直流稳压电源设计课程设计论文-毕设论文.doc

本科生课程设计（论文）
辽 宁 工 业 大 学

模拟电子技术基础 课程设计（论文）

题目：直流稳压电源设计

摘要

直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。
半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。

关键字：串联稳压,直流,可调电源，Multisim软件，LM317.

目 录
第1章 串联式直流稳压电源设计方案论证 1
1.1串联型直流稳压电源的设计意义 2
1.2串联型直流稳压电源设计的要求及技术指标 3
1.3 总体设计方案论证 3
1.3.1 总体设计方案论证 3
1.3.2 总体设计方案框图 4
第2章 直流稳压电源各单元电路设计 5
2.1 降压电路设计 5
2.2 整流电路设计 5
2.3 滤波电路设计 7
2.4 稳压电路设计 8
2.5 保护电路设计 9
第3章 直流稳压电源整体电路设计 10
3.1 整体电路图及工作原理 10
3.2 电路参数计算 11
3.3 电路仿真结果 13
第4章 设计总结 17
参考文献 18
附录 Ⅰ总体电路图 19
附录 Ⅱ元器件清单 22

第一章 串联式直流稳压电源设计方案论证
1.1串联型直流稳压电源的设计意义
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。
　　半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。
　　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。
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；
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，所以广泛使用的一般都是串联稳压电源。

1.2 串联型直流稳压电源的设计要求和技术指标
设计参数：
1． 设计并制作一台串联型（连续调整式）直流稳压电源。
2． 输出直流电压。
3． 最大输出电流。
4． 稳压系数。
5． 具有过流保护功能。
设计要求：
1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4. 组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

1.3总体设计方案
一． 方案的论证
方案一：本方案采用变压器，单相桥式电路，电阻，集成运放，电容等元器件。用变压器先把220Vac交流电源降到12Vac，然后用整流二极管进行整流，再用电容滤波，然后用输出可调的线性稳压器LM317稳压，选择适当的比例电阻（其中之一为可调），就可以实现12V电压输出。当R1阻值选用1.25kΩ，R2阻值选用11kΩ，就可以确保实现12V电压输出。

图 1.1 以LM317为核心电路图

方案二：本方案采用变压器、二极管、集成运放、电阻、稳压管、三极管等元器件。220V 的交流电经变压器变压后变成电压值较小的交流电，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串联型稳压电路。特点是采用复合管作为调整管。

图1.2 复合管作为调整管电路图

通过比较，方案一设计通过市电的输入，经过降压、整流、滤波和稳压，最终获得稳定的直流电压。且结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本低。故本设计选用方案一。

二 总体设计方案框图
图1.4所示是具有稳压电路的电源电路框图。从图中可以看出，这一电源电路有交流降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。它是在无稳压电源电路的基础上，在滤波电路之后再介入稳压电路，对直流工作电压进行稳定处理而形成的电路.

图1.3 直流稳压电路设计方案框图

相对应直流稳压过程的U-T图像如下:

图 1.4 直流稳压过程图

第二章 串联型直流放大电路各单元电路设计
2.1交流降压过程
交流市电的降压电路通过降压变压器或者电容来实现，通常是采用电源变压器进行交流降压。在电源电路中的变压器成为电源变压器。在电源变压器电路中，输入电压都是220V交流市电，从初级线圈0和1之间输入。降压后的交流电压从次级线圈输出，即从2和3端输出。

图2.1 变压器仿真图 图2.2变压器原理图

2.2单相桥式整流电路
在正半周期时，、导通，、截止。

图2.3 单相桥式整流电路仿真图

的对应降压前后电压图像如下:
图2.4 整流电路波形图

2.3电容滤波原理
滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。（本设计中采用电容滤波电路，不考虑电感以及电容电感复合整流电路。）
采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。

对应滤波元件仿真图如下:

图2.5 滤波原件仿真图

对应滤波电路波形图如下：

图2.6 滤波电路波形图

图2.7 滤波电路特性图
2.4串联反馈式稳压电路
假设稳压电路的输入电压保持不变，当负载电阻减小，负载电流增大时，由于电流在电阻R上的压降升高，输出电压将下降。而稳压管并联在输出端，由图中稳压管两端的电压有一个很小的下降时，稳压管的电流将减小很多。此时IR也有减小的趋势。实际上利用IZ的减小来补偿流过负载的电流的增大，使IR基本保持不变，从而使输出电压也保持基本稳定。假设负载电阻保持不变，由于电网电压升高而使电容两端电压升高时，自输出电压也将随之上升。但是，由于稳压管的伏安特性课件，此时稳压管的电流将急剧增加，于是电阻R上的压降增大，以此抵消电容两端电压的升高，从而使输出电压基本保持稳定。

图2.8 串联式稳压电路仿真图

接入负载后串联式稳压电路的原理图：

图2.9 串联式稳压电路原理图

2.5 过流保护设计
317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。选择在LM317元件4,5端各接入一个二极管，防止当电容放电时电流过大烧坏LM317元件。

