小功率串联型直流稳压电源的设计

随着社会的快速发展，尤其在这信息化时代，伴随着各种不同电子产品以及生活必须品的诞生，例如笔记本、冰箱、手机、电灯等，不同的电子产品对电压、电流的要求各不相同，因此根据终端电子产品的所需，通常在线路里安装不同类型的的稳压电源，自然就可以达到各种设备所需的的不同的稳压电源。常用的有直流稳压电源、交流稳压电源、并联稳压电源、串联稳压电源。

稳压电源的设计线路中经常涉及到的主要的电子元件有电阻、电容、变压器、电感、二级管、三级管、场效应管、集成电路等。当线路中的电压上下波动时，稳压器会起到稳定电压的作用，同时对于过压、欠压、短路超负何等情况也有保护作用。

生活中最常见到的是串联型稳压器，由于串联型稳压电路在经过整流滤波后的电压不稳，尤其在电压或负载发生变化时，电压都会随着改变，所以在串联型稳压电源设计的过程中，经过整流滤波后通过稳压电源输出的电压才会稳定不变。串联型稳压电源的设计是由变压器、整流滤波、稳压电路、保护电路四个环节组成。一般的稳压电源都是用220V的电作为电源，经过变压整流滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。

而并联型稳压电源会在线路中发生负何过大或者短路时都可起到保护作用，只是在负何较少的情况下，大部分的电能都费在了限流电阻和调整管上，比较浪费，值得注意的是，使用并联型稳压电源的线路中，功率不能太大，而且电压也不能太大，对于以上不可避免的缺点，现实生活中通常还是采用串联型稳压电源的比较多。所以并联稳压电源通常适合于对电源要求很高的电声设备。

直流稳压电源的设计通常都是由降压、整流、滤波、稳压这四个环节构成的。而其中的变压器起到把电网220V的交流电变成整流电路我需在的电压，即第二步中所需的，然后整 流电路再将交流电转换成单方脉动的直流电，通过滤波电路，最后经过稳压器，输出所需的稳定电压。

交流稳压电源的设计则是通过变压、整流、滤波、稳压四个步骤，着先是将220 V交流电转换成整流过程中所需符合的交流电压，通过整流这一过程变换成脉动直流电，经过滤波输出平滑的直流电压，最后通过变压器，输出的才是不随交流电压的负载增减变化的稳定电压。

1.1课题名称：串联型直流稳压电源

1.2设计目的和要求：设计并制作用晶体管、集成运算放大器电阻、电阻器、电容组成的串联型直流稳压电源。

指标：1、输入电压：220V,50Hz交流电；

2、输出电压：9V以下直流电压；

3、输出电流：最大电流为1A；

4、保护电路：过流保护、短路保护。

2.系统总体方案

图1系统总体电路图

3.各部分功能模块介绍（功能描述）

3.1主要原器件介绍

（1）变压器的设计和选择

本次课程设计的要求是输出为3V-6V、6V-9V、9V-12V的稳压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由 ， 为饱和管压降，而 =12V为输出最大电压， =3V为最小的输入电压，以饱和管压降 =3V计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于15V，为保险起见，可以选择220V-15V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该为1A×15V=15w，所以变压器的功率绝对不能低于15w，由于串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-15V，额定功率20W，额定电流2A的变压器。

（2）整流电路的设计及整流二极管的选择

由于输出电流最大只要求1A，电流比较低，所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路，由4个串并联的二极管组成，具体电路如图3所示。

图2单相桥式整流电路

二极管的选择：当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为 ：

= = =0.9

其中 为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得 =17v。

对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为 ，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是 ，即为42.42v

考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到实际的 应该大于22.1V，最大反向电压应该大于55.2V。在输出电流最大为1A的情况下我们可以选择额定电流为2A，反向耐压为1000V的二极管IN4007.

