线性稳压源报告

《模拟集成电路基础》研究性学习报告
线性稳压电源设计
线性稳压电源设计
摘要：线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是一种电源变换电路，是电子系统的重要组成部分，其功能是为电子电路提供所需要的电能。

电子设备通常需要电压稳定的直流电源对负载供电。

本报告对现有的稳压电源进行了综述，并对线性稳压电源中的整流电路、滤波电路、稳压电路分别进行了设计，特别对于稳压电路部分，分别用分立元件及集成芯片设计了四种电路以实现其功能，并进行了比较。

关键字：线性稳压电源;稳压电路;设计;W317;W7812/W7912
一、综述：
可以说，有电器的地方就有电源。

所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。

现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。

直流电源中有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。

大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等过程变换为所需的直流电压，完成这种变换任务的电源称为直流稳压电源。

现代电子设备中使用的直流稳压电源主要分为两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。

故线性稳压电源亦称为直流线性稳压电源。

它的稳压性能好，输出纹波很小，缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器，而且稳定效率较低。

开关型稳压电源又可按照不同分类方式，分成多种类型。

按照输出是否调整原件（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种隔离可以分成为非隔离型和隔离性两类；按照开关元件的激励方式，可以分成自激励和它激励两种类型；按照输出电压的方式，可以分成为脉宽-调制式、频率调制式和脉宽-频率调制式三种类型；按照电源的输入，可分为AC/DC和DC/DC两种类型；按照开关元件的连接形式，可分成串联型和并联型两种类型。

它的优点是效率高，体积小，重量轻，但却存在着线路结构复杂、维修技术难度大的缺点。

开关电源和线性电源的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

通常，当输出功率较小时，线性电源的成本较低。

但是，当
线性电源成本在某一输出功率点上时，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

本报告主要就直流线性稳压电源进行设计。

直流线性稳压电源是指在稳压电源电路中的调整功率管是工作在线性放大状态，其工作过程为将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个波纹电压和稳定性均能符合要求的直流电源。

二、线性稳压电源的组成及各部分的功能：
线性稳压电源一般由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路。

变压器的作用是把交流电网供给的220V、50Hz交流电变换为合适的数值。

整流电路目的是将交流电转变为直流脉动电压。

滤波电路将脉动电压进行平滑。

稳压器能够把输出的直流电压稳定在所起望的数值上。

其基本组成如下图所示：
图2-1
三、每部分功能电路的设计及参数选择
3.1变压器的选择
选择双15V/30W变压器将220V、50Hz交流电变为15V、50Hz。

3.2整流电路
整流电路是交流电压转换为直流电压的第一步。

一个好的整流电路设计有助于取得更大范围的稳定电压输出。

目前常用的整流电路分为半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

但由于半波整流电路效率低、且直流电压脉动很大，全波整流电路每个整流管承担的反向电压最大值增加一倍、价格较高，因此选用性价比较高的桥式整流电路。

图3-1 整流电路
图3-2 U2电压 图3-3 整流后的电压
由上面的电路图，可以得出输出电压平均值：2)(9.0U U AV o ≈ ，由此可以令出V U 152=即可。

3.3滤波电路
交流电经整流电路后可变为脉动直流电，但其中含有较大的交流分量，为使设备上用纯净的交流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成分。

常见的滤波电路有：电容滤波电路、电感滤波电路、电感电容滤波电路以及∏型滤波电路。

在此电路中，由于电容滤波电路电路较为简单、且能得到较好的效果，故选用此电路。

滤波电容一般选几十至几千微法的电解电容， 由于2
)
5~3(T
C R l = ，故选2200u/25V 的电解电容。

图3-4 滤波电路
图3-5 滤波后的电压
3.4稳压电路
经过整流和滤波后得直流电压，会由于电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变
化。

在绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动显得太大，仍需进一步对其稳定，这就需要采用稳压电路。

线性稳压电路的设计主要分为分立元件稳压电路和线性集成稳压电源。

下面是几种常见稳压电路的设计： ① 并联式稳压电路：
图3-6 并联式稳压电路
该电路的原理为：设R L 不变，电网电压升高使U i 升高，导致U o 升高，而U o =U Z 。

根据稳压管的特性，当U Z 升高一点时，I Z 将会显著增加，这样必然使电阻R 上的压降增大，吸收了U i 的增加部分，从而保持U o 不变。

设电网电压不变，当负载电阻R L 阻值增大时，I L 减小，限流电阻R 上压降U R 将会减小。

由于U o =U Z =U i -U R ，所以导致U o 升高，即U Z 升高，这样必然使I Z 显著增加。

由于流过限流电阻R 的电流为I R =I Z +I L ，这样可以使流过R 上的电流基本不变，导致压降U R 基本不变，则U o 也就保持不变。

反之亦然。

在实际使用中,这两个过程是同时存在的，而两种调整也同样存在。

因而无论电网电压波动或负载变化，都能起到稳压作用。

确立稳压管参数时，一般依据 ，故选取12V 的稳压管。

② 串联式稳压电路：
图3-7 串联式稳压电路
R o
o i o Z o Z U U I I U U )3~2(,)3~5.1(,max max ===
上图是由分立元件组成的串联型稳压电路，电路由四部分组成：
（1）、基准电压：由和组成。

