用三端式稳压器设计直流稳压电源——模电课程设计报告

模拟电子技术基础课程设计报告

系别：物理系

专业：电子信息工程专业指导教师：

班级：

姓名：

吕梁学院

2014.5

内容摘要

本设计是关于输出+12V简易直流稳压电源的设计，论题方向是以单相桥式整流及三端集成稳压器为主，设计一台具有实用价值的小容量简易直流稳压电源。要求：(1)输出电压Uo＝12V；最大输出电流为I O=1A。(2)输出纹波电压(峰峰值)小于5mV(I Omax=1A)，(3)其它指标要求同三端式稳压器

按照所学知识和相关指导书及补充的写作要求，综述了目前常用直流稳压电源的分类、各自适用范围及优缺点，完整详细地设计了输出+12V简易直流稳压电源电路，并对各组成部分的功能及工作原理进行了分析。

关键词：直流稳压电源；集成稳压器；小容量；设计；分析

Prose summary

This design is about the design of simple output + 12 v dc regulated power supply, the direction of the thesis is based on single phase bridge rectifier and integrated three-terminal voltage regulator is given priority to, design a simple practical small capacity dc regulated power supply. Requirements: (1) the output voltage Uo = 12 v; Maximum output current for IO = 1 a. (2) the output ripple voltage (fengfeng value) is less than 5 mv (IOmax = 1 a), (3) other indicators requirements with three-terminal voltage regulator

According to the knowledge and related instructions and supplement of writing, the current commonly used dc regulated power supply, the paper summarized the classification and their respective applicable scope and pros and cons, in full detail design output simple + 12 v dc regulated power supply circuit, and the function of each component and work principle are analyzed.

Keywords: dc regulated power supply; Integrated voltage regulator; Small capacity;

Design; Analysis of the

课程设计任务书

目录

内容摘要 (2)

课程设计任务书 (2)

引言 (3)

1 直流稳压电源的分类 (4)

2 设计任务 (5)

2.1 设计技术指标 (5)

2.2 设计要求 (5)

2.3 要求掌握 (5)

3 系统设计方案 (6)

3.1 指示电路 (6)

3.2 变压电路 (6)

3.3 整流电路 (6)

3.4 滤波电路 (7)

3.5 三端集成稳压器的基本应用电路 (7)

4 系统分析与设计 (8)

4.1 电路的基本组成 (8)

4.2 组成部件的功能 (8)

5 电路图及电路的工作原理 (9)

5.1 +12V简易直流稳压电源电路图 (9)

5.2 +12V简易直流稳压电源电路的仿真 (9)

5.3 +12V简易直流稳压电源电路的工作原理 (9)

6 系统制版与安装 (10)

6.1 +12V简易直流稳压电源电路PCB图 (10)

6.2 +12V简易直流稳压电源电路三维视图 (10)

6.3 +12V简易直流稳压电源电路转印图 (10)

7 心得体会 (11)

8 主要元器件清单................................... 错误！未定义书签。参考文献 (15)

引言

人类的经济活动已经进入工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是位于市电与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础，而稳压电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、等多学科技术。随着科学技术的发展，目前稳压电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科；它为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高功率、高可靠性起着关键的作用。

小功率稳压电源的组成主要是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过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还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

将串联稳压电源和保护电路集成在一起的集成稳压器。现在的集成稳压器只有三个端口：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。本次设计的输出+12V稳压电源是采用三端集成电路为主要稳压器件，他具有结构简单、体积小重量轻、电源输出不间断、功率高、造价低、电源能工作在特殊的环境中、高稳定度（节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率）之优点，随着电子设备的越来越普及，将越来越广泛。并为现代生产和生活带来深远的影响。

1 直流稳压电源的分类

当今，电子产品已普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比愈来愈高，功能愈来愈强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。它的性能直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。电压稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的非线性稳压，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去附属于其他电子设备的状态，逐渐演变成一个独立学科分支。目前生产的直流稳压电源种类很多，主要分类方法是按调整元件的工作状态分类，其次还可以从其它不同角度来分类：

(1) 按稳定方式分，有参数型稳压电源和反馈调整型稳压电源。

参数型稳压电源电路简单，主要是利用电子元件的非线性实现稳压，例如一只电阻和一只稳压二极管即成参数稳压器。按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。

反馈调整型稳压电源具有负反馈闭环，是闭环自动调整系统，它的优点是技术成熟，性能优良、稳定，设计与制造简单；缺点是体积大，效率低。

(2) 非线性电源主要是指开关电源，开关电源的分类方法多种多样。按激励方式分，有自激式和它激式

(3) 按调制方式分，有保持开头工作频率不变，控制导通脉冲宽度的，称为脉宽调制型（PWM）；也有保持开头导通时间不变，改变工作频率的称为频率调制型（PFM）；还有宽度和频率均改变的，称为混合型。

(4)按开关电流工作方式分，有频率调制型分晶体管型和可控制硅型。

2 设计任务

2.1 设计技术指标

(1)输出电压Uo＝12V；最大输出电流为I O=1A。

(2)输出纹波电压(峰峰值)小于5mV(I Omax=1A)，

(3)其它指标要求同三端式稳压器

2.2 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。

2.3 要求掌握

通过此集成直流稳压电源的设计，要求掌握：

1. 选择变压器、整流二极管、滤波电容及三端集成稳压器来设计直流稳压电源。

2. 掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测试方法

3 系统设计方案

3.1 指示电路

指示电路为上电输入电源的有电指示，当稳压电源连接到市电AC220V后，有1红色电源指示灯亮。此稳压电源为简易直流稳压电源，所以要求体积比较小。如选用指示灯来指示会使得体积增大，所以一般均采用红色发光二极管来指示，这样体积小成本低。3.2 变压电路

