[直流稳压电源电路]直流稳压电源电路设计 (1)

一、设计任务与要求

1．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计固定的正负直流电源（±12V）； 2．输出可调直流电压，范围1.5∽15V；

3．输出电流IOm≥1500mA；（要有电流扩展功能） 4. 稳压系数Sr≤0.05；具有过流保护功能。（）

二、方案设计与论证

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图1所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图2所示。

压 图1 稳压电源的组成框图

图2 整流与稳压过程波形图

电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整

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流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。[]脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

方案一、单相半波整流电路

半波单相整流电路简单，电路及其电压输出波形分别如图3、图4所示，使用元件少，它只对交流电的一半波形整流，其输出波形只利用了交流电的一半波形则整流效率不高，且输出波形脉动大，

其值为S???

2?1.57；直流成

分小；U

o=2??0.45U2，变压器利用率低。

图3 单相半波整流电路 图4 单相半波整流电路电压输出波形

方案二、单相全波整流电路

使用的整流器件是半波电路的两倍，整流电压脉动较小，是半波的一半，无滤波电路时的输出电压Uo=0.9U2，变压器的利用率比半波电路的高，整流器件

所承受的反向电压要求较高。

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方案三、单相桥式整流电路

单相桥式整流电路使用的整流器件较多，但其实现了全波整流电路，它将u2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍，且如果负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍，且其与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。[]

我的选择：综合三种方案的优缺点决定用方案三

三、单元电路设计与参数计算

整流电路采用单相桥式整流电路，电路如图5所示，

图5 单相桥式整流电路

当u2 >0时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-，即D1、D2导通，D3、D4截止；当u2 <0时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+，即D3、D4导通， D1、D2截止。电路的输出波形如图6所示。

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图6 单相桥式整流电路输出波形

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即If?12Io1。[］电路中的每只二极管

2(U2是变压器副边电压有效值)。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1~1.2)U2，直流输出电流：Io1?I2(1.5~2)（I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选

集成三端稳压器电路。

?12V直流稳压电源电路总体原理电路图如图7所示，可调式直流稳压电源电路总体原理电路图如图8所示，电流扩展直流稳压电源电路总体原理电路图如图9所示：

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图 7 ?12V直流稳压电源

图 8 可调式直流稳压电源

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Q1图9 电流可扩展直流稳压电源电路

1.选集成稳压器，确定电路形式

(1)、在?12V直流稳压电源电路实验中的稳压电路，采用固定式三端稳压器，主要使用了集成块78系列及79系列。（］78××系列输出为正电压，输出电流可达1A，如7812的输出电流为5mA~1A，它的输出电压为12V。和78××系列对应的有79××系列，它输出为负电压，如7912表示输出电压为–12V和输出电流为5mA~1A。故称之为三端式稳压器。这类集成稳压器的外形图及典型应用电路图如图10所示。

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图10 三端稳压器7812、7912管脚图及典型应用电路图

(2)、在可调式直流稳压电源电路因为要求输出电压可调，所以选可调式三端稳压器LM317，其特性参数Vo??1.2V~?37V，Iomax?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，能满足设计要求，故选

用LM317组成的稳压电路。［)稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。电路系列的引脚功能相同，管脚图如图11和典型电路如图12所示.。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压

Vo?1.25(1?RP1/R1)，式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考

电压VREF，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节

电位器RP1，电阻R1常取值120~240?，取R1=240?，则RP1min=48?，

RP1max=2.64k?,故取RP1为5k?的精密线绕可调电位器，与其并联的电容器C

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可进一步减小输出电压的纹波。（）图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10μF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

图11 图12

(3)、在电流扩展中用大功率三极管TIP41C和LM7812稳压器，TIP41C三极管的管脚如图13所示，其为NPN管，主要参数为：最大工作电压100V，最大工作电流6A，最大耗散率65W。设三端稳压器的最大输出电流为Iomax，则晶体管的

最大基极电流IBmax?Iomax?IR，因而负载电流的最大值为

ILmax?(1??)(Iomax?IR)，故其负载采用大功率的电阻，取RL=3.9?，为10W的

电阻。图中二极管用于消除UBE对输出电压的影响。

图13 TIP41C三极管的管脚图

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2.选择电源变压器

电源变压器的作用是将电网220V的交流电压U1变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2，通常根据变压器副边输出的功率P2来选购（或自绕）变压器。[）变压器副边与原边的功率比为

P2P1

??

.

.

