5V12V直流稳压电源的设计.docx

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5V12V直流稳压电源的设计

摘要：

为了更好的加强对于模电理论知识的理解和学习，通过设计和制作直流稳压电源来达到目的。

本次实践通过制作晶体管稳压电源和用稳压电路设计的稳压电源来加强对稳压源知识点的认识和理解。

包括三极管的应用如8050、8550、9013等三极管的工作原理以及每种晶体管的类型。

在稳压电路稳压电源的制作过程当中，不仅要求准确把握各个环节的电路的工作原理也要求能够正确的应用每个电路。

还有对各类稳压芯片的应用，如：

可输出稳定电压的78、79系列，还要了解LM317可调直流稳压电路。

另外，通过制作直流稳压电源能够在今后的实验和比赛当中应用。

设计要求我们制作能够输出+5V、-5V，+12V、-12V以及可调的1.25V~14V的可调电压。

关键：

直流稳压电路、三极管、8050、8550、9013、78、79系列、LM317、

可调直流稳压电源

1.晶体管串联型直流稳压电源

1.1电路组成……………………………………………………5

1.2工作原理……………………………………………………6

1.3主要技术指标………………………………………………6

2.直流稳压电源……………………………………………………7

2.1直流稳压电源的组成…………………………………………7

2.1.1整流电路组成及原理…………………………………………………7

2.1.2滤波电路组成及原理…………………………………………………11

2.1.3稳压电路组成及原理…………………………………………………14

2.1.4综述……………………………………………………………………16

2.2原件选型及型号参数…………………………………………16

2.3电路板设计……………………………………………………17

2.4电路安装与调试………………………………………………20

3.参数的测定…………………………………………………………21

4.出现的问题及解决方法…………………………………………２１

5.收获及总结………………………………………………………２2

6.参考文献…………………………………………………………236

7.附录

附录1、晶体管直流稳压电源元器件清单……………………２4

附录2、稳定及可调稳压电源元气件清单……………………２5

附录3、作品实物图片…………………………………………２6

附录4、测量参数图片…………………………………………２7

1.晶体管串联型直流稳压电源

1.1电路组成

（1）电路

图1-1晶体管稳压电路

（2）框图

图1-2框图

1.2工作原理

图1-3稳压过程

（1）电路各部分作用

通过变压器的降压作用的到一个交流的低电压，然后通过桥式整流电路将交流的信号转换为单向脉动电压，在通过滤波电路来的到稳定的直流，其过晶体管来进行稳压。

最后有一个过载保护电路。

最后有一个分压电路输出电压。

（2）稳压原理

我们结合图1-1来分析，当由于外界原因导致电压升高时，输出电压升高，此时由于电阻R7的分压作用，导致VB3升高，继而使得VC3减小，又因为VC3的等于VB2，使得VCE1增大，由于电路整体是一个串联型电路，所以使得Vo减小。

同理，当输出电压减小时，导致VB3减小，进而使得VC3增大，接着使得VCE1减小，继而使得VO增大。

从而达到了稳压效果。

1.3主要技术指标

（1）输入电压：

AC:

～220V

（2）输出直流稳压：

DC：

3V、4.5V、6V三档。

（3）输出直流电流：

额定值150mA，最大值300mA。

（4）具有过载，短路保护，故障消除后自动恢复。

2.直流稳压电源

2.1直流稳压电源的组成

图2-1直流稳压电源组成

2.1.1整流电路组成及原理

整流电路的任务：

交流电压转变为单向脉动的电压（图2-2）。

技术指标：

衡量整流工作性能的参数

输出电压平均值VO（AV）：

反映整流电路将交流电压转换为直流电压的能力。

脉动系数S：

反映整流输出电压流成分的大小，用来衡量整流电路输出平滑程度。

S=VOr/VO（AV）

图2-2整流波形

常用单相整流电路分类：

1、半波整流（图2-3）

图2-3半波整流

（1）工作原理：

u2>0时:

二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2

u2<0时:

二极管截止,uo=0

注：

分析时，把二极管当作理想元件，即正向导通电阻为零，反向电阻穷无穷大。

（2）输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io）（图2-4）

图2-4波形图

（3）二极管上的平均电流及承受的最高反向电压（图2-5）

图2-5承受最高电压

二极管上的平均电流：

ID=IO

承受的最高反向电压:

