直流稳压电源的设计和制作.docx
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直流稳压电源的设计和制作
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
0引言1
1设计方案的选择与论证2
1.1简单的并联型直流稳压电源2
1.2输出可调的开关电源2
1.3由可调式三端稳压器（CW317）组成2
2设计原理2
2.1电源变压器的选用3
2.2整流电路的设计3
2.3滤波电路的设计4
2.4稳压电路的设计5
3直流稳压电源电路的设计6
3.1直流稳压电源总电路图的确定6
3.2具体参数计算7
4电路安装与指标测试8
4.1电路的安装8
4.1.1操作步骤8
4.1.2注意事项9
4.2指标测试9
4.2.1测试仪器的准备与检查9
4.2.2通电准备9
4.2.3系统指标测试9
5结束语10
致谢10
参考文献：
11
直流稳压电源的设计和制作
XXXXXXXXX
XXXXXXX
摘要：
直流稳压电源是电子设备中必不可少的能源供应部件，因此，掌握稳压电源的设计与制作，对今后的实际工作是很有意义的。
该文根据所学电子技术知识来设计直流稳压电源，并提出了三种设计方案，再从这三种方案中选择出最佳方案。
最佳方案电路主要包括以下几部分：
电源变压器、整流电路、滤波电路、集成稳压电路等，同时为了电路的安全可靠，稳压电路可添加保护电路部分。
最后，通过相关知识计算出电路中各个元件的参数，使电路性能达到设计要求中的输出电压范围、最大输出电流、输出电压变化量、稳压范围等各项指标。
关键词：
直流稳压电源单相桥式整流电路电容滤波电路集成稳压电路
DCPowerSupply’sDesignAndManufacture
XXXXXXXXX
XXXXXXX
Abstract：
DCpowersupplyisessentialelectronicequipmentcomponentsofenergysupply,therefore,graspthedesignandproductionofpowersupplyissignificantforthefutureactualwork.ThispaperputforwardthreedesignsonthebasisoftechnicalknowledgewhichwaslearnedtodesignelectronicDCpowersupply,thenchoosethebestsolution.Thebestcircuitincludesthefollowingsections:
powertransformer,rectifier,filtercircuit,integratedcircuitvoltageregulator,whilethesafetyandreliabilitytothecircuit,voltageregulatorcircuitprotectioncircuitcanbeadded.Finally,calculatethecircuitparametersofeachelementbyusingrelevantknowledgetomakethecircuitperformancecanmeetthedesignrequirementsoftheoutputvoltagerange,maximumoutputcurrent,outputvoltagevariation,voltagerangeofotherindicators.
Keywords：
DCPowerSupply；Single-phasebridgerectifiercircuit；Capacitorfiltercircuit；Integratedvoltageregulator
0引言
随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛应用于日常、科研、学习等各个方面，电源已成为非常重要的基础科技和产业，其发展趋势为高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化。
同时，封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。
从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。
电源分为交流稳压电源和直流稳压电源两大类。
交流稳压电源分为参数调整（谐振）型、自耦调整型、开关型交流稳压电源。
直流稳压电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源。
在电子电路及电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，它是电子电路中必不可少的组成部分。
它的主要作用是作为整个电子电路的能量来源，其次是为各级电路中的三极管提供合适的偏置。
常见的供电方式有两种，一种是采用化学电池供电，如干电池、蓄电池、光电池等；另一种是利用电网向电路供电，这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压后，得到稳定输出的直流电压，其优势在于电网所提供的能量是源源不断的。
后一种供电方式被普遍应用于电子装置中，220V的电网电压（即市电），通过电源变压器降压后，得到的为低压交流电；经单相桥式整流电路后，低压交流电转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压；再通过电容滤波电路滤波，使输出电压趋于平滑，得到交流分量较小的直流电压；最后通过稳压电路，使其获得足够高的稳定性，并满足输出电压在+3V—+9V内可调，最大输出电流Iomax=800mA，纹波电压的有效值ΔUop-p≤5mV，稳压系数Sv≤3×10-3等技术指标。
通过直流稳压电源的设计、安装和调试，我们学会：
⑴根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，选定元件并计算确定元件参数；
⑵设计各单元电路和总体电路，并用计算机绘制电路图；
⑶电路的安装、调试；
⑷测试各项性能指标的方法，并撰写设计报告。
1设计方案的选择与论证
1.1简单的并联型直流稳压电源
并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。
1.2输出可调的开关电源
开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，波纹大，稳定度极差。
1.3由可调式三端稳压器（CW317）组成
由可调式三端稳定器（CW317）输出脚VO和接地脚GND组成，它的特性参数VO=1.2~37V，IO=1.5A，最小输入、输出压差（Vi-VO）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-VO）max=40V。
输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定、可靠性高。
根据所学知识和现有材料，综合考虑后，选取第三种方案进行设计。
此方案电路简单易行，成本较低，且性能良好，能满足设计要求，达到预期目标。
2设计原理
稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四大部分组成，如图1所示【1】。
（a）稳压电路的组成框图
