直流稳压电源的设计与制作

1、直流稳压电源的设计与制作付惠惠（安阳师范学院 物理与电气工程学院， 河南 安阳 455002）摘 要：直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。直流稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理地选择这些器件。本文设计一个可调的直流稳压电源,电路采用三端可调式集成稳压器等元件,构成从0.7V10V连续可调的稳压电源电路,具有设计电路简单,制作容易,操作方便,显示直观,性能可靠,功能完善等特点。关键词：变压；整流滤波；连续可调；稳压；1 引言直流稳压电源是

2、电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下二个问题: 一是输出电压是通过粗调(波段开关) 及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如1. 05 1. 07V ) ,困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。二是稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由

3、电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业

4、正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。2 方案论证与比较方案一: 采用单级开关电源，由220V交流整流后，经开关电源稳压输出。但此方案所产

5、生的直流电压纹波大，在其后的几级电路中很难加以抑制，很有可能造成设计的失败与技术参数的超标。方案二：并联式稳压电源，电路简便易行，所用元器件相对较少，当负载电流恒定时稳定性相对较好，其突出优点就是可承受输出短路。但是效率低于串联式稳压电源，输出电压调节范围较小，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用。方案三：串联式稳压电源，利用可调的三端式集成稳压器先提供稳压电压和小电流，再通过三极管扩流的方式使之提供大功率。由于集成稳压器通常内部已有各种保护电路，外围辅助电路就可以简化。其次想采用经典的分立式元件形式，因为在理论课及实验室中看到的大多是这种电源，并且具体电路形式很丰富

6、，可借鉴的结构也较多。比较以上几种方案，决定采用方案三，即经典的串联式稳压电源，稳扎稳打，力争做好。3 硬件电路的组成与设计直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：图1 稳压电源的基本组成框图我国电网供电电压交流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

7、负载RL。3.1电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。本设计方案所需要用到的降压变压器是将电网交流电压220V变换成复合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得后级电路所需要的直流电压12V。由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差较大，考虑到稳压部分中的集成稳压器须在输入电压10V 时才能使输出电压为0.7V9V。所以，降压后的电压设为10V12V，才能达到要求输出的电压为0V10V，即该部分电路采用变压器把220V交流市电变为约10V 的低压交流电，作为电源的输入电压。变压器原辅线圈的匝数比为：N1/N2 = U1/U2 = 22

8、0V/10V22/1电路中的保险丝可起到保护电源的作用，当电流大于0.5A 时，保险丝熔断，从而防止电源烧坏。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，因此，当算出了副边功率后，就可以根据下表算出原边功率。 副边功率 效率0.85表1 小型变压器的效率3.2 整流滤波电路整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。如图所示，在本设计中采用四个二极管组成桥式整流电路，利用单相桥式整流电路把方向和大小都大小都变化的50Hz的

9、交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。其优点是电压较高,纹波电压较小,整流二极管所承受的最大反向交流电流流过,变压器的利用率高。滤波电路：利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质,采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除,得到比较平滑的直流电。图2 桥式整流桥电路直流电压与交流电压的有效值间的关系为： 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 连续稳压电路与稳压电源电路 连续稳压电路本设计所采用的连续

10、稳压电路的原理图如图三所示，从晶体管发射极取出输出的电路称为发射极跟随器。发射极跟随器的输出电压(发射极-GND之间的电压)是基极与GND之间电压与基极-发射极电压的差值。大约在0.60.7V左右，一般不会变化。由基准电压减掉输出电压，得到误差电压。图三比较器的任务是检测出该差值。误差电压通过误差放大器放大，施加在发射极跟随器的基极引脚上。若稳压器的负载电流增加、输出电压开始呈现下降趋势时，误差电压马上就向正的方向变化，通过误差放大器放大，发射极跟随器的基极-GND间的电压也向正的方向上升，于是发射极跟随器也向正的方向上升，结果输出电压最初降低的部分基本上得到补偿。若更精确的说，输出电压在下降