式中，?为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表1所示。

表1 小型变压器的效率

(Vi?Vo)min?3V(Vi?Vo)max?40V

，可得到LM317的输入电压范围为:

Vomax?(Vi?Vo)min?Vi?Vomin?(Vi?Vo)max

15V+3V?Vi?1.5V+40V

18V?Vi?41.5V

副边电压V2?Vimin/1.1?18/1.1V，取V2=17V，副边电流I2?

Iomax?1.5A，取I2=1A通过电流扩展可达到I2?1.5A，则变压器副边输出功率P2?I2V2?25.5W。 由表1可得到变压器的效率?=0.7，则原边输入功率P1?P2/?

?36.43W。为留有余地，选功率为50W的电源变压器。

3．选整流二极管及滤波电容

(1)、在?12V直流稳压电源电路设计中整流二极管D选1N4007即可，其极限参数为VRM?1000V，IF=1A，满足VRM?2。滤波电容容量较大，一般采用电解电容器，选用3300?F/50V即可。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

(2)、在可调式直流稳压电源电路及电流扩展直流稳压电源电路中整流二极管D选1N4007，其极限参数为VRM?1000V，IF=1A。满足VRM?2，IF=Iomax的条件。滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定，滤波电路的电路图如图

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14(a)所示，其输出电压波形如图14(b)、(c)所示，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。(）已知，Vo=15V，Vi=18V，取?VoP?p=9mv,Sr=0.005<0.05,符合要求，

则稳压器的输入电压的变化量

?Vi?

Ict

?Vi?VoP?PViVoSr?Iomaxt?Vi?2.2V 滤波电容 C=?3636?F

2?24V。故取2只3300?F/50V的电容相并联。

图14 滤波电路及其输出波形

四、总原理图及元器件清单

1．?12V直流稳压电源总原理图如图15所示，可调式直流稳压电源总原理图如图16所示，电流扩展直流稳压电源电路总原理图如图17所示：

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图15 ?12V直流稳压电源总原理图

图16 可调式直流稳压电源总原理图

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图17 电流可扩展直流稳压电源电路

2．元件清单

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说明:以上各幅图中的240?的电阻R2因市场中没有，用的是各两个120?的电阻串联；以上电路中因市场没有2.64K的电位器，所以只能用最接近的5K电位器代替，所以硬件安装时用的是5K电位器。（）

五、安装与调试

因以上各电路非常相似，很接近，只是在小范围有点点差别，所以在安装和调试时是类似的，安装调试如下：

1. 首先在变压器的原边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他元器件，其额定电流要略大于Iomax，选FU的熔断电流为1A，各元器件按理论电路

图正确焊接，注意布局紧密，不出现虚焊或漏焊。

2. 先选好适当大小的电路板，再合理布局。

3. 安装时先安装较小的元器件，先安装集成稳压电路，再安装整流电路，最后安装滤波电路，有三极管时因三极管对温度很敏感，所以要最后安装，但在安装的过程中要特别注意电容、二极管和三极管TIP41C的极性，并且要注意LM 7812 、LM 7912和LM317管脚的接法。注意安装要一级测试一级，检查电路安装无误后，再连接安装变压器。

4.接通电源后，静置一会待电路稳定后没出现任何故障（如芯片被烧等）再进行测量，若出现类似状况应立即断开直流电源，检查问题所在并及时排除故障再进行测量。用万用表分别测量变压器原、副边线圈的输出电压，滤波后的输出电压，7812，7912的输入和输出电压。对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压Vi≤18V，调节RP1，输出电压VO随之变化，说明

稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正、反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压Vi应为正。断开交

流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压VO为规定

值，说明各级电路均正常工作，可以进行各项性能指标的测试。

六、性能测试与分析

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1.?12V直流稳压电源的性能测试

依次用万用表的250V的交流档测量变压器的原边电压，25V的交流档测量变压器的副边电压，25V直流档测量滤波后的输出电压、稳压器的输入电压和电路的最后输出电压，并记录测试结果如下表2：

表2

相对误差计算:

其中变压器的副边电压的理论值为?15V，滤波后的输出电压的理论值为U01=1.2U2=1.2*15V=18V，U01=1.2U2=1.2*（-15）V=-18V，输出电压的理论值''

'为U02=+12V，U02=-12V，则有： 变压器副边电压的相对误差:a1=（15-15）?15*100%=0%

a2=（15-15）?15*100%=0%;

