多路输出直流稳压电源的设计仿真与实现

课程设计

题目多路输出直流稳压电源的设计仿真与

实现

学院信息工程学院

专业电子科学与技术

班级0902

姓名董勇涛

指导教师吴皓莹

2011 年 1 月20 日

课程设计任务书

学生姓名：董勇涛专业班级：电子科学与技术

指导教师：吴友宇工作单位：信息工程学院

题目: 多路输出直流稳压电源的设计仿真与实现

初始条件：

可选元件：变压器/15W/±12V；整流二极管或整流桥若干，电容、电阻、电位器若干；根据需要选择若干三端集成稳压器；交流电源220V，或自选元器件。

可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等

要求完成的主要任务:

（1）设计任务

根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。

（2）设计要求

错误！未找到引用源。要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源

输出：±12V/1A，±5V/1A，一组可调正电压+3~+18V/1A。

错误！未找到引用源。选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Proteus画电路原理图并实现仿真）

错误！未找到引用源。安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排：

1、2011 年1月3日至2011年1月7日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报

告。

2、2011 年1月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

摘要

能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

Abstract

Dc voltage stabilizer for load is to provide a stable dc power electronic devices. The direct current voltage-stabilized source of power supplies are mostly ac power, when communication of power supply voltage or load resistance changes, stabilizer dc output voltage will remain stable. The direct current voltage-stabilized source as electronic device to the high precision, high stability and reliability of the direction of development, electronic equipment of the power supply, put forward higher request. This paper will introduce the direct current voltage-stabilized source design scheme.

目录

第1章多路输出直流稳压电源的总体设计 (4)

1.1 设计内容 (4)

1.2 设计目的 (4)

1.3 设计原始资料 (4)

1.4 方案比较 (5)

1.5 设计实验参数 (6)

第2章实验原理 (6)

2.1 电源变压器 (6)

2.2 整流电路 (7)

2.3 滤波电路 (7)

2.4、稳压电路 (8)

第3章仿真结果显示 (9)

第4章仿真结果分析 (12)

第5章设计总结 (13)

第6章心得体会 (14)

第7章主要参考文献 (14)

一、多路输出直流稳压电源的总体设计

1.1、设计内容及要求

设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50HZ交流电转换为多路直流稳压输出：+12V/1A，-12V/1A，+5V/1A，-5V/1A，+5V/3A及一组可调正电压电源+3-+18V/1A。稳压部分可用分立元件，也可用集成稳压模块。

对设计中所用的电子元器件完成选型，进行原理图设计，对性能指标进行计算分析。

使用相应软件proteus，绘制相应的电路原理图，并进一步对电路图进行仿真。

1.2 设计目的

1．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

2．学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

3．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.3 设计原始资料

直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。主要包括变压器降压、整流、滤波、稳压等部分，也有集成元件来完成稳压功能。硬件制作部分核心元器件：变压器、整流桥、调整管、7805、7812、7905，7912，电阻电容不限。

1.4 方案比较

（1）整流电路的选择:当负载仅需要几十瓦或几百瓦的功率时，常常采用单向整流电路，二当负载需千瓦以上的功率时，则需要采用三相整流电路。因此，本次课程设计，采用单向整流电路。

半波整流电路:

图1.4.1半波整流电路

利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变化的工频交流电变换成单方

向的脉动直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。

它由电源变压器Tr整流二极管D和负载电阻RL组成,变压器的初级接交流电源,次级所感应的交流电压为

其中U2m为次级电压的峰值,U2为有效值。

电路的工作过程是：在u2的正半周（ωt=0~π）,二极管因加正向偏压而导通,有电流iL流过负载电阻RL。由于将二极管看作理想器件,故RL上的电压uL与u2的正半周电压基本相同。

桥式全波整流电路:

图1.4.2桥式全波整流电路

在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由T R次级上端经D1→ R L →D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压(正弦波的正半周）。在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL 上得到另一半波整流电压（正弦波的负半周）。

这样，在负载电阻RL上正、负半周经过合成，得到一个与全波整流相同的电压波形。

半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A 到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。因此，整流电路选着桥式全波整流电路。

（2）滤波电路的选择:

电容滤波:

图1.4.3电容滤波电路

接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,电压的波形是正弦形。在时刻，即达到u2 90°峰值时，u2开始以正弦规律下降，极管是断，

取决于二极

图1.4.4电容充放电电路

管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90°后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，Uc的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点，例如图2.4.4中的t2时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到u2再次超过Uc，如图图1.4.4中的t3时刻，二极管重又导电。

L-C电感滤波:

图1.4.5电感滤波

根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。

利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，

因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大,成本高.