（3）滤波电容的选择

当滤波电容 偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而 偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V，当输出电流为1A时，我们可以求得电路的负载为18Ω时，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=(3～5)

来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50HZ的情况下， T为20ms则电容的取值范围为1667-2750uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝点解电容。

另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个50uF的陶瓷电容来作为高频滤波电容。

（4）稳压电路的设计

稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到1A，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于1A，又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13V，最小功率应该达到 =6.5W。我们可以选择适合这些参数最大功率为60W,最大电流超过6A，所能承受的最大管压降为100V。基准电路由3V的稳压管和10KΩ的保护电阻组成。由于输出电压要求为3V-6V、6V-9V和9V-12V，因此采样电路的采样电阻应该可调，则采样电路由一个电阻和三个可调电阻组成，根据公式：

求出。其中 为输入端的电阻， 为输出端与共地端之间的电阻 ， 为稳压管的稳压值。.所以根据此公式可求的电路的输出电压为3V-12V。可以输出3V-12V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于AD704JN的工作电压为正负12V-正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个5uf电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，

3.2工作原理介绍

一、电路原理：该电路由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，原理图如左。电网供给交流电压（220v，50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉冲电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，得到比较平直的直流电压ui。最后采用稳压电路，以保证输出稳定的直流电压。

二、电路原理方框图：

三、原理说明：

（1） 单相桥式整流电路可以将单相交流电变换为直流电；

（2） 整流后的电压脉动较大，需要滤波后变为交流分量较小的直流电压用来供电；

（3） 滤波后的输出电压容易随电网电压和负载的变化波动不利于设备的稳定运行；

（4） 将输出电压经过稳压电路后输出电压不会随电网和负载的变化而变化从而提高设备的稳定性和可靠性，保障设备的正常使用；

（5） 关于输出电压在不同档位之间的变换，可以将稳压电源的电压设置为标准电压再对其进行变换，电压在档位间的调节可以通过调节电位器来进行调节，从而实现对输出电压的调节。

3.3稳压电路方案选择

方案一：此方案以稳压管D1的电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当电网电压波动引起R2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由 可知 将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。负电源部分与正电源相对称，原理一样。

图3 方案一稳压部分电路

方案二：该方案稳压电路部分如图2所示，稳压部分由调整管（Q1、Q2组成的复合管），比较电路（集成运放U2A），基准电压电路（稳压管D1 BZV55-B3V0），采样电路组成（采样电路由R2、R3、R4、R5组成）。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。

图4

对以上两个方案进行比较，可以发发现第一个方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流不大，而第二个方案使用了集成运放和调整管作为稳压电路，输出电压可以通过开关J1在3-6V、6-9V、9-12V之间调节，功率也较高，可以输出较大的电流。稳定效果也比第一个方案要好，所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。

3.4元器件清单

名称及标号 型号及大小 数量

变压器 220V-9V 1个

极性电容 200uF 1个

普通电容 0.01uF 1个

0.33uF 1个

电阻 30 1个

510 2个

620Ω 1个

1k 1个

1.5k 1个

2.7k 1个

可变电阻 200 1个

1k 1个

稳压管 IN4735 1个

桥式整流二极管 2N4922 1 个

保护三极管 3DG6 2个

3DG12 1个

4.功能测试

一、仿真图

二、仿真结果

直流电压的输出波形如图8所示：

（仿真结果一）Rpa=30℅,Rpb=30℅

(仿真结果二) Rpa=30℅,Rpb=65℅

参考文献：

《模拟电子技术基础》（第四版）

《电子技术实践教程》 翁飞兵、陈棣湘主编

《电子实验与电子实践》刘荣林主编

5.心得体会

通过两个星期的课程设计，我对电子工艺的理论有了更深的了解。其中包括焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作、稳压电源的工作原理等等。这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力。通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工作的能力。最主要的是收获颇丰，我基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接基本熟悉了电子产品的安装工艺的生产流程，了解了电子产品的焊接、调试与维修方法；其次我更加熟悉了有关软件EWB、AD6的使用，能够熟练的使用普通万用表。最重要的，我熟悉了常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查找资料，查阅有关的电子器件图书等了。

另外在这次设计中，我也遇到了不少的问题，幸运的是，最终一一解决了遇到的问题。在我们遇到不懂的问题时，利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息及和队友之间相互讨论显得尤其重要了，我明白了团队合作的重要性。这次的制作也让我们感受到，我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。

最后，在此感谢我们的邓鹏和袁氢老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；有了您的帮助我才顺利的完成了这次课程设计。

你还要提供些必要的信息，例如：输入的性质是交流220Vac呢？还是直流24Vdc呢？还是别的情况 ？输入电压要高到什么程度才算是“过压”？输出电流限制在多大？电压调节是连续可调呢还是只有9V、12V两种电压切换？