Umax=

U2

2.全波整流（图2-6）

图2-6全波整流

（1）工作原理

变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压U2

当U2正半周时：

D1导通，D2截止。

当U2负半周时：

D2导通，D1截止。

（2）输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io）

（3）二极管上的平均电流及承受的最高反向电压（图2-7）

图2-7反向电压

二极管上的平均电流

二极管承受的最高反向电压：

3、桥式整流（图2-8）

图2-8桥式整流

（1）工作原理

u负半周，Va

二极管2、4导通；1、3截止。

（2）工作波形（图2-9）

图2-9工作波形

（3）指标计算（图2-10）

2-10指标计算

2.1.2滤波电路组成原理

（1）几中滤波电路（图2-11）

图2-11几种滤波电路

（a）电容滤波电路

（b）电感电容滤波电路（倒L型）

（c）型滤波电路

（2）滤波原理

利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性（电抗元件的储能作用）,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图2-12所示。

图2-12桥式整流电容滤波电路

A.RL未接入（图2-13）

图2-13输出波形

B.RL接入时（图2-14）

图2-14输出波形

整流输出电压<电容电压时：

二极管截止，电容经负载放电。

整流输出电压>电容电压时：

二极管D1、D3导通，电容被充电。

（3）电容滤波的特点

A.输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC愈大电容器放电愈慢纹波减小Vo愈大

B.流过二极管瞬时电流很大。

RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大，整流管导电时间越短iD的峰值电流越大，故一般选管时，取

2.1.3稳压电路组成及原理

（1）稳压电源质量指标

（2）固定输出稳压电源

A.三端集成稳压器（如图2-15）

随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。

最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为集成三端稳压器。

常用的W7800（W7900）系列三端集成稳压器，其部也是串联型晶体管稳压电路。

电路部附有短路和过热保护环节。

图2-15三端集成器

B.输出电流超过1.5A（加散热器）

a.不需要外接元件

b.部有过热保护

c.部有过流保护

d.调整管设有安全工作区保护

e.输出电压容差为4%性能特点（7800系列，7900系列）

输出电压额定值有：

±（5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V）等。

C.三端集成固定稳压电源的分类

D.三端可调输出集成稳压器分类

LM317稳压器示意图

2.1.4综述

一个完整的小功率直流稳压电路由四部分组成：

电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路。

变压器：

用来将交流电网电压转换为所需要的电压值。

整流电路：

将交流电压变成脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压含有较大的纹波。

滤波电路：

对较大的纹波加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

稳压电路：

直流电压随着电网电压的波动、负载和温度的的变化而变化，所以需要在整流滤波电路后加，用以维持输出直流电压稳定。

2.2原件选型及型号参数

（1）变压器选择

四路直流输出，-12V、+5V、+12V以及+1.25V~+14V可调直流电压。

各路直流输出电流不小于0.5A最大输出电压为14V，根据第一节计算公式，加滤波电容后，直流输出电压UO≈1.2U2，所以要选择双端输出变压器，并且变压器副边输出电压为（14+3）/1.4=12.14V。

结合输出电流要求，选择I/P220V~50Hz,O/P12V*2600mA的变压器作为电源变压电路。

（2）整流电路选择

由理论可知，全波整流和桥式整流的效率均为UO=0.9U2,全波整流的二极管最大反向耐压值为2.82U2，管子导通电流为0.5IO=250mA。

查手册可知，常用整流二极管1N4007最大反向耐压为1000V，最大正向平均整流电流为1A，可以满足本设计要求。

因此，采用1N4007组成单相全波整流电路作为直流电源的整流电路。

（3）滤波电路选择

由于输出最大电压为14V，电流最小为0.5A，所以，RL=28Ω。

采取电路较为简单的电容滤波，为了获得较为平滑的负载电压，一般时间常数τ=RL*C≥（3~5）T/2.取RL*C=5*T/2，得C=1786μF。

考虑电网电压波动±10%，则电容所能承受的最高电压1.1*U2*1.414=18.67V，所以采用2200μF，25V的电解电容作为滤波电容。

（4）稳压电路选择

根据输出要求可知，有固定输出和可调输出两大块。

由于集成稳压器具有稳定性高以及完善的部保护措施，并且使用方便、价格低廉，所以决定采用7812,7912,7805作为固定稳压器，采用LM317作为可调稳压器，两者的纹波电压均可在50mV以下；输出电流方面，78系列可达到1.5A，317系列TO220封装也可达到1.5A，完全满足设计要求。

