直流稳压电源设计、制作与调试

直流稳压电源设计、制作与调试4.3.1 直流稳压电源实训的能力目标（1）熟练掌握电子元器件参数的测试和元器件的选择；（2）具备熟练查阅模拟电子器件手册、参考资料等技术资料的能力；（3）熟练掌握正确使用常用模拟电子仪器仪表（万用表、整流电源、信号发生器、示波器等）、设备、工具（电烙铁、镊子、螺丝刀、钳子、钻头、锉刀）的方法；（4）具备阅读直流稳压电源产品说明书的能力，训练学生分析中等复杂程度模拟电子产品整机电路原理图的能力；（5）掌握电子产品从设计、制作、调试到出成品的全过程及一般方法；熟悉直流稳压电源的结构和基本设计方法，掌握其工作原理和使用方法；（6）具备典型模拟电路(直流稳压电源)的分析、设计、制作、组装、调试及排除一般电路故障的能力；学习、掌握印制电路板的设计、制作方法，培养设计制作的能力（手工设计印制板）；（7）具备对任务实现（电子设计、装调）过程中出现的各种实际问题的独立分析及解决的能力；（8）培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团队合作的精神。

4.3.2 任务和要求1．直流稳压电源实训任务和要求要求用一只LM317三端集成稳压器、一个变压器、一只3DD15D扩流三极管，以及二极管、三极管、电阻、电容、电位器等辅助元件，设计、制作出一台可调式直流稳压电源。

（1）查阅技术资料；（2）完成电路原理设计；（3）根据所设计的原理电路图，完成印制电路的手工设计和制作；（4）将元器件正确焊接在印制电路板上；（5）调试整机电路，是否满足技术指标和功能要求；（6）排除可能产生的故障；（7）将印制电路板正确装配，完成一台具有实用价值的产品；（8）撰写技术报告（实训报告）。

2．直流稳压电源技术指标和功能要求（1）采用三端集成稳压器LM317，稳压电源直流输出电压1.25V～15V可调。

（2）变压器输入交流220V，输出18V交流。

P=25W，最大电流m I=1.5A。

（3）稳压电源最大输出功率m（4）要求系统具有扩流、限流保护、过压保护、指示灯、保险、开关等功能。

3．直流稳压电源实训报告要求（1）题目名称（2）设计任务内容及主要技术要求（3）电路设计①确定方案，应在多种方案比较后选定；②画出整机原理电路框图；③单元电路的设计，元器件的选择和必要的波形图，说明主要工作原理；④估算各主要元器件的参数，并标在电路图中恰当的位置；⑤画出印制板电路图和装配图。

（4）整理测试数据并分析（5）安装调试中遇到的问题及解决的方法（6）收获、体会和建议（7）附录①主要参考资料②电源面板图③元器件清单④整机原理电路图4.3.3 直流稳压电源设计任务分解（实训子项目）1．直流稳压电源的基本功能直流稳压电源的基本功能就是将交流电转变为直流电，且在一定的技术要求下输出稳定的电压，为其它电子电路提供稳定的直流电源。

图4-3-1 直流稳压电源基本功能2．直流稳压电源电路框图直流稳压电源电路框图如图4-3-2所示。

从图中可知，系统由降压变压器、整流器、滤波器、稳压器和保护电路共五个部分组成。

图4-3-2直流稳压电源的电路框图3．直流稳压电源参考电路原理图图4-3-3为直流稳压电源参考电路原理图。

图4-3-3 直流稳压电源参考电路原理图4．直流稳压电源设计任务分解（实训子项目）（1）降压变压器降压变压器将电网220V 、50Hz 交流输入电压降压后变为所需的约18V 交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。

图4-3-4为直流稳压电源变压器电路，图中为了控制电源，在变压器初级接一开关，作为总的电源开关K 。

图中在变压器次级接的B ＊（1A ）是保险管，作用是防止电流过大损坏变压器。

图4-3-4 直流稳压电源变压器电路（2）整流器二极管桥式整流电路将变压器变换后的交流电压转变为单向的脉动直流电压，由于这种电压存在着很大的脉动部分（即纹波），如果用它直接给负载供电，纹波的变化会影响后级电路的性能指标，所以还必须进行处理。

二极管桥式整流电路的优点是输出电压高，脉动系数小（纹波电压小），每管所承受的最大工作反压较其它方案低，电源电压利用率高，因而整流效率也较高，变压器无需中心抽头。

电路的缺点是使用的二极管数量较多（D 1～D 4可采用1N4001～1N4007），整流管总的压降较大，在大电流工作状态下，会使电路效率下降。

（3）滤波器电容滤波电路对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理，使它成为一个含交流成分很小的、更加平滑的直流电压。

即滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定是低于整流输出电压基波频率的。

虽然电容C 1取得越大，脉动系数S 就越小，脉动成分就小，但一般取R L C 1=2)5~3(T T 为交流电网电压的周期（ms 20501==T ）。

电容滤波电路的优点是在输出电流I O 不高时，体积小，成本低。

电容滤波适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

（4）稳压器稳压器为电源的核心部分。

尽管经过整流滤波后的直流电压，可以充当某些电子电路的电源，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大。

因此还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

图4-3-5为直流稳压电源稳压器电路，通过三端可调线性集成稳压器LM317的稳压，输出电压在输入电网波动±10%、输出负载变化以及温度波动几种情况下仍然可以保持不变。

图4-3-5 直流稳压电源稳压器电路三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的，但可以通过外接元件R2、R3来扩展输出电压，达到调压作用，如图4-3-5所示。