（b）整流与稳压过程
图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
2.1电源变压器的选用
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源u2。
电源变压器的效率为【2】：
（2-1）
其中：
P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示【3】：
副边功率P2
＜10VA
10-30VA
30-80VA
80-200VA
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
表1小型变压器的效率
因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。
2.2整流电路的设计
利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）的电路，称为整流电路。
在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。
如图2（a）、（b）及（c）所示【4】。
图2全波、桥式和倍压整流电路图
下面我们拿桥式整流电路来举例。
①电路组成及工作原理
桥式整流电路电路图如图5所示。
在u2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；u2的负半周内，D2、D4导通，D1、D3截止。
正负半周内都有电流流过负载电阻RL，且方向是一致的。
电路的输出波形如图3（a）所示【5】。
（a）
（b）
图3单向桥式整流电路的波形图
②输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）
根据图3中所示uo的波形可知，输出电压的平均值【6】
（2-2）
解得
（2-3）
输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）【7】
（2-4）
③二极管的选择
在单向桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半【8】，即
（2-5）
根据二极管的输出电压波形可知，二极管承受的最大反向电压【9】
（2-6）
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【10】：
（2-7）
其中：
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
2.3滤波电路的设计
整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动比较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。
因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压【11】。
①电路组成及工作原理
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路。
滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。
电容滤波电路利用电容的充、放点作用，使输出电压趋于平滑，输出电压波形如图4【12】。
图4电容滤波电路稳压时的波形分析
②输出电压平均值
设整流电路内阻较小而RLC较大，电容每次充电均可达到u2的峰值（即
）然后按RLC放电的起始斜率直线下降，经RLC交于横轴，且在
处的数值为最小值UOmin,则输出电压平均值【13】为
（2-8）
因而
UO（AV）≈1.2U2（2-9）
③脉动系数
基波峰值为【14】
（2-10）
因此，脉动系数为
（2-11）
2.4稳压电路的设计
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成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变换，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变换，例如，如果负载电阻减小，则负载电流增大，内阻上的电流也就随之增大，其压降必然增大，输出电压平均值必将相应减小；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，必须采用稳压措施。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）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【15】。
由稳压二极管DZ和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源，其输入电压U1是整流滤波后的电压，输出电压UO就是稳压管的稳定电压UZ，RL是负载电阻。
相比较而言，集成稳压器应用较广，且具有体积小，外围元件少，性能稳定、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【16】。
⑴固定电压输出稳压器
常见的有CW78××（LM××）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79××（LM78××）系列三端固定式负电压输出集成稳压器，元件外形图及电路符号如图5所示【17】。
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UImax=35V；当UO=18-24V时，UI的最大值UImax=40V。
图5固定集成三端稳压器外形及电路符号
⑵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，元件外形图及电路符号如图6所示【18】。
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。
图6可调式三端集成稳压器外形及电路符号
3直流稳压电源电路的设计
3.1直流稳压电源总电路图的确定
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、输出纹波电路ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管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。
稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：
1）根据稳定电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式；
2）根据稳压器的输入电源UI，确定电压变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，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，从表一中查出变压器的效率η，从而确定边缘变压器原边的功率P1。
然后根据所确定的参数，选择电源变压器；
3）确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。
