多路输出直流稳压电源课程设计.docx

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多路输出直流稳压电源课程设计

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

多路输出直流稳压电源的设计仿真与实现

初始条件：

可选元件：

变压器/15W/±12V；整流二极管或整流桥若干，电容、电阻、电位器若干；根据需要选择若干三端集成稳压器；交流电源220V，或自选元器件。

可用仪器：

示波器，万用表，毫伏表等

要求完成的主要任务:

（1）设计任务

根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。

（2）设计要求

要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源

输出：

±12V/1A，±5V/1A，一组可调正电压+3~+18V/1A。

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Proteus画电路原理图并实现仿真）

安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排：

1、2011年1月3日至2011年1月7日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。

2、2011年1月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

引言

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。

大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。

当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。

超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。

通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。

袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。

不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。

可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。

由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。

提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。

直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。

稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。

1.绪论

很多电子设备，家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗、便携式的一起设备选用干电池供电外，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，因此需要把交流电变换成直流电。

1例如在我们学习的大多数集成运算放大器都需要加规定的直流偏置才能正常工作。

所以直流稳压电源对于我们的模电课程学习来说十分重要，一个稳定可靠的直流稳压电源是今后我们学习、设计其他电路的保证。

但是不同的电路对于直流电压值有着不同的需求，常见的有±12V、±5V等等不同的需求。

为了达到巩固课程知识目的的同时，能够做到学以致用，制作一些对于今后有实际意义的电路，我们选择±12V、±5V以及3—18V五组参数作为设计的电压输出参数值。

此次所要设计的电源要求的输出功率较小，为了简化电路并提高电路的稳定性，因此选择集成稳压器的设计思路。

三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器。

它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共3个引出端，使用非常方便。

因其内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，可靠性高。

又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。

其代表产品有78xx正电压输出系列、79xx负电压输出系列。

可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，这种集成稳压器，在集成芯片的内部，输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。

典型可调输出集成稳压器芯片,正电源系列有LM117/217/317，负电源系列有LM137/237/337。

本设计中根据任务需要选择五种集成稳压器芯片：

LM7812、LM7805、LM7912、LM7905、LM317。

2课程设计内容及要求

2.1设计的初始条件及主要任务

2.1.1设计的初始条件

可选元件：

变压器/15W/±12V；整流二极管或整流桥若干，电容、电阻、电位器若干；根据需要选择若干三端集成稳压器；交流电源220V，或自备元器件。

可用仪器：

示波器，万用表，毫伏表

2.1.2设计任务要求

要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源。

输出：

±12V/1A，±5V/1A，一组可调正电压+3~+18V/1A。

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Proteus画电路原理图并实现仿真）

安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

2.2设计思路

本设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、电源指示五个部分。

变压电路：

将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。

整流电路：

将交流电压变成脉动的直流电压。

滤波电路：

由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。

稳压电路：

在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。

电源指示；显示当前的电路通断情况，方便了解电源当前的工作状况。

3设计原理

3.1电源变压器

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，它利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号。

当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级。

在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。

当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当N2

变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率。

当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率η等于100%，变压器将不产生任何损耗，但实际上这种变压器是没有的，变压器传输电能时总要产生损耗。

变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。

反之，功率越小，效率也就越低。

3.2整流电路

把交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样，这次电路设计采用单项桥式整流电路。

单相桥式整流电路如下图1（a）所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。

为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

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1（a）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1（a）中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如右图2。

由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。

桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的额定电流为2A，最大反向电压为25V～1000V。

故单相桥式整流电路常画成图1（b）所示的简化形式。

（a）（b）

图1

3.3滤波电路

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

常用的结构如下图1所示。

C型滤波电路倒L型滤波电路Ⅱ型滤波电路

图3

由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。

滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面，如图3中的（a）、（c））和电感输入式（电感器L接在最前面，如图1中的（b））。

前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。

这次电路设计中采用C型滤波电路。

下图4为单相桥式整流、电容滤波电路。

在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vC对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。

