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直流电源充电器的设计与制作

摘要：一般晶体管电路都需要直流电源，而且是稳定的电源，才能正常工作，如收音机，电视机等。不管是用分立元件组成电路，还是用集成电路，其中都少不了放大信号的晶体管。为了保证晶体管能够保证放大信号，必须采用稳定的直流电源供电，稳定的直流电压可由干电池或蓄电池获得，但他们储蓄电量的能力有限，不能供应电器长时间工作。
稳定的直流电源可由交流电经过降压，然后经过稳压获得，这就是常见的稳压电源，他能供电器长时间工作。本课题主要设计一个连续可调稳压电路以及用这个电路对5号和7号电池进行充电，以实现其多功能化。

关键词：整流电路 滤波电路 稳压电路 充电电路

14

目 录

摘要………………………………………………………………………………………………1.
1设计目的………………………………………………………………………………………3
2设计任务和要求 ……………………………………………………………………………3
3设计步骤………………………………………………………………………………………3
3.1电路图设计……………………………………………………………………………………3
3.2电路安装与调试………………………………………………………………………………4
4总体设计思路…………………………………………………………………………………4
4.1直流稳压电源设计思路………………………………………………………………………4
4.2直流稳压电源原理……………………………………………………………………………4
4.3直流稳压电源充电器部分……………………………………………………………………7
5实验设备及元器件……………………………………………………………………………8
6测试要求 ………………………………………………………………………………………8
7焊接电路板及调试组装 ……………………………………………………………………9
7.1焊接与安装……………………………………………………………………………………9
7.2测试与调整……………………………………………………………………………………9
8注意事项 ………………………………………………………………………………………9
9结论 ……………………………………………………………………………………………11
参考文献…………………………………………………………………………………………11
致谢………………………………………………………………………………………………12

前言

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人的工作、生活的关系日益密切，电力电子设备都离不开可靠的电源。目前国内多数厂家所做的工作是交流电压稳定。下面结合市场有的交流稳压电源简述其分类 ，主要分为参数调整（谐振型、自耦（变比）调整型、开关型交流稳压电源等。
本电路设有快慢充电3V、6V直流电源输出转换、正负极转换，同时一次可充4节5号或7号电池。
本次实验目的是：通过本次课题的设计,掌握模拟电路系统的设计方法，设计步骤。学会直流稳压电源及充电器的设计方法和性能指标测试方法。培养实践技能以及分析和解决实际问题的能力。经过自我的学习以及资料的查找和阅读，对直流电源充电器的原理有了比较全面的了解，并且设计出的实物能够正常使用（误差在允许范围内）。

1 设计目的
1. 通过本次课题的设计,掌握模拟电路系统的设计方法，设计步骤。
2. 学会直流稳压电源及充电器的设计方法和性能指标测试方法。
3. 培养实践技能以及分析和解决实际问题的能力。
2 设计的内容要求
1. 设计并制作一个连续可调直流稳压电源及充电器，主要技术指标要求
（1） 输出电压：交流220V，直流3V，6V
（2） 最大输出电流：500mA
（3） 电池充电器：左通道（E1,E2）充电电流50～60MA(普通充电)；右通道（E3,E4）充电电流110～130mA（快速充电）
（4） 稳压电源和充电器可同时使用，但两者电流之和不能超过500mA
2. 设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。
3. 自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。
4. 批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。
3 设计步骤和要求
3.1电路图设计
（1）设计整个系统是由那几个模块组成，各个模块的信号传输，并画出组成系统方框图。
（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。
（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。
（4）总电路图：
3.2电路安装与调试
（1）自行设计印刷电路板，并焊接。
（2）在每个模块电路的输入端加一个输入信号，测试输出端信号，以验证每个模块电路能否达到所规定的指标。
（3）重点测试稳压电路的稳压系数。
（4）将各模块电路连接起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。
4 总体设计思路
4.1直流稳压电源设计思路
（1）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。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）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。
（4）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。
4.2直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出6V、9V的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。

