模拟直流稳压源设计

1、广西科技大学课程设计说明书 通信电子系统项目设计实训I Guangxi University of Science and Technology通信电子系统项目实训（一）报告 2015年 07月 08日 19 目录一、实训任务2二、实训目的2三、设计原理2四、设计内容2五、系统仿真与调试15六、实验总结17七、参考资料181、 实训任务1.1 设计要求实验题目：模拟直流稳压电源设计；实验要求：设计电压在3-10V可连续调节的稳压源；1.2 设计思想（1）电网供电电压交流220V(有效值)频率为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。（2）降压后的交

2、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）。（3）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。（4）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 。1.3 设计步骤（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。（4）总电路图：连接各模块电路。二、实习目的 通信电子系统项目实训是通信专业学生重要的实践教学环

3、节，其目的是巩固和加深所学电子技术的知识，了解并初步掌握一般电子产品的生产制作、调试与研制开发的基本技能与方法，全面提高学生的实践动手能力和分析问题、解决实际问题的能力；使学生对电子产品生产获得一定感性认识，为今后从事电子产品制作与创新设计工作奠定初步的实践基础。3、 设计原理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，如图1所示。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _（a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流

4、与稳压过程图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 3.1 电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率 副边功率 效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。3.2整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI

5、与交流电压u2的有效值U2的关系为： 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 流过每只二极管的平均电流为： 其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。 3.3 稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI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）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性

6、能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。（1） 固定电压输出稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UI

7、max= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图A所示。 （2）可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3 40V。4、 设计内容设计一个直流稳压电源将频率为50Hz、有效值为220

8、V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电压在3-10V可连续调节的直流稳压源；4.1 电源变压器电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。根据输出电压的范围，可以令变压器副边电压为22V，即变压系数为0.1。4.2 整流电路（1）半波整流图（2） 半波整流电路图（3） 半波整流电路的波形图整流电路如图（2）所示，其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值Uo(AV)。从图（3）所示波形图可知

9、，当wt=0时，Uo =U2sinwt;当wt=2时，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是将0的电压平均在02时间间隔之中，如图（3）所示，写成表达式为: Uo(AV)=1/2U2sinwtd(wt) 解得: Uo(AV)=U2/0.45U2负载电流的平均值: Io(AV)= Uo(AV)/RL半波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RLb）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即URURM =U2单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是

10、由于它只是利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。（2）全波桥式整流电路为了克服单相半波整流电路的特点，在使用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。如图（4）所示图（4） 全波桥式整流电路设变压器次级电压U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m为其幅值，U2为有效值，负载电阻为100。在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。U2和UL的波形如图

11、（5）所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为图（5） 全波整流电路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.9×2220V 全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.45×20/10090mAb）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即URURM =U2=1.4×

12、;20=28V单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点，因此得到广泛的应用。它的主要缺点是所需二极管的数量比较多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就比较大。4.3 滤波电路电容滤波电路是最常见的也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图（6）所示：图（6） 单相桥式整流电容滤波电路该电路工作原理：设U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方

13、面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数td=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。与此同时，U2仍按 U2sinwt的规律上升，一旦当U2UC 时，D1、D3导通，U2对C充电。然后，U2又按 U2sinwt的规律下降，当U2UC 时，二极管均截止，故C又经RL放电。同样，在U2的负半周期也会出现与

14、上述基本相同的结果。这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL= UC，使负载电压的纹波大为减小。由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取 RLC(35)T/2 式中，T为交流电源电压的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小输出电压越小。若C值一定，当RL®，即空载时有ULO= U21.4 U2。当C=0，即无电容时有ULO0.9 U2。当整流电路的内阻不太大（几W）和电阻RL电容C取值满足上式时

15、，有ULO(1.11.2) U2 总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合4.4 稳压电路 虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。（1）简单稳压电源稳压二极管组成的稳压电路如图（7）所示：图（7） 稳

16、压二极管组成的稳压电路稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。下面讨论R的取值范围。参见图（7），设为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为Izmin，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最大电流为Izmax，即要求IzminIzI2max。当UI最大和RL开路时，流过稳压

17、二极管的电流最大，此时应有；当UI最小（不小于Uz）和RL最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有。即 一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。稳压管稳压电路的优点是电路简单，所用元器件少；但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。（2）三端集成稳压器电路集成稳压器与简单稳压电路相比其电路结构简单，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。并且内部有过热保护、过流保护等保护电路，可以很安全的保护电路的正常工作。图（8）时由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于

18、消除输出电压中的高频噪音，可取小于1F的电容。输入端和调整端之间的电压时非常稳定的电压，其值为1.25V。输出电流可达1.5A。图（8） 由LM317组成的稳压电路由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为Uo=(1+R2/R)×1.25V为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10F电容C。但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D2，提供一个放电回路，D1,D2起保护作用。如图（9）所示：图（9） LM317的外加保护电路由于设计要求电压从3V开始调起，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需要增加LM317的1.25V最小输出电压，如图（10）

19、所示，电压增加电路由R4组成。之后,当调节R1逐渐增大时, U0即由3V 开始增大。下图中输出电压的表达式为：Uo =(1+(R2+R4)/R1)×1.25-1.4由于LM317工作时必须大于其最小工作电流，所以一般R1小于240,解方程计算出R1、R2、R4的值:(1+R2/R1)×1.25V=3V(1+(R2+R4)/R1)×1.25-1.4=10VR1<240因为R2是可变电阻所以选择0-1K解得：R1=250、R4=178.6图（10） 输出电压可调的直流稳压电源电路原理图4.5 直流稳压电源电路图由以上分析可以得出整个可调直流稳压电路图如下：图（1

20、0） 输出电压可调（310）的直流稳压电源电路原理图5、 系统仿真与调试5.1 通过Multisim仿真软件经行仿真通过调节R1进行输出电压的调节：如图（11）、图（12）、图（13）、图（14）、图（15）图（11）输出220V,52Hz的交流电压图（12）通过变压器把220V的交流电降到25V图（13）过调节R1到最小值输出最低电压3V图（14）通过调节R1到最大值输出最高电压10V图（15）通过调节R1的值可输出3V-10V之间的电压值5.2 使用Altium Designer Summer原理图与PCB图，如图（16）、图（17）、图（18）图（16）原理图图（17）PCB图图（18）PCB图5.3 实际测试结果：图（19）实物图1图（20）实物图2图（21）实物图3六、实验总结通过本次设计，让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工