11、到本来应该达到的水平之前，就会产生阻止这一趋势的电压，于是输出电压仅仅呈现稍有下降而已。误差电压被压缩在一个很小的振幅范围内，其结果，基本上等于基准电压。如上所述，检测误差，让其自动减小的机理称为负反馈或负返回。 _ + VBE=0.60.7V 误差电压 + Vo - 解方程组 ： Vo= 如果增益A比1足够大，则Vo=A:误差放大器的增益图3 连续稳压器的原理图 稳压电源电路稳压电路是为了使整流滤波后的直流电压不随交流电网和负载的变化扰动而变化。本设计所采用的稳压电源电路原理图如图四所示，基准电压由6.2V的齐纳二极管D2与齐纳二极管D3串联得到，大约7V左右。使用两个二极管，是为了抑制由于

12、温度引起的基准电压的变化。为了使输出电压保持连续的变化，由可变电阻器进行基准电压的分压，因此实际的基准电压是Tr1的基极与GND之间的电压。两个PNP型晶体管2SA1015形成所谓的差动放大电路，该电路担当图三中比较器与误差放大器的一部分角色。通过差动放大电路检测，放大后的误差电压则通过2SC1815再一次被放大，施加在Tr4的基极上。图4 稳压电源电路图稳压器的输出电压如上面所说的那样被稳定化，但是在这个电路中，输出电压被R11和R12分压，因此与基准电压比较，输出电压为：Vo=2SD880的周围的4个二极管，起到保护2SD880的作用。3.4 齐纳二极管的选择稳压电源的输出电压以基准电压为

13、参考，因此基准电压应该经常保持一定的值。因此采用齐纳二极管来产生基准电压。 ID+ ID 1K VD _ ID=47mA K 齐纳 + 基准击穿电压 非稳定 二极管 VZ 电压 电源 A - VD 1013V _ 0 +0.6 +图五 二极管的电流-电压特性 图六 使用齐纳二极管的基准电压源 给二极管逆偏置电压（阴极相对与阳极其电压为正）时，流过二极管的电流基本上是零，若快速地提高逆偏置电压的值，如图五所示，在二极管中突然就有大的电流开始流动。这个现象称为击穿，对应电流开始流动时的电压称为击穿电压。二极管通常在击穿电压以下范围内使用，也有利用击穿状态的二极管，称为齐纳二极管。该击穿电压则称为齐

14、纳电压。齐纳电压在二极管的制造过程中可以控制，所以有从2V到数十V的各种击穿电压的齐纳二极管。图六利用齐纳二极管作基准电源。由于非稳定电源的电压比齐纳电压高，所以发生击穿，导致齐纳二极管阴极-阳极间的电压就等于齐纳电压。若非稳定电压源电压变动，则二极管的电流也变化，击穿状态下二极管的电压-电流特性曲线如五所示，它基本上是垂直的。所以二极管的阴极-阳极之间的电压（基准电压）能够维持基本上不变。3.5元器件的选择晶体管：晶体管产生的热（消耗的电能）为集电极-发射极之间电压与集电极电流IC的积，称为集电极损耗。在这个稳压电源中，输出引脚与0V（GND）引脚短路时有最大集电极电流（约0.4A）流过，这

15、时，集电极-发射极间的电压约10V，最大集电极损失为:PC=10V*0.4A=4W,也就是说，发出最大4W的的热量。若是小型的晶体管，这个热量会损坏元器件。而一些大功率晶体管中，例如2SD880允许的集电极损耗可达PC=30W。电阻：电路中除以外全部使用1/4W的碳膜电阻。中有大的电流流过，所以碳膜电阻不大合适，故使用1W的氧化金属膜电阻。电解电容器：按耐电压程度可分为6.3V,10V,16V,25V等等。电解电容器已经系列化。电容器的耐压值应该满足电路原理图中的标称值或更高的值。一般，耐压值定在电解电容器最大电压的1.5倍比较合适。4 直流稳压电源的电路制作4.1 软件仿真Multisim软

16、件是加拿大图像交互技术公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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。使用者可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样使用者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，使用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。根据直流稳压电源的电路原理图利用Multisim软件对电路进行仿

