的波形如图，得出的数据为+12v 输 出端为 12.012v,-12v 输出端为-12.601v，在一定小的误差范围内满足了设计要求。 档:+5v 输出电路以及档:39v 输出电路的仿真结果如下图： 通道 a

34、与 b 分别对应+5v 输入与39v 输入。其波形图如上，得出的数据为+5v 输出端为 5.006v，电位器在中间某一位置时39v 输出端显示为 11.787v，这是由于 电位器电阻范围过大，仿真时可供选择的元器件参中没有所需的参数范围。 6.课程设计心得体会 因为之前模电的实验考试做的是集成直流稳压电源，只需要一档输出，且电路图实验 书上也给了参考。所以觉得会很简单，而实际做起来发现并非想象中的那么简单。实验 也不知道失败了多少次，特别是仿真部分，参数计算出来可是在元件库里找不到设计所 需。又由于对 multisim 10.0 不是很熟悉，做起仿真来就更吃力，但最终还是有所成功 的。现在觉得

35、，作设计就应该有种踏实的态度，简单也好，难做也罢，只要我们静下心 来投入到其中，也就成功了一半。 在这一周的时间里我独立的查阅相关资料，了解电路的制作仿真方面的知识，学习并 熟悉 protel 99 se 和 multisim 9 的使用。然后认真设计电路并确定参数以及电路所需 各种元件，并完成元件的购买等准备工作。最后独立的完成焊接，做成成品并进行调试。 这个过程中不可避免的会遇到很多困难，但是认真分析之后可以运用所学的知识或相关 资料的查阅解决。 首先，去了图书馆才发现可以参考的书太多，很难在其中找到重点所在。在网上搜索 的时候也浪费了很多精力在不必要的环节上，致使前一两天的工作效率不高。而且在设 计过程中有很多芯片、器件以及它们的工作原理及方式是以前学习中从未遇到过的，那 么我们就要首先学习它的原理功能找到能够满足电路要求的器件，然后全面考虑其各方 面的问题，比如焊接难易和经济效益等。由其性价比最终确定最好的方案。 其次，这次的课程设计在期末考试左右，又是第一次做课程设计，因而在时间上产 生了一定的冲突，很多问题来不及细细思考，只是依葫芦画瓢的做，在作报告时花了很 多不时间，值得我们在下一次的课程设计中好好改进，对文档的处理能更加熟练