集成直流稳压电源的设计[1].doc

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明
目 录
课程设计任务书
摘要
1 性能指标要求………………………………………………………………………………1
2 方案设计的选择……………………………………………………………………………1
3 单元电路的设计及器件的选择……………………………………………………………2
3.1 电源变压器…………………………………………………………………………… 3
3.2 整流电路……………………………………………………………………………… 3
3.3 滤波电路及滤波电容的选择………………………………………………………… 5
3.4 稳压电路……………………………………………………………………………… 6
4 元件参数的计算……………………………………………………………………………6
4.1 电源变压器参数计算………………………………………………………………… 6
4.2 整流二极管参数计算………………………………………………………………… 8
4.3 滤波电容参数计算…………………………………………………………………… 8
4.4 稳压器的选择………………………………………………………………………… 8
5 电路总图……………………………………………………………………………………9
6 仿真分析……………………………………………………………………………………9
6.1 电源变压器的仿真…………………………………………………………………… 9
6.2 整流电路的仿真………………………………………………………………………10
6.3 滤波电路的仿真………………………………………………………………………11
7 设计小结和体会………………………………………………………………………… 13
8 元器件清单……………………………………………………………………………… 14
参考文献…………………………………………………………………………………… 14

摘要
本课程设计目的在于培养同学们自主设计制作的能力，同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析。
集成直流稳压电源的设计要求是比较基本的设计，设计要求电源输出三档可调直流电压。设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。通过四部分的组合将220V交流电压转变为设计要求直流电压。并且用仿真软件进行仿真分析。

集成直流稳压电源的设计

1 性能指标要求:
输出电压Vo及最大输出电流Iomax(I档 Vo=±12V对称输出,Iomax=100mA;II档 Vo=+5V,Iomax=300mA;III档 Vo=(+3～+9)V连续可调,Iomax=200mA);纹波电压 ∆Vop–p≤5mV,稳压系数Sv<=0.005.
2设计方案的选择
方案一：采用LM317、LM337共地可调式三端稳压器电源
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，不过它只能允许可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；由一个电阻（R）和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，输出电压为：Vo=1.25(1+RP/R)。LM337输出为负的可调电压，采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装，操作比较简单。电路图2-1所示

图2-1 LM317与LM337组装电路
方案二: 采用LM7805,LM7812和LM7912组装,LM317共同组成稳压电路
LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压如图2-2,固定式三端可调稳压器LM7812和LM7819组装电路可对称输出±12v,其电路图如图2-3所示. LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压,其电路图如图2-4所示.

图2-2 LM7805

图2-3 LM7812和LM7912组装

图2-4 三端可调式稳压电路
方案的最终选择
方案一的电路由三端可调式稳压器LM317和LM337组装而成,可输出范围为±1.25 -±12连续可调,通过对Rw的调整可输出+5V, ±12,(3-9)V连续可调.其电路组装比较简单,但输出所需电压时需要调整可变电阻,不能直接输出,因此使用时不方便.方案二由三端可调式稳压器和三端固定式稳压器共同组成,所用器件比方案一多,但电路组装简单,不会增添麻烦,在方案二中可直接得到+5v和±12的输出电压.使用式比较方便,综上所述,方案二比方案一合理,因此选择方案二

3 单元电路的设计和元器件的选择
集成直流稳压电源由四部分组成:
四部分分别为:电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,方框图3-0

图 3-0 集成直流稳压电源
3.1 电源变压器:
电源变压器的效率电源变压器是将220V，50HZ交流电压降压后输出到副边。

其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。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
副边功率

效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。例如对本次课程设计原边边电功率为20，由表可知其效率η=0.7，则变压器副功率为14W。LM317与LM337输入电压在±（3～40）V,当副边输出电压为±15V时，LM317及LM337都能正常工作。
3.2 整流电路
管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。如图3-2-1
图3-2-1 桥式整流电路
图3-2-2 桥式整流原理
在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图中实线箭头表示。
在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
结合上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图3-2-2
3.3 滤波电路及滤波电容的选择
滤波电路及其原理如下图3-3-1所示:
3-3-1 RC滤波电路