根据设计任务和步骤，所确定出的稳压电源电路如图7所示。
图7直流稳压电源总原理图
3.2具体参数计算
1）选择集成稳压器，确定电路形式
集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：
UO=1.2-37V，最大输出电流IOmax为1.5A符合本设计技术指标，故用其构成稳压电源电路。
图7中，取
二极管用IN4001。
在图7电路中，R1和RW组成输出电压调节电路，输出电压
R1取120V-240Ω，流过R1的电流为5-10mA。
取R1=240Ω，则由
可求得：
Rwmin=210Ω，Rwmax=930Ω，故取RW为2kΩ的精密线绕电位器。
2）选用整流二极管和滤波电容
由于：
，IOmax=0.8A。
IN4001的反向击穿电压URM≥50V，额定工作电流ID=1A＞IOmax，故整流二极管选用IN4001。
根据UO=9V,UI=12V,
，和公式
所以，滤波电容：
电容的耐压要大于
故滤波电容C取容量为4700
，耐压为25V的电解电容。
3）选择电源变压器
由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值（UI-UO）min=3V,输入电压与输出电压差的最大值（UI-UO）max=40V，故CW317的输入电压范围为：
即9V+3V≤UI≤3V+40V
12V≤UI≤43V
取U2=12V
变压器副边电流:
I2＞IOmax=0.8A,取I2=1A，
因此，变压器副边输出功率：
P2≥I2U2=12W
由于变压器的效率
，所以变压器原边输入功率
为留有余地，选用功率为20W的变压器。
表2元件清单：
元件序号
型号
元件参数值
数量
Ti
小功率变压器
20W
1
D1D2D3D4D5D6
二极管1N4001
URM≤50V，1A
6
C1
电解电容
0.1μF
1
C2
电容
10μF
1
Co
电容
1μF
1
R1
电阻
200Ω
1
RW
电阻
2KΩ
1
CW317
集成稳压器
1
使用工具：
电烙铁、万能板、焊锡、小剪刀、吸锡器、螺丝刀、镊子等
4电路安装与指标测试
4.1电路的安装
4.1.1操作步骤
1）绘制电路图。
这是电路板设计的先期工作，主要是完成电路原理图的绘制，包括生成网络表。
当然，有时也可以不进行原理图的绘制，而直接进入PCB设计系统。
2）规划电路板。
在绘制印制电路板之前，对电路板有一个初步的规划，电路板采用多大的物理尺寸、采用单面板，确定各元件采用何种封装形式及其安装位置等。
3）设置参数。
4）装入网络表及元件封装。
5）元件的布局。
6）自动布线。
7）手工调整。
在自动布线结束后，手工调整令人不满意的地方。
8）根据实验室PCB板制作流程，将PCB图印制在规划好的铜板上，钻孔。
9）在PCB板上焊接元件，制作出实物。
4.1.2注意事项
①安装整流滤波电路
首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端短路损坏变压器或其他元件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。
检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器作等效负载，用示波器观察输出是否正常。
②安装稳压电路部分
集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），调节电位器RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。
注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。
另外，在安装时，我们仍然要先安装低矮的元器件，后安装高大的元器件，二极三极管、电解电容等，要特别注意其极性，易发热元件需注意摆放位置，焊接时注意假焊的问题等。
4.2指标测试
4.2.1测试仪器的准备与检查
1）准备以下仪器：
可调工频电源、双踪示波器、交流毫伏表、直流电压表、直流毫安表、万用电表等。
2）仪器检查：
检查和校正交流毫伏表、示波器、万用表、直流电压表和直流电压表。
4.2.2通电准备
接通电源之前，认真检查电源电压是否200V，电路接线是否正确，注意器件管脚的连接，检查变压器输入是否有短路等。
然后接通电源，观察电路板有无异常情况，如电流表读数过大或电源电压过低，要立即切断电源，排除故障后方可再接通电源。
4.2.3系统指标测试
1）初测
稳压器输出端负载开路，断开保护电路，接通可调工频电源，测量整流电路输入电压U2，滤波电路输出电压UI（稳压器输入电压）及输出电压U0。
调节电位器，观察U0的大小和变化情况，如果U0能跟随RP线性变化，这说明稳压电路各反馈环路工作基本正常。
否则，说明稳压电路有故障，因为稳压器是一个深负反馈的闭环系统，此时，可分别检查基准电压UZ，输入电压UI，输出电压U0，以及比较放大器和调整管各电极的电位（主要是UBE和UCE），分析它们的工作状态是否都处在线性区，从而找出不能正常工作的原因。
排除故障以后就可以进行下一步测试。
2）测量输出电压可调范围
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：
①U1为最高值（电网电压为242V），UO为最小值（+3V），测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应使输出电流为最大负载电流）；
②UI为最低值（电网电压为198V），UO为最大值（+9V），测稳压器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。
3）测量稳压系数Sr
取I0＝300mA，改变整流电路输入电压U2，分别测出相应的稳压器输入电压UI及输出直流电压U0，记录数据。
根据测量结果计算稳压系数
=0.295
4）测量输出电阻R0
改变滑线变阻器位置，使I0为空载和100mA，测量相应的U0值，记录数据。
根据测量结果，计算输出电阻
5结束语
本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器件来设计一组在3-9V内连续可调的直流稳压电源。
根据设计的原理，画出具体的原理图，经过逻辑分析和理论的计算后，确定了它的可行性。
其结构简单，便于维修；使用元器件少，成本较低；系统可靠性好，精度高，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。
通过这次设计，使我巩固了所学的专业知识，增强了理论与实践相结合的能力，考验了我们借助互联网络搜索、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力。
此外，也深深体会到了研究所需要的认真、严谨的治学态度，这对我以后的学习和工作起到了莫大的帮助和作用。
致谢
经过一段时间的忙碌，本次论文已经接近尾声。
本设计是在XXX悉心指导下完成的，XXX渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多做人的道理。
本设计从选题到完成，倾注了XXX大量的心血。
在此，谨向XXX表示崇高的敬意和衷心的感谢！
本设计之所以能够顺利完成，除了XXX的悉心指导之外，也离不开学习过程中的各位良师益友，在此，衷心的感谢你们，这将是我最珍贵的回忆！
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