图1直流稳压电源方框图

其中：
（1）电源变压器：电源变压器的作用是将220v的交流电压变换为9v的交变电压，以提供整流滤波电路所需电压。整流电路由四个整流二极管按桥式整流方法连接对输入交流电压进行整流。
（2）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
（3）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。
（4）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。
1）整流电路常采用二极管单相全波整流电路。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3所示。

图3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 。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)。
2）滤波电路把经过桥式整流电路得到的直流电压的纹波滤去，但其输出电流电压不太稳定，内阻和纹波较大。C1、C2为滤波电容。如图4所示

图4滤波电路

图5仿真波形
3）在设计中，由于滤波电路输出电压和电流不是太稳定，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： （I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可以采用复合管稳压电路。其组成框图如图6所示
整流电路
复合管
比较放大器
基准电压
取样电路
保护电路

图6稳压电路方框图
具有放大环节的串联型晶体管稳压电路是由调整元件比较放大，基准电压和取样电路等几部分组成稳压电路原理图如图7所示

图7稳压电路原理图
VT1、VT2是复合管作为电压调整管，LED2为发光二极管同时又有稳压管的作用，提供基准电压，R3是它的限流电阻，它们在一起组成稳压电路。电阻R4/R5和R6组成分压器，其作用是把输出电压的变化量取出一部分，加到由VT3组成的放大器的输入端，所以叫做取样电路。VT3是比较放大管，R1是它的集电极负载电阻，也是VT2的基极偏置电阻，它将基极的取样电压与发射极的基准电压进行比较并将其差值进行放大。从VT3集电极输出的信号直接加到复合管VT1和VT2的基极。VT3输出电流控制电压调整管c、e极间等效电阻的大小。C1、C2、C3是滤波电容。C2、VT1、VT2、R1又组成有源电子滤波电路。。
稳压电路的过程是这样的：当输出电压U0上升时，电路将发生如下变化：取样电路从输出电压中取样，使VT3基极电位Ub3上升，因稳压管LED2的作用使VT3发射极电位Ue3不变，则VT3发射结正反偏置电压Ube3上升，使VT3基极电流Ib3增加，VT3集电极电流Ic3增加，流过R1的电流I增大，R1上压降增大使复合管基极电位Ub1下降，使VT1发射结正向偏置电压Ube1下降，VT1基极电流Ib1下降，使VT1的c、e间等效电阻R增加，VT1的c、e极间电压Uce1增加，从而输出电压U0下降，达到稳压的目的。同理，当输出电压U0下降时有下述变化过程U0↓→ Ub3↓ →Ube3↓ →Ib3↓ →Ic3↓ →Ub1 ↑→Ube1 ↑→ Ib1↑ →R↑ →Uce1↓→U0↑
同样，当电网电压变化使输出电压U0变化时，稳压电路也有上述过程U0↑→Ub3 ↑→ Uc3↓ →Ub1↓ →U0↓调节电路中S1的大小可以改变输出电压U0的大小S1↑→Ub3 ↑→ Uc3↓→Ub1↓ →U0↓当放大器的放大倍数越大时，输出 电压的稳定度就越高。
4.3直流稳压电源充电器部分
从桥式整流电路输出的直流经过电阻R7后，在VT4集电极产生压降，对电池进行普充。快充部分原理与普充电路原理相同，但由于R9阻值比R7阻值小，而桥式整流电路输出电压一定，因此在快充电路产生的电流大。充电器原理图如图7所示

图7充电器原理图
ZX2018C型直流稳压电源及充电器设计总电路图如图8所示

图8ZX2018C型直流稳压电源及充电器设计总电路图

图9整流滤波稳压电路仿真波形图
5 实验设备及元器件
万用表 示波器 交流毫伏表 二极管 三极管 变压器 电容 电阻
6 测试要求
1. 测试并记录电路中各环节的输出波形。
2. 测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。
3. 测量输出电阻R。
4. 测量稳压系数。用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，则可算出稳压系数Sv。
5. 用毫伏表测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察，记录波形。
6. 分析测量结果，并提出改进意见。
7 焊接电路板及调试组
7.1焊接与安装
（1）清查元器件的数量与质量，对不合格的元件要及时更换。
（2）确定元器件的安装方式、安装高度，一般它由该元器件在电路中的作用、印制板与外壳间的距离以及该器件两安装孔之间的距离所决定。
（3）进行引脚处理，即对器件的引脚弯曲成形并进行烫锡处理。成形时不能从引脚根部弯曲，尽量把所有字符的器件面置于观察的位置，字符应从左到右（卧式），从上到下（直立式）。
（4）插装：根据元件位号对号插装，不可插错，对有极性的元器件，插孔时应特别小心。