图4

负载RL未接入（开关S断开）时的情况：

设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为

其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。

由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值

，极性如图XX_01所示。

由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压vC）保持在

，输出为一个恒定的直流，如图5中ωt<0（即纵坐标左边）部分所示

图5

接入负载RL（开关S合上）的情况：

设变压器副边电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时v2

因td一般较大，故电容两端的电压vC按指数规律慢慢下降，其输出电压vL=vC，如图2的ab段所示。

与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。

当v2>vC时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电（接入负载时的充电时间常数tc=（RL||Rint）C≈RintC很小），vC将如图2中的bc段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。

vC随着交流电压v2升高到接近最大值

。

然后，v2又按正弦规律下降。

当v2

电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图2所示的一个近似锯齿波的电压vL=vC，使负载电压的波动大为减小。

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

3.4稳压电路

滤波以后虽然纹波因数大大减小,但输出电压还不够稳定,主要是当负载电流或电网波动时,输出电压会随之发生变化，为此还需要加稳压措施。

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。

稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成，采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用三端稳压器。

目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。

由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。

这类集成稳压器的外形图如图6所示。

78××系列输出为正电压，输出电流可达1A，如78L××系列和78M××系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。

它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。

和78××系列对应的有79××系列，它输出为负电压，如79M12表示输出电压为–12V和输出电流为0.5A。

图6

LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，不过它只能允许可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；LM337输出为负的可调电压。

采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装，正输出可调集成稳压器的输出电压范围为：

1.2~3.7V，输出电流可调范围为：

0.1~1.5A。

图7（a）是应用78L××输出固定电压VO的典型电路图。

正常工作时，输入、输出电压差应大于2～3V。

电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。

C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。

图7（b）是扩大78L××输出电流的电路，并具有过流保护功能。

电路中加入了功率三极管T1，向输出端提供额外的电流IO1，使输出电流IO增加为IO=IO1+IO2。

其工作原理为：

在电路中存在关系式VBE1=VR1=VCE3。

正常工作时，T2、T3截止，电阻R1上的电流产生压降使T1导通，使输出电流增加。

若IO过流（即超过某个限额），则IO1也增加，电流检测电阻R3上压降增大使T3导通，导致T2趋于饱和，使T1管基-射间电压VBE1降低，限制了功率管T1的电流IC1，保护功率管不致因过流而损坏。

（a）三端稳压器的典型接法

（b）带过流保护的扩流电路

图8所示为三端可调式稳压器的典型应用电路，由LM117和LM137组成正、负输出电压可调的稳压器。

为保证空载情况下输出电压稳定，R1和R'1不宜高于240W，典型值为（120～240）W。

电路中的V31（或V21）=VREF=1.2V，R2和R'2的大小根据输出电压调节范围确定。

该电路输入电压VI分别为±25V，则输出电压可调范围为±（1.2～20）V。

图8

3.5电源指示

发光二极管具有工作电压很低；工作电流很小，可靠性高，寿命长。

由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

4因此，我们电源指示部分将使用发光二极管来实现。

通过给它串联不同的分压电阻并联在变压器输出端以及各路稳压电路的输出端以显示其工作状况。

4电路元件选择

4.1集成稳压器的选择：

4.1.1输出电压固定的集成稳压器的选择

输出电压固定的集成稳压器有正电源LM7800系列稳压器和负电源LM7900系列稳压器。

按LM7800系列输出电压可分为7805（+5V）、7806（+6V）、7809（+9V）、7812（+12V）、7815（+15V）、7818（+18V）、7824（+24V）;按输出电流可分为78Lxx表示输出电流100mA、78Mxx表示输出电流500mA、78xx表示输出电流1.5A。

负向集成稳压器与正向类似。

5

由于此次要输出得电压为±12V、±5V，电流要求均为1A，固选择的芯片为LM7805、LM7812、LM7905、LM7912。

4.1.2输出电压可调的集成稳压器的选择

可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，这种集成稳压器，在集成芯片的内部，输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。

正电源系列的基准电压为1.25V，可在1.25V~37V之间连续可调。

其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路，使用安全可靠，性能比LM7800系列性能更加，而且它的输出电压输出电流均符合要求，所以此次的可调集成稳压器选择LM317。

4.2电源变压器的选择

此次电源变压器选取了双15V/20W的变压器

4.3集成整流桥及滤波电容的选择

由于Urm=1.414×24=33.936V，I=1A，额定工作电流ID=1A，所以集成整流桥芯片选择KBP307。

I=1A。

T=0.02s,电路中滤波电容承受的最高电压时1.414×24=33.936V所以选择电容的耐压值应该大于34V，所以在可调电压部分选择和固定电压部分都应选择适合的电容