17、真，测试电路是否可行。打开Multisim软件创建circuit文件，在其中绘制电路原理图，启动开关，在相应的模拟电压表上观察输出电压是否满足要求。通过观察模拟电压表，可测得以下数据: 最小电压值 最大电压值由仿真结果可以看出，所设计的直流稳压电源的输出范围是332.152mV-8.357V,并且电压值连续可调该设计方案可行并基本实现设计要求，故可以根据此原理图进行硬件电路的制作。4.2 硬件制作 电路板的制作Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计，到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Pr

18、otel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB板设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。而本次设计仅用到原理图设计与PCB板设计这两部分模块。当一个电路设计好后，通过Protel99SE仿真软件画出原理图和PCB图，然后在转印到板子上，把元器件焊接板子上，焊接完后就可以把理论上的整机电路变为实际

19、的整机电路。具体步骤如下：（1）打开Protel 99 SE软件，在file的目录下新建.ddb文件，在Documents文件夹中新建.SCH文件，在BROWSE的目录下找ADD点击添加元件库，就会出现一对话框，选择浏览，在PCB库中找自己需要的元件库，然后点击该元件库，点击添加就可以了。添加元件库后，在该元件库中寻找自己需要的元器件。把自己需要的元器件找出来后，打开了绘制原理图页面，在PLACE的目录下找wire连线工具，把各个元器件按照电路图连接起来，这样就生成了电路原理图（附件一）。（2）在Protel 99 SE中画出电路原理图后，要画出电路实物布线图。实物布线图应注意合理调整元器件的

20、位置，遵循“就近及合理布局”的原则，经调试和修改后，确认该电路无误后，在Protel 99 SE中进行封装后，再导入网络表，对各元件进行合理的布局，设置布线层，并设置各个参数（线不小于0.5mm，焊盘不小于2mm，钻孔可以默认，拐角设置为45），再进行手工布线生成PCB板图（附件二）。在加载网络表时，由于封装库里缺少部分对应的元器件封装，显示找不到封装，无法加载原理图。关于元件的封装问题，可以通过查阅资料或者在封装库里查找相应的封装方法，自己创建的元件需自己创建封装库。编辑原理图的同时把元件的封装添加进去，便于网络表的生成。（3）打开已经编辑好的PCB文件，执行菜单命令FilePrinterP

21、review,系统自动生成此PCB文件的打印输出预览文件，再用鼠标单击Design Manager（设计管理器）中打印机命令，目录名Multilayer Composite Print( 多层叠加打印)前的加号，出现许多层名，用鼠标指向某一层名按下鼠标右键，或先用鼠标选中某一层名再按下鼠标右键，单击Delete菜单项，系统出现“删除打印层确认”对话框，单击OK按钮，此信号层在多层叠加打印中消失，用此方法可以去掉不需要打印的层，而只剩下需要打印的层。至此就可以打印自己所需的PCB图。（4）根据PCB图的大小选择适当的电路板，对其表面用去污粉进行处理，把打印好的PCB图贴在电路板上，用热转印机把P

22、CB图印制到电路板上，转印温度在110左右，在此要注意板子的尺寸一定要适应打印纸的尺寸，这样易于印制。（5）把印制好的电路板经热转印机印制好，待冷却后，用三氯化铁加适量的水对其进行腐蚀。等到腐蚀完后，用清水和去污粉对其清洗，直至黑墨去尽，擦干以后打孔。腐蚀过的铜箔容易氧化，影响焊接，腐蚀后应尽快涂助焊剂。 电路板的焊接焊接工艺，这是电路板制作的基本功。焊接的好坏直接关系到电子产品或制作的质量。为了确保制品受到振动或冲击时不脱落松动，要求焊点一定要有良好的机械强度，为了确保良好的导电性能，要求焊点无虚焊、焊接要可靠，为了确保焊点的形状表面圆而光滑、清洁、无毛刺，要求用好的焊锡、松香和烙铁。在焊接