滤波后的输出电压的相对误差：b1=|18-18.1|?18.1*100%=0.55%

b2=（-18+18.1）?18.1*100%=0.55%

输出电压的相对误差：c1=|12-12.05|?12.05*100%=0.41%

c2=|-12+11.95|?11.95*100%=0.42%

2.可调式直流稳压电源的性能测试

按图18电路的连接方法进行稳压电源性能指标测试，输出端接负载电阻RL， 14

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图18 稳压电源的性能指标测试电路

连接好测试电路图检查无误后通电，输入端接220V的交流电压，先将万用表打到25V电压的直流档，然后接上万用表对输出电压进行测量，由小到大慢慢地调节稳压电路中的5K电位器，观察万用表的读数，并记录测试的结果为输出电压可调范围为：1.5V?15V，记录完数据后迅速调节电位器使输出端电压减小，再断电。[］

相对误差计算：

理论输出最小电压为1.5V，输出最大电压为15V

d1=(1.5-1.5) ?1.5*100%=0%，d2(15-15) ?15*100%=0%

3.电流扩展直流稳压电源的性能测试

先将万用表打到5A直流档，再接通电源，直接将用万用表串联到电路中大功率的电阻的输出端，然后读数并记录数据后断电，输出电流为Io=1.6A，理论

输出电流为Io=(1??)(Iomax?IR)?1.5A，也可按图18电路连接方法测量输出电

流。测试的实验结果符合要求Io?1.5A，所以不存在误差。

4.稳压系数的测试

在本实验中由于没有自藕变压器，不能调节输入交流电的电压，从而无法测试稳压系数但稳压系数的测试方法为：用图18测试，先调节自藕变压器使输入电压增加10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压Vo1；再调节自耦变压器使

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输入电压减少10%，即Vi=198，测量这时的输出电压Vo2，再测Vi=220V时对应的

输出电压Vo，则稳压系数为Sv??Vo/Vo?Vi/Vi?220242?198.Vo1?Vo2Vo。[)

5.产生误差的原因：

综上数据计算与处理和误差计算分析，本实验在误差允许的范围内，符合实验设计要求，但毕竟存在小小的误差，主要原因有：

(1). 实验测量仪器万用表本身存在缺陷，不精确，可采用更高精确度的仪器去测量；

(2). 实验器材受环境温度的影响。如二极管和三极管对温度比较敏感，易受温度的影响，使得测量数据有所偏差；

(3). 焊接不紧或者虚焊会使得输出数据不稳定或者说万用表的指针不易稳定，偏转较明显，从而导致读数不准；

(4). 各导线接触不是很好也会导致实验误差。

(5). 测输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；

七、结论与心得

经过如此长的时间的努力终于如期地把本次的课程设计做好啦，本次实验设计的结果基本符合要求。在实际中，由于有些元器件在本地市场上没有卖，因而只好用些能过替代的元器件替代，因而在选择元器件时比较难选，也比较麻烦，需要在网上查找很多元器件的有关资料，如元器件的参数和三极管TIP41C、LM317、LM7812、LM7912的管脚连接方法。在这次课程设计过程中由于在设计方面和购买器材时缺乏经验，所以第一次买的有些元器件不符合要求，如大功率的电阻和电流扩展中用到的大功率的三极管，导致焊上去的电阻被烧坏啦，搞得我跑实验室跑了几趟，但最后换成大功率的就好啦，又由于在理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，如：在选择计算标准件的时候可能会出现误差，如果是联系紧密或者循序渐进的计算误差会更大；这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。在设计和实验过程中遇到了很多问题是我很难解决的，但经过我和队友以及其他同学的帮助建议下，我得到了信 16

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心，使我能够很好地解决并完成它，对于我来说，收获最大的是方法和能力——那些分析和解决问题的能力，同时也巩固了我对理论知识的掌握，以及提高了我的动手能力。[]在本次课程设计中让我深深地体会到了团队间的相互鼓励和团结也是很重要的，更重要的是要有个人的恒心、耐心和毅力。

有些理论值与实际值并不是很符合的，买的元器件的标的参数和实际测量的并不一致，且并不是所有的理论值都是最佳的，还需通过实践来确证。在焊接电路板时一定要十分小心细心清醒，不能焊错或漏焊，也不不能虚焊，否则就会因为小小的失误而失败。

八、参考文献

1．童诗白 华成英 主编 《模拟电子技术基础》（第四版） 高等教育出版社

2．谢自美 主编 《电子线路设计·实验·测试》（第三版） 华中科技大学出版社

3.彭介华 主编 《电子技术课程设计指导》 高等教育出版社

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篇二 : [经典]直流稳压电源电路

 

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图5一21所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。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。

由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S 来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为。

2.输出电阻小

负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。

输出电阻（又叫等效内阻）用rn 表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。

rn 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn 越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。