通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。

3.3 整流电路

整流电路的主要作用是由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路的作用则相当于一个直流电压源。经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。整流电路的种类如下：

1. 半波整流电路

半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。

2. 全波整流电路

全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，所以在实际运用中很少使用。

3. 桥式整流电路

桥式整流电路使用普通的变压器，每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。桥式整流比全波整流多用了两个整流二极管，由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。

为了克服半波整流和全波整流的缺点，在本设计中整流电路采用最常用的桥式整流电路。

3.4 滤波电路

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阴抗小，所以C应该并联在负载两端。电感L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过渺小滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。滤波电路的种类如下：

1. 电容滤波电路

电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在电容还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形见图3

2. 电感滤波电路

电感滤波电路是利用储能元件电感器L的电磁感应使电流不能突变的性质，把电感L 与整流电路的负载串联，也可以起到滤波的作用。

3. 复式滤波电路

当单独使用电容或电感进行滤波，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。复式滤波电路常用的有三种类型，(17页)它们的电路组成原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感波类似。

本设计为简易直流稳压电源，综上所述，采用结构简单、价格低廉的电容滤波电路。

3.5 稳压电路

由于输出电压决定于集成稳压器，所以输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。为使电路正常工作，要求输入电压U1比输出电压U2至少大2.5到3伏。输入端电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.1～1μF。输出端电容C2、C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。D5是保护二极管，用来防止在输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。

4 系统分析与设计

4.1 电路的基本组成

一般直流稳压电源都使用AC220V市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。

因设计任务中要求输入端须设上电指示灯，所以本次设计的小功率稳压电源由上电指示电路、变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路五个部分组成，如下图所示。

+ 上电 + 变压 + 整流 + 滤波 + 稳压 +

u1指示 u2 u3 u4 u I U0

_ 电路 _ 电路 _ 电路 _ 电路 _ 电路 _

（a）稳压电源的组成框图

u

t

（b）稳压电源各单元电压波形图

4.2 组成部件的功能

1. 上电指示电路：输入电源有电指示，接入电网220V交流电后指示灯亮。

2. 变压电路：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

3. 整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

4. 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

5. 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

5 电路图及电路的工作原理

5.1 +12V 简易直流稳压电源电路原理图

5.2 +12V 简易直流稳压电源电路的仿真结果

5.3 +12V 简易直流稳压电源电路的工作原理

输入市网电压AC220V 、50Hz 的交流信号后，通过0.5A 保险丝FU 送到上电指示电路和变压器的原边绕组，上电指示电路由1只普通红色发光二极管串接1只150k Ω、功率1/4W 的限流电阻而成。通过电源变压器得到较低的副边电压U 2并送到整流电路。整流电路由4个1N4001二极管组成桥式整流电路，当正弦交流电压为正的时候，D 1、D 3导通，当交流电压为负的时候D 2、D 4导通，是输出的电压周期变为原来的一半，且电压总为正，从而初步达到变交流电压为直流电压。经过整流以后的电压U i 经过滤波电容C 1、C 2的滤波作用将整流以后的电压里的交流成分即纹波电压滤除。

6 系统制版与安装6.1 +12V简易直流稳压电源电路PCB图

6.2 +12V简易直流稳压电源电路三维视图

6.3 +12V简易直流稳压电源电路转印图

7 心得体会

在第十三周进行了课程实践培训，为期一周的培训到今天就要告一段落了，在这一周的时间里，我学到了很多，我选的课程任务是用三端式稳压器设计一直流稳压电源。它的技术要求主要有三点：(1)输出电压Uo＝12V；最大输出电流为I O=1A。(2)输出纹波电压(峰峰值)小于5mV(I Omax=1A)，(3)其它指标要求同三端式稳压器。着手于这些要求我开始了电路的设计，其中参考了较多的网路资料，也加入了我自己的思考，最终完成了电路的设计仿真及制版的电路图绘制。

一周的时间我学到了很多，首先是电路的分析与设计能力，通过对直流稳压电路的设计，巩固了模电的相关知识，培养了独立思考与团队合作的能力，加深了对电子信息工程专业的了解，然后是对MULTISIM和PROTEL99SE这两款软件的使用，MULTISIM是一款很好的用于模拟电路设计仿真的软件，通过仿真避免了许多在电路设计时未发现的错误，对我的电路设计有很大的帮助，而PROTEL99SE则不需多说了，要制版必然的用到这款软件，其详尽的元件库及丰富的软件功能为我的制版提供了极大的方便。最后是综合能力的提升，实践为我提供了远非理论课所能提供的能力的培养。

8 主要元器件清单

主要仪器仪表清单

示波器万用表功率表

参考文献

[1] 《模拟电子技术基础》，杨拴科编著，高等教育出版社，2010.11。

[2] 《模拟电子技术基础》，童诗白编著，高等教育出版社，2004.4。