3-3-2 RC滤波电路电容滤波电路中二极管的电流和导通角
为了得到平滑的负载电压，一般取
RLC>=(3~5)T/2
式中T为电源交流电压的周期。
滤波电容的容量可由下式估算：
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；
T——电容C放电时间，t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流 ，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4 V2。
3.4稳压电路
由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。

3-4-1三端可调式稳压器及其电路

3-4-2三端固定式稳压器
集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按照输出电压类型可分为固定式(图3-4-2)和可调式(图3-4-1)，此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。按照设计要求本设计要用到可调式三端稳压器。
4 元件参数的计算
4.1稳压器的参数计算
电源变压器将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
4.1.1 计算含LM317稳压器电路变压器副边输出电压
.由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值(Vi-Vo)min=3V, 输入电压与输出电压差的最大值(Vi-Vo)max=40V,故LM317的输入电压范围为:
Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max
即 9V+3V≤Vi≤3V+40V
12V≤Vi≤43V
即稳压器最小输入电压为12V.根据桥式全波整流输出输入电压关系不难确定变压器副边输出应为
V2≥Vimin/1.1=12/1.1=11V
取U2=12V
取I2=0.5A
因此变压器副边输出功率为:
P2≥I2V2=6W
P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的功率。 ŋ＝P2/P1
所以变压器原边输入功率为:
P1>=P2/ ŋ=10W
为留有余地选择20V/20W的变压器
4.1.2根据LM7812,LM7805计算变压器副边输出电压型号：78MXX:
类别：电源管理类
最大输入电压（V）：35V
输出电压（V）：5.0/12/15
输出最大电流：0.5A
压差：2.0V
静态电流：4mA
封装：TO-220/D-PAK
7812的输出电压Uo为（5-24）V，最小输入输出压差8V，最大输入输出压差为40V，7812的输入电压范围为： 20V≤Ui≤52V
U2≥Uimin/1.1=18V
取U2=20V,I2=0.5A
变压器副边电压P2≥I2U2=10V
为留有余地同样选择20V/20W变压器
4.2整流二极管的参数计算
在含稳压器LM317的电路中的二极管选择:由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm>1.414U2=12×1.414=17V
在含稳压器LM7805的电路中的二级管的选择: 由于二极管最大瞬时反向工作电压URM>1.414×U2=15×1.414=21V
IN4001的反向击穿电压大于50V,额定工作电流I=1A>Iomax.故整流二极管选用IN4001.
4.3 滤波电容的参数计算
滤波电容的容量可由下式估算：
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；
T——电容C放电时间，t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流 ，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于1.4 V2。
在本实验中
Sv=ΔVo/Vo/ΔVi/Vi
式中，Vo=9v 、Vi=12v、ΔVop-p=5mv、Sv=0.005
则 ΔVi =ΔVop-p Vi / Vo Sv=1.4v
所以滤波电容
C= ICt/ΔVip-p = Iomax t/ΔVip-p =0.003636uF
C的耐压值应大于1.4 V2=21v。
由于之前模电实验可知，我们在实际制作过程中采用比理论值小的电容同样能达到很好的滤波效果，因此采用2200μF的电容。
4.4 稳压器的选择
设计要求输出电压为:一档要求输出±12V对称输出电压，二档要求输出+5V，三档要求输出（3-9）V连续可调。稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器。78××系列和79××系列为固定式三端稳压器，可分别输出正电压和负电压。7812可输出+12V，7912可输出-12V，二者组装课得到±12V对称输出。7805可输出+5V电压。317输出电压范围是（1.2-37）V。因此稳压器选择LM7812,LM7912,LM7805,LM317.

5 电路总图
根据元器件参数的计算结果选择适合的元件组成部分电路，并将元件参数标于电路图中。将个部分电路综合得到可输出三档的集成直流稳压电源电路总图，如图5-1所示。第一档有含有CW317稳压器的稳压电路，输出电压（3-9）V。第二档由7812和7912组装而成，输出电压为±12对称输出。第三档由7805稳压器组成，输出电压+5V。电路图满足性能指标要求。

5-1 三档集成直流稳压电源电路图
6 仿真分析
6.1 电源变压器
在变压器初级接入220V/50HZ的交流电，用示波器观察变压器输入、输出电压Vi、Vo的波形。
仿真后的输出结果如图6-1-2所示，其中幅度大的为输入电压Vi波形 ，幅度小的为经电源变压器以后的输出电压Vo的波形。可见经变压器后220V正弦信号变为所需电压值。