3.电压温度系数小

当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示：

4.输出电压纹波小

所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。

上节介绍的串联型稳压电路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。但是，这种电源还有许多“天生的”缺陷，要提高对性能的要求，就必须再做一些改进。从以下四个右面对它的性能加以改善，便可做成一台有实用价值的稳压电源了。这就是：增加放大环节，提高稳定性，使输出电压可调；用复合管做调整管，使输出电流增大；增加保护电路，使电源工作安全可靠。

图中，BG1是调整管，BG2是比较放大管。输出电田变化量△Usc的一部分与基准电压Uw 比较，并经BG2放大后进到了BG1的基极。Rc 是BG2 的集电极电阻，又是BG1的上偏置电阻。R1、R2是BG2的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUsc的一部分作为输出电压的取样，送给BG2的基极，因此又叫取样电路 R2 上的电压Ub2：叫取样电压。DW和R3组，成稳压电路，提供基准电压

从电路中可以看出，当输出电压Usc下降的时候，通过R1 、R2组成的分压电路的作用，BG2的基极电位Ub2也下降了。由于基准电压UW 使BG2的发射极电位保持不变，Ubc2 ：＝Ub2，一UW随之减小。于是BG2集电极电流Ic：减小，Uc2增高，即BG1的基极电位Ub1增高，使Icl增加，管压降Uce1减小，从而导致输出电压Usc保持基本稳定。BG2的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。

如果输出电压Usc增高时，同样道理，又会通过反馈作用使Usc减小，保持输出电压基本不变。

下面谈谈各元件的选取原则。前面已经提到，Rc是放大级的负载电阻，又相当于调整管的偏置电阻。Rc大，放大倍数大，有利于提高稳压器指标，但Rc过大会使BG2和调整管电流太小，限制了负载电流和调整范围。通常Rc根据下列公式选取：

Usrmin 为整流输出的最小电压。Ic2可取1～3毫安。稳压管DW的稳定电压Uw，选择范围比较宽，只要不使BG2饱和（即Uw比Usc低2伏以下）均可。Uw取得大，取样电压可大些，有利于提高稳压性能。限流电阻R3通过的电流I3，应该等于DW的稳定电流，那应满足下述关系：

输入电压Usr应大于输出电压Usc3～8伏。Usr过小，调整管容易饱和而起不到调整作用；Usr过大，则增加管子耗损，并浪费功率。整流纹波小的，Usr可取低些；纹波大的，Usr应取高些。调整管BG1的β值要尽量大，为此可以使用复仓管。调整管的功耗也要足够大，应满足下式要求：,Usrmax 为电网电压最高时的整流输出电压。

放大管BG2 也要选用β值大的管子，以增强对调整管的控制作用，使输出的更稳定。在Usc较大的稳压电路中，还应注意BG2所能承受的反向电压，应选取的晶体管。

分压电阻（R1＋R2）要适当小些，以提高电路性能。通常取流过分压电阻的电流大于放大管基极电流的5-10倍。分压比决定于输出电压Usc和参考电压Uw，由下式决定：一般可先选定R1 或R2，再通过计算调整另外一只电阻器，分压比要选得大些，一般选0．5～0．8。

用复合管做调整管时，BG2的反向电流Iceo2将被放大，尤其是采用大功率锗管时，反向截止电流Icbo比较大，并随温度增高按指数增加，很容易造成高温空载时稳压电源的失控，使输出电压Usc增大。误差信号ΔUsc经放大加到BG2 的级基极来减少Ic人，可能迫使BG2截止。为了使调整管在不同温度下都工作在放大区，常在BG1的基极加电阻（R7）接到电源的正极（如图5一24）或负极。在温度或负载变化不大或全用硅管时，可不加这个电阻。

R7的数值，可近似由下式决定：

保护电路的形式很多。图5－25是二极管保护电路，由二极管D和检图5－25 二极管保护电路测电阻R0组成。正常工作时，虽然二极管两端的电压上低下场，但二极管仍处于反向截止状态。负载电流增大到一定数值时，电阻RO上的压陷ROIe 加大，使二极管导通。由于UD＝Ube1＋RO Ie,而二极管的导通电压UD是一定的，则Ube1被迫减小，从而使Ie限制到一定值，达到保护调整管的目的。在使用时，二极管要选用UD 值大的。

图5－26是三极管保护电路。由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时，通过R4与R5的压作用，使得BG2的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压。于是BG2处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2的发射极相当于接地，则BG2处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管BG1基极和发射极近于短路，而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护目的