图2.10 过流保护部分

第三章 串联式直流稳压电路整体电路设计
3.1整体电路及原理
首先市电（220V，50Hz）输入，经过降压变压器降低电压，再经过整流管就行整流。然后通过电容滤波，最后经过稳压管进行稳压处理。即将交流转换为直流，完成了直流稳压电源的实现。
用变压器先把220Vac交流电源降到12Vac，然后用整流二极管进行整流，再用电容滤波，然后用输出可调的线性稳压器LM317稳压，选择适当的比例电阻（其中之一为可调），就可以实现12V可调电压输出。
当R1阻值选用1.25kΩ，R2阻值选用11kΩ，就可以确保实现12V电压输出。

图3.1 整体电路仿真图

3.2电路参数计算与选择
变压器先把220Vac交流电源降到12Vac，然后用整流二极管进行整流，再用电容滤波，然后用输出可调的线性稳压器LM317稳压，选择适当的比例电阻（其中之一为可调），就可以实现12V可调电压输出。
当R1阻值选用1.25kΩ，R2阻值选用11kΩ，就可以确保实现12V可调电压输出。当负载取22Ω即可实现最大输出电流 500mA.
输入电压（220V市电情况下）与输出电压关系的表达式：
其中和分别为1、0端（原边）和3、2端（副边）的线圈匝数，所以=12V
负载上的直流电压

直流电流为 =500mA
输出电压 =12V

稳压系数
计算得Sr=0.043 所以Sr≤5%

3.3电路仿真结果
（1）当示波器接入输入交流电压时，测量输入电压的波形，仿真电路图3.2如下

图 3.2 输入交流电压
当输入交流电为220V 50Hz时，对应输入电压波形图：

图3.3 波形图

（2）当示波器接入降压器副边处，测量降压后的电压，仿真电路图如图3.4所示

图 3.4 接入副边
对应降压后的波形图如下：

图 3.5波形图
波形的幅值明显减小，即本设计的降压部分达到预期效果。

(3)当示波器接入电路整流部位，测量此时经滤波过后的输出电压，仿真图如下:

图 3.6 滤波部分
对应滤波后电压波形图如下:

图 3.7 波形图

波形属性符合整流后的特点，即本设计的降压部分达到了预期的效果。

(4)示波器接入电路的输出端,测量经稳压过后的输出直流电压的

图 3.8 输出端电路图
经过稳压后的直流电压波形图如下:

图 3.9 波形图
得到的仿真波形如图3.9所示，即本设计全部符合要求，达到了预期的降压-整流-滤波-稳压的目的，将交流电成功地转换成了直流电，实现了直流稳压电源的目的。

第四章 设计总结
用变压器先把220Vac交流电源降到12Vac，然后用整流二极管进行整流，再用电容滤波，然后用输出可调的线性稳压器LM317稳压，选择适当的比例电阻（其中之一为可调），就可以实现12V可调电压输出。当R1阻值选用1.25kΩ，R2阻值选用11kΩ，就可以确保实现12V可调电压输出.当负载取22Ω即可实现最大输出电流 500mA。
将所有的元器件安装完成后，必须仔细对照电路图检查线路是否正确，看有没有接错的地方。然后接通220V电源，按下主电路开关，用万用表检测输出端有无电压输出，若无电压输出，则检测输出端以前的电路每点的电位，找到电位异常的点后，可断开电源，仔细分析原因对电路整体进行分析排查，看是否有元器件因为某点的短路而烧坏的，逐级进行。反复调试，直到找到原因所在。
本设计以lm317为核心放大，通过Musitilism10对仿真软件对电路仿真后，结果满足设计要求，完成了本设计.

参考文献
[1] 康华光主编 《模拟电子技术基础》；北京:高等教育出版社 .2001
[2] 戴优生主编 《基础电子电路设计与实践》；北京.国防工业出版社.2002
[3] 陈晓文主编 《电子线路课程设计》；北京.电子工业出版社.2006
[4] 梁宗善主编 《电子课程基基础设计》；北京.华中理工大学出版社.2002
[5] 杨素行主编，《模拟电子技术基础简明教程（第三版）》；清华大学 2003
[6] 谢子美主编，《电子线路设计实验测试（第三版）》；华中科技大学出版社2004
[7] 彭介华主编，《电子技术课程设计指导》；高等教育出版社2005
[8] 焦宝文主编，《电子技术基础课程设计指南》；清华大学出版社2010
[9]《电子技术常用器件手册》；2001

附录I 总体电路图

附录II 元器件清单

符号
名称
数量（单位：个）
符号
名称
数量（单位：个）
T1
变压器
1
V1
交流电源
1
D6
1BH62
4
XSC3
示波器
1
C1
1mF电容
1
D1
1N4007
1
C2
500uF
1
D2
1N4007
1
D5，D6
1BH62
2
D3
1N4007
1
R1
1.25千欧
1
D4
1N4007
1
R2
滑动变阻器
1

U1
LM317AH
1

19