桥式整流电感滤波电路如图1.4.5所示。电感滤波的波形图如图2.4.6所示。根据电感的特点，当在桥式整流电路中，当u2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后u2不到90°。当u2超过90°后开始下降，电感上的反电势有助于

D1、D3继续导电。当u2 处于负半周时，D2、D4导电，变压器副边电压全部加到D1、D3两端，致D1、D3反偏而截止，此时，

图1.4.6电感滤波波形

电感中的电流将经由D2、D4提供。由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角θ都是180°，这一点与电容滤波电路不同。输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。由以上分析可知，电容滤波电路简单,输出直流电压较高，谐波也小,适用于输出电压较高.负载变动较小的场合。而电感滤波在一般直流稳压电源，特别是小功率电源中很少使用,在负载电流较大的情况下，通常采用电感滤波.本次课程设计，负载变动小，且负载电流不大,因此采用电容滤波。

（3）稳压电路的选择:

稳压管稳压电路:

图1.4.7稳压管稳压电路图1.4.8稳压管击穿

稳压原理很简单,利用稳压管的反向击穿性，将电压稳定在一定范围。集成稳压电路:

图1.4.9集成稳压器

三端稳压集成电路也称三端稳压管，它的样子就像是普通的三极管，电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××

系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、输出端和接地端。将元件有标识的一面朝向自己，若是78系列，三条引脚分别为输入端、接地端和输出端；若是79系列，三条引脚分别为接地端、输入端和输出端。

用78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。有时在数字

78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24，这是用来区别输出电流和封装形式等，其中78L系列最的大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1．5A。它们的封装也有多种，根据元件的安置情况会有所不同。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将会变差，甚至损坏。

集成稳压具有体积小，总量轻，安装和调试方便，可靠性和稳定性高等优点。因此本次课程设计选择LM317集成稳压器。

2.5 +-5V、+-12V设计原理图

+3-+18V可调直流电源原理图

图1.5.2+-3V、+-18V设计原理图

本设计是把几个供电模块集成到一个供电电源上，能够同时提供固定输出+12 V、-12V（最大输出电流1 A）和固定输出、+5V、+5V（最大输出电流1 A）的直流电输出。

（1）输出+/-12 V：核心器件选用稳压器7812 和7912，组合应用这两个稳压器件与一个硅整流桥相接，按下图连好电路就能输出+/-12 V 的电压。组合用7812 和7912时，公共输出接地端用的是变压器输出端口的+12 V 并分别接入7812 的接地引脚（GND）和7912的电压输入引脚（Vin）；硅整流桥的正、负输出端口则分别接入7812的电压输入端（Vin）和7912 的接地端；滤波电容用了两个1000 uF 首尾相接，连接处接公共输出接

（2）输出+5V：核心器件选用7805 三端集成稳压器，其输出电压为+5 V，额定电流1A。当变压器变压后输出6.3 V 交流电，经KBPC810 硅整流桥，整流后输出约6 V电压，滤波后由7805 三端集成稳压电源处理，输出+5V电压，电流最大输出为1 A。

图1.5.3LM317稳压

图1.5.4LM7805稳压

（3）输出+5V/1A：核心器件选用7805 三端集成稳压器，其输出电压为3V，额定电流最大输出5A 。电容C组成滤波网络，以减小输出的纹波电压。

（4）输出可调3V-18V/1A可调直流电压：核心器件选用317 三端集成稳压器，其输出电压为V=1.25（1+RP/R），额定电流5mA -10mA。RP为精密可调电位器，电容C与RP并联组成滤波网络，以减小输出的纹波电压。二级管D的作用是防止输出端与地短接，损坏稳压器。

1.4 设计实验参数

①输出电压Vo及最大输出电流Iomax;

I档Vo=±12 V对称输出，Iomax=100mA;

II档Vo=+5V, Iomax=300mA;

III档Vo=（+3~+18）V连续可调，Iomax=200mA

②纹波电压：△Vop-p≤5mA;

③稳压系数：SV≤0.005

；

二实验原理

2.1电源变压器

电源变压器是将交流电网220V50HZ的电压变为所需要的电压值，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。选择电源变压器

1）确定副边电压U2:

根据性能指标要求：Uomin=3V Uomax=9V

又∵ Ui-Uomax≥(Ui-Uo)min Ui-Uoin≤(Ui-Uo)max

其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V

∴12V≤Ui≤43V

此范围中可任选：Ui=14V=Uo1

根据 Uo1=(1.1～1.2)U2

可得变压的副边电压：

2）确定变压器副边电流I2

∵ Io1=Io

又副边电流I2=(1.5～2)IO1 取IO=IOmax=800mA

则I2=1.5＊0.8A=1.2A

3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：Po>I2U2=14.4W

图2.1.1电源变压器

3.2整流电路

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL ，且方向是一致的。电路的输出波形如图所示

图2.2.1整流桥

输出直流电压V1与交流电压有效值V2关系为V1=1.1V2 通过 每只二级管的平均电流0.45V2/R

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 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (U2是变压器副边电压有效值)。