6-1-1 电源变压器测试图

6-1-2 电源变压器测试波形
6.2 整流电路
连接整流电路并串联上电阻，分别用示波器和万用表测量输出电压波形和有效值。

6-2-1 整流电路

6-2-2 整流电路测试波形

6-2-1 整流电路波形测量
仿真分析：如示波器显示所示，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
6.3 滤波电路
在整流滤波电路的基础上加滤波电容，用示波器观察滤波后输出电压的波形并用万用表直流电压档测量输出电压。

6-3-1 整流滤波电路的测试

6-3-1 整流滤波点电路

6-3-2 滤波电路波形测量
6-3-2 滤波电路波形测量
由示波器输出波形可知经过滤波后波形为锯齿波，输出电压趋于稳定。
6.4 稳压电路
连接含有LM7812和LM7912的稳压电路，6-4-1如图，用示波器检测器输出两端的波形，如图6-4-2
IN4001

6-4-1 LM7812和LM7912组装电路

6-4-2 稳压电路输出波形

7 设计小结与体会
在做课程设计之前曾在模电实验中接触过集成直流稳压电源，对直流稳压电源的设计有一定的了解。我在知道模拟电子课程设计中要做直流稳压电源是还暗自高兴这是个自己比较熟悉的项目。但在看到要求时才知道自己高兴的太早，因为在模电实验中我做的只是用7812输出+12V电压，这是比较容易做到的，而本次设计要求输出电压为三档，并且要用软件仿真。此刻我才意识到自己对知识的了解和掌握并不全面，也不扎实。做课程设计对从没经验的我并不是简单的事。
为完成这次设计我查阅了很多资料和书籍，我发现查资料也是一门学问，要会查才能找到你所需的内容，我在图书馆查阅了相关的电子设计和电源设计书籍，同时也大量的浏览了网络资源，随着了解的深入对设计有了基本的思路。
在设计中我也遇到了困难，在仿真环节中由于对软件的实用不熟练，很多仿真都没有成功，并且由于时间关系没有对仿真软件进行进一步的学习，这让我觉得很可惜，以后一定会找时间补一下仿真软件方面的知识，以免以后做课设是让同样的问题难倒我。但总体上比没有做课设之前还是有了一定的进步。
通过本次课程设计使我对集成直流稳压电源有了更为深刻的了解，对其构造组成及参数计算掌握的比以前熟练很多，特别是对稳压器的认识比以前更广泛，虽然在课本中接触过稳压器的知识，但课本上的介绍十分简单也十分有限，并且我对课本的记忆不是很深刻，但通过本次自己动手动脑设计之后记忆的就深刻了。尤其是本次设计中用到的317和78××，79××系列的掌握比以前好了很多，不过仍然会有不足。
在模电实验中我出现了几处小错误，通过本次设计使我知道自己当初错在了哪里，也知道该如何改正，但很可惜本次设计不能进行实物操作。我想如果可以进行实物操作同学们的了解一定会更进一步。
本次课程设计是我第一次做课设，为我以后再做课设积累了一定的经验，但由于和考试一起进行，使我在时间上不很充裕，设计中有很多缺陷不能在认真查阅修改。希望在以后的设计中能尽量做好，弥补这次的不足。

8 元件清单

名称
型号
数量
备注
变压器
20V/20W
1

二极管
IN4001
10

IN5819
2

电解电容
50V/2200μF
1

50V/470μF
3

50V/220μF
2

10μF
1

1μF
1

0.33μF
1

0.1μF
1

0.01μF
1

稳压集成器
LM317
1

7805
1

7812和7912
各1

可调电位器
W202/2KΩ
1

参考文献
[1] 谢自美《电子线路设计、实验、测试（第三版）》 华中科技大学出版社
[2] 康华光《电子技术基础 模拟部分（第五版）》 华中科技大学出版社
[3] 段九州《 电源电路实用设计手册》 辽宁科学技术出版社
[4] 舒庆莹 《 电子技术基础实验基础（模拟部分）》 武汉理工大学出版社
[5]
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