故采用上述器件作为整个电源的稳压部分。

2.3电路板设计

（1）按照第一部分所述原理，利用AltiumDesginer软件进行绘制。

（图2-16）

注意：

a.元器件管脚要正确连接，如7812,7912的管脚使用区别。

b.原件标识直观明了

c.原理图层次清晰

图2-16直流稳压电源原理图

（2）建立元器件封装库

根据所选原件型号，仔细查阅数据手册。

根据手册中器件尺寸图，使用正确的器件封装。

注意：

遇到库中不存在的器件封装，如散热片，手动绘制封装时，需要仔细测量其尺寸。

（3）PCB的绘制（图2-17）

要求：

布局合理，布线清晰。

注意：

a.散热片与电解电容距离要适中，防止电容受热老化

b.使用覆铜作为地平面（地线）。

图2-17线路板设计图

图2-18视网膜图

2.4电路的安装与调试

（1）元器件检查与整形

a.检查PCB是否有断线、短路、破损等情况；检查元件型号、数量是否与清单一致；

b.对主要元器件（如电源线、变压器、整流二极管等）进行参数测定。

c.使用工具对相关元件按照相关技术规进行整形。

（严禁粗暴整形）

（2）焊接

焊接要按照从低到高的顺序，依次进行。

焊点要有光滑整齐的外观，足够的机械强度以及可靠的电气连接。

（3）装配

注意：

a.变压器副边中心抽头要接到地线上。

b.220V电源线与变压器原边接线要有热缩管保护，防止触电短路。

（3）调试

a.检查电源插头是否短路。

b.各输出对地是否短路。

若上述两步均可通过，即可进行通电检查。

逐级测量各点参数是否符合设计要求。

（4）常见问题处理

a.变压器副边无输出断电后检查副边线圈电阻，若电阻为无穷大，更换新的变压器。

b.整流电路输出电压不达标整流二极管方向是否正确。

c.滤波电容发热整流二极管方向是否正确。

d.电源指示灯不亮限流电阻是否正确焊接；发光二级管极性是否安装正确。

e.稳压输出电压不正常是否正确安装稳压器；电压调整电路是否焊接正常。

（5）实物调试好后，进行参数测量。

a.电压输出测量

用万用表直流电压档测量各路输出。

b.最大输出电流测量

外加可调大功率电阻，搭建电流测量电路，由大到小调整电阻，记录输出电流。

当电压突然出现跌落时，说明已超过其最大输出电流，应及时断开测量回路。

此时对应的电流即为最大输出电流。

3.纹波电压测量

使用数字示波器，切换至交流输入型，此时采入的波形即为纹波电压，如附录4所示，放大波形，读取峰峰值即可。

3.参数的测量

表1.晶体管稳压电源参数测定

直流电阻

输出电压（+）

输出电压（-）

充电电流

1.5K

3.04V

-3.04

42.2mA

4.40V

-4.4

43.4mA

5.82V

-5.82

44.0mA

表2.可调稳压电源参数测定

原边电阻

550Ω

副边电阻

5.96Ω

5.98Ω

输出电压

理论值

+5V

+12V

-12V

1.25V～14V

实测值

5.00V

11.83V

-11.96

1.25V~15.96V

纹波电压

18.7mV

4.实验中出现的问题及解决方法

在安装的过程中由于安装的顺序不对，导致焊接的不便，我通过重新的安装使得安装相对的简单，另外在安装过程中出现了元件的顺序安装错误，导致了极性电容发热通过用万用表检测其极性后重新安装了二极管。