3.3、滤波电路

滤波电路选用一个3300μF 的大容量电解电容C1 和一个0.33μF 的小容量涤纶CL11 型电容C2 并联滤波，如图3 所示。理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2 不起作用。但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，几乎不存在电感。在大电容C1 上并联一个小电容C2 可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到地线，滤除各种高频干扰成分。电路的输出波形如图所示。

3.4、稳压电路

1、稳压电路选用三端集成直流稳压器，其电路连接方式一般如下图 所示。

图2.4.1稳压集成器

性能上，常用的集成稳压器有三端固定式、三端可调式和开关式。以三端固定式为例，其正输出为7800（后两位代表输出的额定稳压值，00 是统称）系列，负输出为7900 系列，常见的有05、06、08、09、12、15、18、24 八种。一般要求最小的输入、输出电压差（UI-U0）为2 V ~3 V；输出稳压的容差约为5%；最大输出电流IOmax有0.1 A （如78L12），0.3 A （如78M12）和1.5 A （如7812）等多种，部分器件的最大输出电流可达 2.2 A；其最大输入电压UImax 一般是7818 档以下为35 V，7824 档为40 V；电压调整率SU 一般为0.01%/V；输出电阻R0小于0.1Ω；纹波抑制比SVP 一般为50dB；温度系数ST 一般为每度1mV ~2.4 mV。图4 中，引脚1 为电压变换的输入端，引脚2 为电压变换后的输出端，引脚3为接地端。电容Ci 作用是改善纹波和抑制输入的过电压，一般取值为0.33 μF。C0 作用是改善负载的顺态响应，一般可选取0.1μ F 的电容，当采用大容量的电解电容时效果更好。稳压电源的输入输出端要跨接一个二极管，以防止集成稳压器输出调整管损坏。

三、仿真结果展示

3.1 +5V波形图

图3.1仿真结果图

图3.2仿真结果图

图3.3仿真结果图

图3.4 3V-18V可调直流电压输出图

四、仿真结果分析

5.1 +-5 V仿真结果分析

如上图可知，220V、50Hz交流电经过变压器（U2=√L2/L1 U1，即U2=1/15 U1），输出10V的波动电压，经过整流桥后，呈现的是示波器中黄线的半波波形，接着，经过500nF的滤波电容后，变为含有较小谐波的直流电压，波形如示波器中蓝线所示，趋向于直线，接近直流，最后，电压通过7805稳压器，谐波被去除，成为较为稳定的直流电，如示波器中红线波形所示，达到实验要求。而-5V电压由于采用7905稳压器，输出类似于+5V，输出波形一致。

5.2+-12V仿真结果分析

如上面第三个图所示，220V、50Hz交流电经过变压器（U2=√L2/L1 U1

即U2=1/15 U1）之后，也是输出10V的波动电压。但是经过整流桥和滤波电容的整流和滤波作用之后，输出如图所示中第二条黄色波形，之后再经过7812和7912稳压器稳压之后，就出现较稳定的的+-12V，如图中电压表所示，满足设计要求。

5.33~18V仿真结果分析

同样，220V、50Hz交流电经过变压器之后，在经过整流、滤波和稳压之后，再利用滑动变阻器进行调节，使之产生可变的输出电压。核心器件选用317 三端集成稳压器，其输出电压为V=1.25（1+RP/R），额定电流1A。RP为精密可调电位器，电容C与RP并联组成滤波网络，以减小输出的纹波电压。二级管D 的作用是防止输出端与地短接，损坏稳压器。

五、实验总结

经过三个小时的设计原理的分析,电子元件的选择,和元件的排版,我才开

着手焊接。刚开始的时候感觉有点困难，后来慢慢就有感觉了，焊接也有亮点，光滑多了。焊接过程中遇到掉铜盘的情况，和锡太多的情况，但都小心自习的解决了，焊完之后进行调试，也有点不顺利，比如一个开关同时控制两个灯，还有一个灯不亮，于是静下心来自习对照原理图检查，终于把错误检查出来并改正了。整个元件选择，布局，焊接调试都是自己独立完成的，不懂得就请教同学。以后得多加强动手能力，逐步发挥动手能力，真正做到理论与实践结合。

六、心得体会（手写）

七、实验参考文献：

1、《模拟电子技术基础》吴友宇主编，清华出版社2009

2、《电子技术基础（模拟部分）》康华光，高等教育出版社2003

3、《模拟电子技术基础仿真实验》张丽华、刘勤勤主编，西安电子科技大

学出版社2008

4、《电路分析基础》刘岚、叶庆云主编，高等教育出版社2007

5、《模拟电子技术基础》华成英，高等教育出版社2006