直流稳压电源设计方案.docx
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直流稳压电源设计方案
电路设计方案
第一章绪论
直流稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组成。
变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
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链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。
如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着头脑，不知道从哪里入手。
其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系，只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。
直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：
一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。
并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。
而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。
第二章系统设计方案论证及分析
2.1概述
晶体管串联型直流稳压电源电路主要元件包括：
晶体三极管、限流电阻、稳压二极管、以及滤波电容。
令限流电阻与稳压二极管串联，并在电源与地之间，便可在稳压二极管上得到稳定的电压，之后由NPN型三极管射极输出、集极接电源输入，稳压二极管接基极、由于发射极与基极PN结间电压固定，因此电路的输出电压等于稳压二极管的电压与PN结电压之和。
2.2设计指标
1、学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。
2、掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。
3、通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：
（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；
（2）掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。
（3）通过电路的设计可以加深对该课程知识的理解以及对知识的综合运用。
2.3设计任务
①输入电源：
单相（AC），220V±10%，50HZ±5%；
②输出电压：
DC：
+3～+12V，连续可调；
③输出电流：
DC：
0～800mA；
④负载效应：
≤5%；
⑤输出纹波噪声电压：
≤10mV（有效值）；
⑥保护性能：
超出最大输出电流20%时立即过流保护；
⑦适应环境：
温度：
0~40℃，湿度：
20%~90%RH；
⑧PCB尺寸：
不大于120mm*90mm。
。
2.4设计要求
直流稳压电源的基本要求：
（1）合理的选择电源变压器；
（2）合理选择集成稳压器；
（3）完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、安装调试、绘制电路图；
（4）撰写设计使用说明书。
（5）稳压电源 在输入电压为220Ｖ，50Hz.电压变化范围为-10%～+10%条件下：
a.输出直流电压为1.26V～12V,+12V,+9V,+5V,-5V；
b. 最大输出电流为:
Iomax＝500mA；
c. 纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）；
d. 具有过流保护及短路保护功能；
e.画出总体设计框图，以说明直流稳压电源有哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间的联系、变化，并以文字对原理作辅助说明。
设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
选择合适的元器件，接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
在验证各个功能模块基础上，对整个电路
的元器件和布线，进行合理布局，进行直流稳压电源整个电路的调试。
2.5设计方案论证
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2.1所示。
（a）
U1U2UiUI1UI2
图2.1（a）、（b）稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
2.6电路原理分析
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流、滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2.2所示。
各部分的作用：
图2.2基本框图
（1）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U2。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。
（2）整流滤波电路：
整流电路将交流电压U1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U0。
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2.3所示。
图2.3桥式整流
整流桥将交流电压U2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C滤波纹波，输出直流电压U0。
U0与交流电压输出U2的有效值u2的关系为
U0=（1.1-1.2）u2
每只整流二极管承受的最大的方向电压Vrm=
u2
通过每只二极管的平均电流I=0.5Ir=0.45u2/R
式中,R为整流电路的负载电阻.它为电容C提供放电回路,RC放电时间常数应满足RLC≥（3-5）T/2
式中,T为50HZ交流电压的周期,即20ms.
（3）电压输出稳压器
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能稳定、结构简单等优点。
2.7直流稳压电源的参数设计方法
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流桥和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
直流稳压电源的参数设计可以分为以下三个步骤：
根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。
根据稳压器的输入电压
，确定电源变压器副边电压U2的有效值u2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。
然后根据所确定的参数，选择电源变压器。
确定整流桥的正向平均电流ID、整流桥的最大反向电压
和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数，选择整流桥和滤波电容。
设计参数如下：
1 选择成稳压器
稳压管：
D6=8.2V.