给发射极提供稳定的基准电压。

（2）、取样电路：由组成。

将输出电压的变化量的一部分取出，加到比较放大器和
基准电压进行比较。

（3）、比较放大：将取样电路送来的电压
与基准电压进行比
较，把二者的差值电压加以放大后去控制调整管。

（4）、调整管：根据输出电压的变化量自动调整的大小，以保证输出电压稳定。

是调整管的偏置电阻和负载电阻。

当负载电流很大，可以采用复合管作为调整管
当电网电压波动或负载变化时，可能使输出电压U o 上升或下降。

为了使输出电压U o 不变，可以利用负反馈原理使其稳定。

假设因某种原因使输出电压U o 上升，其稳压过程为
U o ↑→U b2↑→U b1（U c2）↓→U o ↓。

串联型稳压电路的输出电压可由R p 进行调
节。

，式中，R =R 1+R p +R 2,R p 是R P 的下半部分阻值。

因此选R1 =100Ω，Rp=1k Ω，R2=470Ω，8.2V 稳压管。

③ 线性集成稳压电源的设计
随着集成电路规模的发展，电子设备的体积、重量和功耗越来越小，对比起来，电源部分的体积和重量显得过大，因此对电源电路的集成化、小型化及性能提出了越来越高的要求。

国外在20世纪60年代中期出现了小功率多端可调式集成稳压器，大约十年以后，国内也出现W713、W317、W78、XWY9等各种集成类似稳压产品。

这些集成稳压器将取样、基准、比较放大、调整及保护环节集成于一个芯片，按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。

三端稳压器有输入端、输出端和公共端（接地）三个接线端点，由于它所需外接元件较少，便于安装调试，工作可靠，因此在实际使用中得到广泛应用。

（1）固定输出的三端稳压器
W78系列三端集成稳压电路具有固定输出正电压，W79系列三段集成稳压电路具有固定输出负电压。

这两个系列稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工
作区保护电路，因而他的工作是比较可靠的。

如设计一个输出A 1,12最大电流
V ±的线性直流稳压电源，可以选择W7812，和W7912芯片进行设计。

电路图如下：
p
Z
p p Z
o R R U R R R R R U U '+='+++=2221
LM7912CT
¸
¸
图3-8 固定输出的三端稳压电路
图中C 3用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应。

为防止自激振荡，其取值范围在0.1~1μF 之间，在此取330nF ，C 6用以改善负载的瞬态响应，一般取100nF 左右，其作用是减少高频噪声。

(2) 三端可调输出稳压器
上面的78、79系列集成稳压器，只能输出固定电压值，在实际应用中不太方便。

CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L 系列为可调输出稳压器，可以通过改变滑动变阻器来改变输出电压的大小。

其中CW317是三端可调式正电压输出稳压器，而CW337是三端可调式负电压输出稳压器。

三端可调集成稳压器输出电压为1.25~37V ，输出电流可达1.5A 。

现用W317进行线性稳压电源的设计。

原理电路图如下：
图3-9 三端可调输出稳压电路
如上图所示它只需外接两个电阻(R 1和R P )来确定输出电压。

为了使电路正常工作，它的输出电流不应小于5mA ，调节端①的电流约为50μA ，输出电压的表达式为
U o
＋U i V D2
25 V)
)1(25.11
0R R U p +
≈，故理论值V V U 29.27~25.10=。

四、Multisim 仿真及结果分析
4.1并联式稳压电路 电路图：
图4-1 并联式稳压电源电路图
仿真结果：
图4-2并联式稳压电源仿真结果
4.2串联式稳压电源
电路图：
图4-3 串联式稳压电源电路图
仿真结果：
Rp=0时：
图4-4（a）串联式稳压电源仿真结果1 Rp=1k 时：
LM7912CT
图4-4（b ）串联式稳压电源仿真结果2
4.3 W7812、W7912输出V 12 直流电源 电路图：
图4-5 W7812、W7912直流电源电路图
仿真结果：
图4-6 W7812、W7912直流电源防止结果
4.4 W317组成的可调式集成稳压电源
电路图：
图4-7 W317组成的可调式集成稳压电源电路图
仿真结果：
Rp=5k 时：
图4-8（a） W317组成的可调式集成稳压电源仿真结果1
Rp=0时：
图4-8（b） W317组成的可调式集成稳压电源仿真结果2
由上面的仿真结果可以看出，四个电路都基本达到了输出直流电压的要求。

但与线性集成稳压电源相比，分立元件线性电路缺少限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路，在实际电路中，比较容易出现问题；若再设计这些电路，则会是电路变得更加复杂，成本也会相应提高。

在两个线性集成稳压电源电路中，电路都较为简单，比较易于实现，且芯片中带有保护电路，使整个电路更加安全稳定。

用W7812、W8912设计的稳压电源的缺点在于不能调节输出电压的大小，而用W317设计的电源则解决了这一问题，应用范围更加广泛。

参考文献:
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