（5）焊接：各焊点加热时间及用锡量要适当，对耐热性差的元器件应使用辅助工具散热。防止虚焊、错焊，避免因拖锡造成短路。
（6）焊后处理：剪去多余引脚线，检查所有焊点，对缺陷进行修补，必要时用无水酒精清洗印制板。
（7）盖后盖上螺钉：盖后盖前需要检查1）所有与面板孔嵌装的元件是否正确到位；2）变压器是否座落在安装槽内；3）导线不可紧靠铁芯；4）是否有导线压住螺钉孔或散露在盖外。
7.2测试与调整
总装完毕，按原理图及工艺要求检查整机安装情况，着重检查电源线、变压器连线、输出连线及两块印制板的连线是否正确、可靠，连线与印制板相邻导线及焊点有无短路及其他缺陷。一切正常时用万用表欧姆档测得电源插头二引脚间的电阻大于500Ω以上，即可通电检测。
测试：1）接通电源，绿色通电指示灯（LED1）亮；2)空载电压：空载时测量通过十字插头输出的直流电压，其值应略高于额定电压；3）输出极性：拨动S2开关，输出极性应相应变化；4）负载能力：当负载电流在额定值150mA左右时，输出电压的误差小于±10%；5）过载保护：当负载电流增大到一定值时LED1绿色指示灯逐渐变亮，LED2逐渐变暗，同时输出电压下降。当电流增大到500mA左右时保护电路起作用，LED1亮，LED2灭。若负载电流减小则电路恢复正常；6）充电电流:充电通道内不装电池，置万用表于直流电流档，当正负表笔分别触及所测通道的正负极时（两节电池为一组），被测通道充电指示灯亮，所显示的电流值即为充电电流值。也可用仪器测量1、2、3的测试点。
调整：1）若稳压电源负载在150mA时，输出电压误差大于规定值的±10%时，3伏档更换R4，6伏档更换R5，阻值增大电压升高，阻值减小电压降低；2）若要改变充电电流值，可更换R7（R9），阻值增大，充电电流减小。阻值减小，充电电流增大。

8 注意事项
1．注意所有与版面孔嵌装元件的高度与孔的配合（如发光二极管的圆顶部应与面板孔相平，面板与拨动开关S1、S2是否灵活到位）；
2. VT1、VT2、VT3采用横装，焊接时引脚稍微留长一些；
3．由于空间不够，C1、C2、C3卧装，R4、R7、R9、R11直立装，其他电阻元件一律卧装；
4．整流二极管全部卧装；
5．从变压器及印制板上焊出的引线长度应适当，导线剥头时不可伤及铜芯，多股芯线剥头后铜芯有松散现象，需捻紧以便烫锡，插孔，焊装；
6.为了便于焊接，可根据具体情况采用分类，分片焊装；
7.变压器次级导线以及负极板的连接线和电源输出插座的导线都应通过穿线孔焊在电路板上，负极电路板和电源输出电路板的导线也应通过穿线孔再焊在各自的电路板上；
8．测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏；
9．注意三极管的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性，不应反接；
10. 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。

附 元件清单表
序号
名称
型号规格
位号
数量
序号
名称
型号规格
位号
数量
1
二极管
1N4001
VD1-6
6支
18
负极弹簧片

4个
2
三极管
9013
VT1、3
2支
19
主线路板

1块
3
三极管
8050
VT2
1支
20
负极线路板

1块
4
三极管
8550
VT4、5
2支
21
电源插座

1块
5
发光二极管
Φ3绿色
LED1、2
2支
22
直流电源插座
Φ2、1
DC
1个
6
发光二极管
Φ3红色
LED3、4
2支
23
功能指示不干胶
2孔