输出端和调节端之间在工作时产生标称值为1.25V的基准电压U REF，这个基准电压加在电阻R2上，由于电压是恒定的，就有一个恒定的电流流过输出设定电阻R3，得到的输出电压是：U O=R REF(1+R3/R2)+I ADJ R3I ADJ代表了一个误差项，在设计LM317时尽量减小I ADJ，并使之等于一个常数，完全不随输入电压和负载变化，于是：U O≈1.25(1+R3/R2)可见，当R2取定（通常取R2=240Ω）后，改变R3的值，输出电压U O也随之改变，即输出U O可调。

发光二极管LED与限流电阻R1串联接在稳压器的输入端，当电源开关K闭合时，指示灯亮。

C2：应靠近稳压器，起消振作用（即防止自激振荡）。

C3：为一旁路电容，可进一步抑制纹波，当输出电压升高时，C3可防止纹波的放大。

（即将R3上的纹波旁路掉）C4：由于使用了C2、C3等，与任何反馈电路一样，某些数值的外接电容（500рF ~5000рF）可能引起振荡，C4的作用就是消除这种效应，确保工作稳定。

T1：扩流电路。

由于三端集成稳压器输出电流固定且较小，带负载能力差，在实际工作中，往往需要稳压器输出较大电流，以提高带负载能力，利用T1进行电流放大，T1接成共集电极电路（射随器），具有电流放大作用，由于电流较大，T1采用3DD15D大功率管。

实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表，作U O的指示。

（5）保护电路对于一个功能完善的稳压电源来说，必须有一套完整可靠的保护电路，在串联稳压电路中，若使用不慎，负载电流过大或输出短路的情况是可能发生的。

此时，LM317内部调整管的功耗将剧增，尤其是在短路的情况下，全部输入电压都加到调整管两端，这就会使调整管的功耗超过它的极限功耗P CM而损坏调整管，所以必须采用合适的过流保护电路。

直流稳压电源保护电路如图4-3-5中的D5、D6和图4-3-6所示。

①保护二极管大多数电容的串联内阻是很小的，当短路时放电电流将产生20A的脉冲尖峰，即使短路的时间很短，但放电能量足以损坏集成电路。

当LM317的调整管有外接电容时，需加保护二极管以防止电容通过小电流端放电而进入调整器。

D5：防止C4的反峰。

当调整管的输出端接有电容C4而输入端被短路时，输出端电容将向调整管输出端放电，放电电流与电容量有关，也与输出电压及输入电压减小的速率有关。

D5为C4提供了一条放电回路，即防止C4的反峰高压对LM317的冲击。

D6：防止C3的反峰。

由于在调整管的调整端接有旁路电容C3，当输入或输出端短路时，在C3上要产生一个反峰高压。

当输出端短路时，C3通过D6放电。

当输入端短路时，C3通过D6、D5放电，防止C3反峰冲击调整器。

图4-3-6 直流稳压电源三极管过流保护电路②T2和T3保护电路通过T2和T3保护电路，可以防止电流过载或输出短路时损坏器件。

R6为采样电阻，以便对输出电流进行动态监视。

R6阻值0.5Ω，功率为3W。

当输出电流大于1.5A（额定电流）时，R6上的压降为：1.5A×0.5Ω=0.75V（或大于0.7V）时，三极管T3导通，R5压降升高，T2也导通，从而使从LM317的输出电流从T2分流一部分，这样流进扩流管的电流便减小，输出电流也减小。

从而达到过流保护的目的。

当输出电流减小到一定程度，R6上的压降小于0.7V即T3截止，T2也截止，电路恢复正常。

C5：当负载恢复正常，I O＜1.5A，T3截止，由于C5已充电，使T2再维持导通一段时间，直到C5放电到不能维持T2导通，即防止负载连续突变而造成的T1连续被冲击（防干扰），同时还具有交流旁路功能。

C6：输出电容，作用之一是滤波，作用之二是防止当输出电压突变时造成对负载冲击（消振）。

5．电路所用元件及其作用表4-3-1 直流稳压电源所用元件及其作用4.3.4 直流稳压电源印制板电路的设计与制作1．直流稳压电源的印制板电路的设计印制板电路的设计是一次十分重要的工艺环节，若设计不当，会直接影响整机的性能，甚至不能正常工作。

一般情况下，印制电路板的一面放置元件称元件面，另一面用于布置印制线称印制面或焊接面。

（1）元件排列的原则①按信号流向排列，一般从输入级开始，到输出级终止；②发热量大的元件，应加散热器，并尽可能放置在有利于散热的位置以及靠近机壳处（甚至可以考虑放在机壳上）；③对于比较大、重的元件，要另加支架或紧固件；④热敏元件要远离发热元件；⑤某些元件或导线间有较大电位差者应加大它们的距离；⑥尽可能缩短高频元件的连接线，设法减小它们的分布参数和相互间的干扰，易受干扰的元件应加屏蔽；⑦可调元件布置时要考虑到调节方便；⑧对称式的电路（如推挽功放、差动放大器、桥式电路、两个相同的子电路等）要注意元件的对称性，尽可能使其分布参数一致；⑨每个单元电路，应以核心器件为中心，围绕它进行布局；⑩元件排列应均匀、整齐、紧凑、单元电路之间的引线应尽可能短，引出线应少；位于边缘的元件，离印制板边缘距离至少大于2mm；元件外壳之间的距离，应根据它们之间的电压来确定，不应小于0.5mm；电路板应留有紧固的位置，放置紧固件的位置应考虑到安装拆缷方便；若有引出线，最好使用接线插头；有铁芯的电感线圈，应尽量相互垂直放置，且远离以减小相互间的耦合；相同的元件应尽量采用相同的跨距。