⑵选择电源变压器
次级线圈的电压：
（以~220输入，输出500mA为准,整流部分二极管的压降为3V，三极管的压降为3V,输出电压为15V）V3=2+3+15=20VV2’=V3/1.2=16.67V次级线圈的电压：
V2=V2’/0.9=18.5V
（3）用整流桥和滤波电容
整流部分：
二极管的选择：
耐压u=20.35×2≈30V
电流Imax=0.5Imax=1A功率选材：
4001
滤波电容：
RC>（3~5）T/2=（3~5）×0.01
C>0.05/R=0.05/12≈4200uF（其中R=6/0.5=12欧）
耐压u=20.35×1.414≈30V
选材：
3300uF/50V
第三章单元电路的设计
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。
本次课程设计的稳压源是小功率稳压源，它由电源变压器，整流，滤波和稳压电路等四部分组成。
各部分的介绍如下：
3.1电源变压器
电源变压器的作用是将交流电网220V的交流电压变换为所需的交流电压。
变压器的副边与原边的功率比定义为变压器的效率。
3.2整流电路
整流电路的任务是将交流电变为直流电，完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波，全波，桥式和被压整流电路。
本设计中采用的是单相桥式整流电路。
在桥式整流电路中，二极管D1，D3和D2，D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为:
（3-2-1）
每只整流二极管承受的最大反向电压为：
（3-2-2）
一般电网电压波动范围为±10%。
实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应留有大于10%的余量。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，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。
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。
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和电感输入式。
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。
所以本设计中采用电容输入式滤波电路。
在表达式（3-2-2）中电阻R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应满足
RC>（3～5）Tˊ/2（3-3-1）
式中Tˊ为50HZ交流电压的周期，及20ms。
3.4稳压电路
1.稳压原理。
利用稳压二极管的反向击穿特性。
由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。
VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓
2.串联稳压电源构成
VO=VI-VR
当VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了
VI增加对输出电压的影响。
若负载电流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。
第4章制作与检测
4.0PCB板的制作
1.准备原理图和网络表。
2.规划电路板，设置参数。
3.装入网络表，元件封装。
4.布置元件，手工调整。
5.布线，手工调整。
6.pcb文件存盘，save，打印输出。
并检查打印出来的PCB图是否完好。
7.用Fecl3溶液进行腐蚀。
4.1安装与检查
对电路进行组装：
按照自己设计的电路，在PCB板上焊接。
焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。
对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。
经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。
4.2焊接技术
手工焊接一般分四步骤进行。
①准备焊接:
清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。
焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。
②加热焊接:
将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。
若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或镊子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。
③清理焊接面:
若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉（注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!
）,用光烙锡头"沾"些焊锡出来。
若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头"蘸"些焊锡对焊点进行补焊。
④检查焊点:
看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。
注意：
安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意电解电容、集成芯片等主要器件的引脚和极性，不能插错。
从输入级开始向后级安装。
4.3稳压电源各项性能指标的测试
在本次设计中，测试了稳压电源的主要性能指标，稳压系数，内阻，纹波电压等。
其方法如下：
测量稳压系数：
在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10%的输出△Vo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=△VoVi/△ViVo。
测量内阻：
在输入交流为220v,分别测得负载电流为0及最大值时的△Vo，则ro=△Vo/△Il
测量纹波电压：
叠加在输出电压上的交流分量，一般为mv级。
可将其放大后，用示波器观察其峰-峰值△Vop-p，也可用交流毫伏表测量其有效值△Vo,由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。
一、电路的调试与检测
一、调试前的准备
（一）外观检查：
（1）电源调试前，仔细检查整流滤波电容极性装配是否正确，以免发生意外及损坏元器件。
（2）、防止输出端或负载短路，以免损坏电源调整管或其它元器件。
（二）电路静态检测
整流输出端对地电阻≥10KΩ
稳压输出端对地电阻约2KΩ
（三）变压器的检测
（1）静态直流电阻初级130Ω
次级1Ω
（2）加电测量初级220V
次级18V
变压器无明显发烫、震动、名叫现象。
二、调试工艺文件
1．仪器仪表
①、GB一9毫伏表1台，
②、0．5kW调压器1台，
③、万用表1块，
④、常用调试工具1套
⑤、35W电烙铁1把（外壳接地），
⑥、300V交流电压表1个，
⑦、3A交流电流表1个，
⑧、工艺电阻：
15W、15Ω电阻1只。
3、调试仪器与电路的连接
4．调试的步骤和方法
（1）、电路调整将调压器调准在220V，接上变压器插头，调整W2，直流输出电压变化为3～12V连续可调。
调W2使直流输出电压为9±0.2V。
（2）、测电源消耗和负载特性仍在调压器为220V，直流输出电压为9±0.2V的情况下，接入15Ω假负载；此时交流电流表指示值应≤100mA。
当断开10Ω假负载（即直流输出为空载），交流电流表指示应≤10mA。
（3）、测电压调整率电源输出端接上10Ω假负载，调压器从180V调到240V，直流输出电压为12±0．2V。
（4）、测纹波电压GB一9毫伏表接10Ω负载两端，将表置10mV档，检查表上纹波电压应≤5mV。
2．技术要求
（1）、输出电压在12V上下可调，当交流电压为220V时，输出直流电压为12±0．2V，
（2）、纹波电压：
当交流电压为220V时，10Ω假负载上的纹波电压≤5mV：
（3）、交流电源消耗：
满载时≤150mA，空载时≤40mA。
二、技术指标测量
⑴、测量稳压系数，先调节自藕变压器使输入的电压增加10%，即Vi=242V,测量此时对应的输出电压Vo1；再调节自藕变压器使输入减少10%，即Vi=198,测量此时对应的输出电压Vo2,然后测量出Vi=220V时对应的输出电压Vo,则稳压系数
Sv=（△Vo/Vi）/（△Vi/Vi）=
.