23、过程中一定要控制时间，要避免因加热时间过长而烧坏元件。 要熟悉所焊印制电路板的装配图，并按图纸配料检查元器件型号、规格及数量是否符合图纸上的要求。元器件的装焊顺序依次是电阻器、二极管、集成电路，其它元器件是先小后大。整个电路一定要按单元电路来一个模块，一个模块焊接，一般在最先一定要先焊电源部分确保它的有用。然后再根据原理图一个模块，一个模块焊接，在焊完一个单元电路是一定要对它进行通电测试，测试要有用为止，否则一定不要在焊其他单元路，这样可以避免在所有单元电路焊完后组成一个整机电路出现大面积故障而造成排岔故障的难度。在焊接过程中，要注意以下几方面：1）焊接元器件之前要先用小刀将焊盘处理一下，否则

24、焊接时可能出现焊盘不粘焊锡的情况。2）焊接前要根据印制板的实际情况，细心、正确设计布线，必要时可割断固有印刷导线或增加外接线，并尽量避免多次改焊，以免铜箔跷起或元器件过热而损坏。3）在焊接过程中，应避免虚焊，否则易造成电路不通。4.3 电路的调试与结果电源的电路与布线错误可能会导致重大事故，因此要对一直做好的电路进行认真检查，确认无误后，才可通电调试。将通过变压器，整流滤波电路的输出端接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端与万用表连接，并万用表设置到电压档。上电，旋转可变电阻器，观察电压的变化。通过调节可变电阻器改变输出电压，可测得在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%20%条件下输

25、出电压范围为0.64-10.00V,最大输出电流为395mA，最大输出功率为3.95W，纹波电压0.1mV，根据所测数据结果计算负载调整率为1.5%，已基本完成本设计的设计要求。5 结论经过这段时间的共同努力，一个实用的连续可调的直流稳压电源已制作完毕。在这几个月的时间里，我学到了很多以前没有学到的东西。在老师的细心教导下，我还学会了使用Protel 99 SE软件设计原理图和PCB图，掌握了手工制作电路板的过程。从元器件的选择，封装，到电路板的热转印、腐蚀、打孔、焊接等过程都需要认真细心的态度，不可有半点疏忽，否则会直接影响到调试过程的进行。从技术指标来看，已基本达到了设计的技术要求。当然，

26、由于技术、设备、时间等因素的限制，本次设计还不是很完美，如硬件的线性度还不是很好。但是我从中获得了很多经验：不仅学到了电子方面的知识，也掌握了许多学习的方法；对课题设计的一般过程有了进一步的了解；进一步巩固和拓展了我的专业知识。 做一个课题并不只是单方面的知识，而是各种知识的综合应用。“书到用时方恨少” ，只有不断的进行自我充电，不断学习，才能适应社会，才能跟上时代前进的步伐。通过这次综合设计，锻炼了我的动手实践能力，加强了我对直流稳压电源各个功能的了解，深刻地理解了Protel 99 SE的优越性，为今后从事电子线路设计等硬件领域的工作打下一定的基础。6 致谢本文的选题、设计和开发工作都是在

27、指导老师刘付斌指导和关怀下完成的，刘老师不仅给我提出了修改意见，还帮助我对其加以修改和完善。正是刘老师悉心的指导和帮助我才能顺利地完成我的毕业设计，我在此期间所取得的每一点进步都与刘老师的关心指导密不可分。在此我向刘老师表示深深的敬意和衷心的感谢！另外,还我要特别感谢我身边的同学们在设计过程中提出的问题与建议,并给予我莫大帮助和支持！再次感谢各位老师和同学们的帮助！参考文献1 2 刘秋艳，刘景文，胥宝萍，任志娟.Protel 99 SE电路设计.中国铁道出版社，2005.3 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（M）.北京:高等教育出版社，2001.4 第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北

28、京：北京理工大学出版社中，1997.57 黄妙燕.8 赵学泉, 张国华. 电源电路M.北京: 电子工业出版社, 1995.The Design of Direct Current Voltage-stabilizing CircuitFu Hui-hui（School of Physics and Electrical Engineering, Anyang Normal University, Anyang, Henan 455002）Abstract: In recent years, with the development of electronic technology, the d

29、irect voltage-stabilized source has becomed one of electronic technology commonly equipments, widespread application in domains and such as teaching, scientific research. The design of direct voltage-stabilized source, is according to the performance index requests such as voltage-stabilized source output current Io, the output ripple voltage Uop-p and so on.Make sure of the transformer, int