使得电路恢复了正常。

另外，由于没有正确的安装芯片，导致电路不能正常的工作，在没有接通电源的时候及时的发现了错误，所以及时调整了芯片的位置，防止了由于粗心而导致的烧毁芯片的后果。

最后由于硬件在一些方面有一些缺陷，所以，通过考虑，将缺点进行了处理。

5.收获及总结

通过此次对稳压电源的设计与制作，我对稳压电源的相关知识有了更深的理解和认识。

在晶体管的稳压电源中，对于晶体管的稳压原理有了较为深刻的理解，以及在设计的过程当中应该注意的事项。

如在设计完电路之后，需要加入电路的框图。

并且需要在实际的时候注意每一个原件的型号以及其能承受的最大电流考虑到其是否能够正常的工作，设计的时候还要注意其极性的标注。

在直流稳压电源的设计中，首先要求对模电知识熟悉，能够正确的设计出直流稳压电源，如每一部分的作用，以及工作原理。

这次的制作让我对于稳压电源电路有了更进一步的了解，并且制作过程不仅加强了我的焊接能力，加强了理论与实践相结合的能力。

比如说，对于各种芯片的安装，以及电路板实际的设计知识的掌握等等。

6.参考文献

1.康华光，高等教育，电子技术基础（模拟部分）第五版，2006.01

2.电子工艺实习教程，中国矿业大学徐海学院，2009.05

3.模拟电子技术实验指导书，中国矿业大学徐海学院，2011.03

4.辜小兵，PCB设计与制作，高等教育，2010.09

附录1、晶体管稳压电源原件清单

代号

名称

规格及型号

数量

备注

V1-V4,V11-V13

二极管

1N4001（1A/50V）

7

A

V5

三极管

8050（NPN）

1

A

V6,V7

三极管

9013（NPN）

2

A

V8，V9，V10

三极管

8550（PNP）

3

A

LED1.3.4.5

发光二极管

Φ3红色

4

A

LED2

发光二极管

Φ3绿色

1

A

C1

电解电容

470μ/16V

1

A

C2

电解电容

22μ/10V

1

A

C3

电解电容

100μ/10V

1

A

R1，R3

电阻

1K（1/8）

2

A

R2

电阻

1Ω（1/8）

1

A

R4

电阻

33Ω（1/8）

1

A

R5

电阻

150Ω（1/8）

1

A

R6

电阻

270Ω（1/8）

1

A

R7

电阻

220Ω（1/8）

1

A

R8,R10,R12

电阻

24Ω（1/8）

1

A

R9，R11，R13

电阻

560Ω（1/8）

3

A

CT1

电源插头线

2A220V

1

接变压器AC-AC端

T

电源变压器

3W7.5V

1

JK

A

印制线路板（A）

大板

1

JK

JK

机壳后盖上盖

套

1

TH

弹簧（塔簧）

5

JK

ZJ

正极片

5

JK

自攻螺钉

M2.5

2

固定印制线路板

自攻螺钉

M3

3

固定机壳后盖

JX接线

J1

160㎜

1

注;J9（印制板B上面的开关K2旁边的短接线可采用裸线或元器件）

J2

125㎜

14

J3J4J5

80㎜

3

J6

35㎜

1

J7

55㎜

1

J8

75㎜

1

J9

15㎜

1

热缩套管

30㎜

2

用于电源线与变压器引出导线间接点处得绝缘

附录2、直流稳压电源

序号

类型

数量

1

470uF/25V

C1,C7,C12,C15

4

2

2200uF/25V

C2,C5,C10,C14

4

3

0.1uF/瓷片

C3,C4,C6,C8,C11,C13,C16

7

4

10uF/25V

C17

1

5

1N4007

D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10

10

6

3mm红色LED

DS1,DS2,DS3

3

7

7805

MC1

1

8

7812

MC2

1

9

7912

MC3

1

10

LM317

MC4

1

11

YK20散热片

4

12

2P3.96mm插拔端子（弯脚）

P1,P3

2

13

3P3.96mm插拔端子（弯脚）

P2,ACIN

2

14

470

R1

1

15

1K

R2,R3

2

16

360

R4

1

17

WXD3-13/4.7K

RW1

1

18

220V/双12V600mA变压器

1

19

电源线1.5米

1

20

热缩管ф3mm

5cm

21

铜柱M3*5+5

4

22

M3X6圆头螺丝

6

23

M3螺帽（螺母）

6

附录3、制作实物图片

直流稳压电源

晶体管稳压电源（可充电）

附录4、测量参数图

图输出电压波形

纹波电压波形

纹波电压FFT分析