下表为在实验室中测得的数据并通过计算得出的稳压系数结果：
输出电压
Vi
Vd
Vo
稳压系数
12v
241v
18.4v
12.3v
9v
221v
17.5v
9.5v
9v
195v
15.2v
9.3v
-5v
-4.67v
-4.7v
-4.62v
（2）．纹波电压的测试
用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔUop-p的值（约4mV）。
下表为在实验室测得的纹波电压实验数据：
输出电压（v）
纹波电压（mv）
12
9.2
9
3.6
5
2.7
3
0.6
（3）调压测试
在实际电路板中，R1=1.5KRP1=10K
由公式
，则可以算的理论的调压范围为
1.25~12V，而实际中输入LM317中的电压要小于25.73V，因此也无法达到这么大的电压。
Vmin=1.26V还是与基准电压1.25V非常接近。
4.4误差分析
1）、误差计算
12v档的误差V12%=∣（12.13-12.00）/12.00∣=1.108%
9V档的误差V9%=∣（8.97-9.00）/9.00∣=0.333%
5V档的误差V5%=∣（5.06-5.00）/5.00∣=1.2%
-5V档的误差V-5%=∣（-4.67-（-5.00））/5.00∣=6.6%
2）、误差原因
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
a）元件本身存在误差；
b）焊接时，焊接点存在微小电阻；
c）万用表本身的准确度而造成的系统误差；
d）测量方法造成的人为误差。
第五章设计总结及个人感想
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电，小功率的稳压电源是由电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路等四部分组成。
在本设计中，采用串联型稳压电路来稳定输出电压。
串联型稳压电源以最成熟、电路简单、稳定度高、输出电压可以调节等优点,仍成为当前应用广泛。
本电路采用单相桥式整流，电容滤波，串联稳压电路，截流保护电路组成。
其电路实测参数基本能够达到设计要求，电路性能稳定，带负载能力强。
首先进行了电路的设计,确定了电路的结构,然后通过仿真软件对设计的电路进行了电路参数的仿真,接着在EDA软件Protel中对设计的电路作了原理图的绘制、PCB的生成，最后在实训室里对设计的电路板进行制作，了解了手工制板的流程。
最后进行了电路的装配和调试，使电路达到设计的性能指标要求。
但在实际调试过程中,也发现了一些问题，就是保护电路的9013三极管和辅助调整管9013比较容易损坏。
如果10K电位器调得太低了就很容易烧坏此保护三极管，因此应在电路上串联一个2K的电阻进行保护一下更好。
在本次设计中，我学到了很多我所学课程的教科书上没有的东西。
同时，这些实践操作对我上的理论课的理解也很有帮助。
单元电路的每一部分都经过比较认真的考虑，比较了很多类似的电路，也参考了很多资料，做完之后觉得这样的方案组合还是可行的。
做设计时，我在网上找了很多的资料，也自学了仿真软件，知道了如何对电路进行仿真，了解了手工制板的流程。
做出来的产品也是经得起考验的，基本上测到的数据和仿真时的数据相差不大，这大大加强了我在实际操作方面的能力，对我今后的教学工作也起到了很大的帮助作用。
在这个项目的培训中，各位指导老师[邓知辉、胡志、肖成、蔡彦]给与了我精心的指导，付出了辛勤劳动，在此非常感谢他们。
附录
附录A
主要器材
编号
名称
规格参数
数量
型号
1
极化电容C1
3300uF
1
3
电容C2,C3,C4
330Pf
1
332
4
极化电容C5
470uF
1
5
整流二极管D1,D2,D3,D4,D5
4001
5
6
稳压二极管D6
8.2V
1
7
保险管FU1
1A
1
8
JP1
PW~18V
1
9
JP2
PW_OUT（+3~12V）
1
10
LED1
红
1
11
三极Q1,Q2，Q3
NPN9013
3
12
三极管Q4
9013
1
13
电阻R8
330
1
14
电阻R2
2K
1
15
电阻R1
1.5K
1
16
电阻R9
150
1
17
电阻R3,R6
1K
2
18
电阻R4
3.3K
1
19
变阻器RP1
10K
1
103
20
变阻器RP2
1K
1
安装和检测工具：
电烙铁，焊锡丝，松香，尖嘴钳，斜口钳，起子，万用表，实验台
附录B
PCB电路图
电路原理图
附录C
实物图
参考文献：
谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社；
康华光，《电子技术基础》。
北京：
高等教育出版社。
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