1张
7
电解电容
470μF/16V
C1
1支
24
产品型号不干胶
30×46

1张
8
电解电容
22μF/10V
C2
1支
25
电源插头线
1m

1根
9
电解电容
100μF/10V
C3
1支
26
十字插头输出线
0.8m

1根
10
电阻
1Ω、9.1Ω
100Ω
R2、R9
R4
各1支
27
短导线
10cm

6根
11
电阻
330Ω、470Ω
R6、R5
各1支
28
热塑套管
2cm

2根
12
电阻
15Ω、24Ω
R11、R7
2支
29
外壳上盖、下盖

1套
13
电阻
560Ω
R8、R10
2支
30
透明盖、塑料腰条

各1个
14
电阻
1KΩ
R1、R3
2支
31
自攻螺丝
Φ2.5×5

2粒
15
变压器
220V，5.5W
T
1支
32
自攻螺丝
Φ2.5×10

4粒
16
直脚开关
1×2、2×2
S1、S2
各1支
33
自攻螺丝
Φ3×6

2粒
17
正极片

4个
34
装配说明

1份

9 结论
下面是对本设计的总结:
直流稳压电源和充电器是由整流电路、滤波电路、稳压电路、充电电路组成。
电源变压器把220V的交流电变成9V的交流电，通过整流桥把交流电变成直流电，然后通过滤波电路和稳压电路得到稳定平滑的直流电，可以供给我们日常生活中一些小型电子产品的外接电源，并且可以对5号、7号电池进行充电，给我们的日常生活带来了方便。但是本电路仍具有一些缺点，下面我根据设计过程中遇到的一些问题，提出一些改进措施（仅供参考）
电网电压波动引起波动时，将通过放大管集电极电阻R1影响复合管的基极电位，并引起输出电压U0的波动。由于引进带辅助电源的串联稳压电路。
当环境温度 的变化引起放大管VT3静态工作点漂移时，将引起输出电压的不 稳定。由此引进差动放大器电路代替VT3进行比较放大。
增加集电极负载电阻R1可增加放大电路的放大倍数，但同时会使复合管将不到合适的静态工作点，而使稳压电流不能正常工作。由此我们可以采用恒流源负载代替R1.当负载电流过大或负载短路时，流过复合管的额定功耗值而烧坏，因此我们引入限流型、载流型等保护电路。。

参考文献
[1]韩广兴，王春进，韩雪涛.《电子产品装配技能上岗实训》.北京电子工业出版社，2008
[2]张成叔.《计算机文化基础》.北京中国铁道出版社，2008
[3]丁学恭，楼晓春.《电工基础》.北京理工大学出版社，2007
[4]孙津平.《数字电子技术》.西安电子科技大学出版社，2007
[5]周良权.《模拟电子技术基础（第三版）》[M].北京高等教育出版社,2005
[6]杨利军，李移伦，张文初.《应用电子技术》.长沙湖南大学出版社，2011

致 谢
三年的艰苦跋涉，大半个月的精心准备，毕业论文终于到了划句号的时候，心头照例该如释重负，但写作过程中常常出现的辗转反侧和力不从心之感却挥之不去。论文写作的过程并不轻松：各种压力的时时袭扰，知识积累的尚欠火候，致使我一次次埋头于图书馆中，一次次在深夜奋力敲打键盘。第一次花费如此长的时间和如此多的精力， 完成一篇具有难度的论文，其中的艰辛与困难难以诉说，但曲终幕落后留下的滋味，是值得我一生慢慢品尝的。
敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。
我要感谢我的同学们，是他们的无私共享和互帮互助，让我的论文能够早一天完成。
最后，我要感谢我的指导老师，他在百忙之中能够给我细心指导。
谨向我的父母和家人表示诚挚的谢意。他们是我生命中永远的依靠和支持，他们无微不至的关怀，是我前进的动力；他们的殷殷希望，激发我不断前行。没有他们就没有我，我的点滴成就都来自他们。 让我依依不舍的还有各位学友、班友和室友。在我需要帮助的时候陈力力等室友伸出温暖的双手，鼎立相助。能和他们相遇、相交、相知，是人生的一大幸事。
本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。我将继续前行！

附.直流稳压电源电路板图