用一只220Vac输入，13Vac输出的变压器把220Vac降压到13Vac，经桥式整流后滤波，用一片可调线性稳压器LM317即可实现9V~12V连续可调直流电压输出。如下图——

此电路的输出电压Vo=Vref(1+R2/R1)+Iadj×R2，其中电流Iadj数值很小（几十微安），一般可以忽略不计，按Vo=Vref(1+R2/R1)计算输出电压即可。

图中R1为固定电阻，R2为可变电阻（电位器），Ci和Co分别是连接在LM317输入端和输出端和地线之间的滤波电容，如果输出电流不是很大，取100μF左右即可。

二、设计任务及要求. 1

三、设计步骤. 1

四、总体设计思路. 2

五、实验设备及元器件. 5

六、测试要求. 5

七、设计报告要求. 6

八、注意事项. 6

直流稳压电源的设计

一、设计目的

1．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

2．学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

3．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

二、设计任务及要求

1．设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：

① 输出电压可调：Uo=+3V～+9V

② 最大输出电流：Iomax=800mA

③ 输出电压变化量：ΔUo≤15mV

④ 稳压系数：SV≤0.003

2．设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。

3．自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。

4.批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。

三、设计步骤

1．电路图设计

（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。

2．电路安装、调试

（1）为提高学生的动手能力，学生自行设计印刷电路板，并焊接。

（2）在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。

（3）重点测试稳压电路的稳压系数。

（4）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。

四、总体设计思路

1．直流稳压电源设计思路

（1）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。

（2）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）。

（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。

2．直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。

图1直流稳压电源方框图

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：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。

图2整流电路

图3输出波形图

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 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (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与负载电阻串联，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：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流输出电流： （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。

总体原理电路见图4。

图4 稳压电路原理图

3．设计方法简介

（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流 为1.5A。稳压内部含有过流、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。LM317系列和lM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4和图5.

图4管 脚图 图5典型电路

输出电压表达式为:

式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 ，此电压加于给定电阻 两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 ，电阻 常取值 ， 一般使用精密电位器，与其并联的电容器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。

LM317其特性参数：

输出电压可调范围：1.2V～37V

输出负载电流：1.5A

输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40V

能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

（2）选择电源变压器

1）确定副边电压U2:

根据性能指标要求：Uomin=3V Uomax=9V

又 ∵ Ui-Uomax≥(Ui-Uo)min Ui-Uoin≤(Ui-Uo)max

其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V

∴ 12V≤Ui≤43V

此范围中可任选 ：Ui=14V=Uo1

根据 Uo1=(1.1～1.2)U2

可得变压的副边电压：

2）确定变压器副边电流I2

∵ Io1=Io

又副边电流I2=(1.5～2)IO1 取IO=IOmax=800mA

则I2=1.5＊0.8A=1.2A

3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：Po>I2U2=14.4W

（3）选择整流电路中的二极管

∵ 变压器的副边电压U2=12V

∴ 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：

桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：

查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V>17V

最大整流电流IF=1A>0.4A

（4）滤波电路中滤波电容的选择

滤波电容的大小可用式 求得。

1）求ΔUi:

根据稳压电路的的稳压系数的定义：

设计要求ΔUo≤15mV ，SV≤0.003

Uo=+3V～+9V

Ui=14V

代入上式，则可求得ΔUi

2）滤波电容C

设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S

则可求得C。

电路中滤波电容承受的最高电压为 ，所以所选电容器的耐压应大于17V。

注意： 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

五、实验设备及元器件

1.万用表 2.示波器

3.交流毫伏表 4.三端可调的稳压器 LM317一片

六、测试要求

1．测试并记录电路中各环节的输出波形。

2．测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。

3．测量输出电阻Ro。

4．测量稳压系数。

用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV.（注意： 用调压器使220V交流改变±10％。即ΔUi=44V）

5．用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。

6．分析测量结果，并讨论提出改进意见。

七、设计报告要求

1．设计目的。

2．设计指标。

3．总体设计框图，并说明每个模块所实现的功能。

4．功能模块，可有多个方案，并进行方案论证与比较，要有详细的原理说明。

5．总电路图设计，有原理说明。

6．实现仪器，工具。

7．分析测量结果，并讨论提出改进意见。

8．总结：遇到的问题和解决办法、体会、意见、建议等。

八、注意事项

1．焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。

2．测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。

3．注意LM317芯片的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性，不应反接。

4. 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。