因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。

所以稳压器的输入端并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波，抑制高频干扰。

固在稳压芯片前并入电容，在其后并入电容。

为了更好的消除纹波，在输出端前再并入电解电容。

5整体电路图

6．选用仪器清单及其型号

名称

型号

数量

备注

变压器

/20W/±15V

1

二极管

1N4007

5

整流桥

1

电容

330uf

2

0.1uf

4

电解电容

50V/4700uF

2

16V/220uF

2

50V/1000uF

5

50V/47uF

1

稳压集成器

Lm317

1

7805和7905

各1

7812和7912

各1

电阻

240Ω和330Ω

各1

电位器

5kΩ

1

散热片

5

导热膏

1

7.电路模拟与仿真

7.1Proteus简介

7.1.1Proteus软件简介

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。

Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。

此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。

Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。

一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。

以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。

在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。

7.1.2基本操作步骤

1.打开PROTEUS操作界面。

2.选择“P”，从元件库中提取需要的元器件（选中双击），选择完点OK。

3.在编辑区画电路图,修改元件参数。

4进行电路仿真。

7.2ProteusISIS原理图设计

1新建设计文件

2设定图纸的大小

3添加元件

4摆放元件

5放置电源、地

6布线

7设置、修改元件属性

8建立网络表

9电气检测

10存盘及输出报表

7.3仿真过程及记录

利用ProteusVSM虚拟系统模型进行虚拟仿真和图形分析。

1.添加220V/50Hz交流电源，执行菜单命令“Library”“PickDevice”，在弹出的对话框中查找“ALTERNATOR”，并设置参数。

2.在工具箱中单击“虚拟仪器”按钮，在弹出的“Instruments”窗口中选择“DCVOLTMETER（直流电压表）”，测量输出端的电压。

利用仿真旋钮进行仿真，仿真结果如下图所示：

（a）3~18V的最高电压

（b）3~18V的最低电压

（c）±5V输出端的示数

（d）±12V输出端的示数

图1

2.在工具箱中单击“虚拟仪器”按钮，在弹出的“Instruments”窗口中选择“OSCILLOSCOPE（示波器）”，用来观察电路的输出波形，利用仿真旋钮进行仿真。

A.整流波形：

图2整流波形

B.滤波波形：

图3滤波波形

C.±12V输出波形：

图4±12V输出波形

D.±5V输出波形：

图5±5V输出波形

E.3~18V的输出波形如下图所示：

图63~18V的输出波形如下图所示

7.4仿真结果分析

7.4.1参数测试分析

由直流电压表的示数可知：

可调输出端的输出电压最低为2.99V，最高为18.0V，可以输出3~18V的电压，符合要求；

±5V输出端的输出电压分别为+5.01V、-5.02V,符合要求；

±12V输出端的输出电压分别为+12.0V、-12.0V，符合要求。

7.4.2波形分析

由示波器的输出波形可知：

±5V和±12V输出端的输出电压比较稳定，3~18V输出端的输出电压也相对较稳定，他们均接近于直线。

图片可能无法显示出真实情况，在电脑上测试时，波形还是有小量的纹波。

而整流波形和滤波波形也与理论波形相近

8.电路实物的安装与调试

8.1电路安装

1按照元件清单购买电路所需元件以及电路板、焊锡丝、插头、导线等。

2将所有元件安装在电路板上，调整整体布局。

3按照规划好的布局焊接元件。

先焊电阻、二极管和电位器，接着是电容，最后是稳压集成器，先将稳压集成器和散热片固定在一起再焊接在电路板上。

4按照电路图布线。

5将变压器接入电路，并将变压器和插头连接在一起

实物图：

8.2电路调试

1检查电路是否连接正确，是否有短路、断路现象。

2在地线中接入一个保险丝，防止电路有问题而损坏变压器。

3连接电源，在确认电路没有问题（电容不发热、保险丝没有断等）后，用万用表测量输出端的输出电压。

8.3参数测量

（1）+5V输出端测量：

5.06V

（2）-5V输出端：

-5.02V（3）+12V输出端：

11.88V

（4）-12V输出端：

-11.96V

（5）3~18V输出端：

最低为3.0V,最高为18.0V。

9.设计小结

9.1各参数分析

±5V输出端实际输出为5.06V