直流稳压电源设计-模电课设

课程设计任务书
题目: 多路输出直流稳压电源的设计与制作
初始条件：元件清单：交流电源220V，变压器，整流桥，电容、电阻、电位器，三端集成稳压器，开关。

可用仪器：示波器，万用表，毫伏表。

要求完成的主要任务:
（1）设计工作量
根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。

（2）技术要求
①要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳
压电源输出：±12V/1A，±5V/1A，+5V/3A，和一组可调正电压。

②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出
总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Multisim画电路原理图并实现仿真）
③安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排：
指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
目录 (2)
摘要 (4)
Abstract (5)
1课程设计内容及要求 (6)
1.1设计的初始条件及主要任务 (6)
1.1.1设计的初始条件 (6)
1.1.2设计所需完成的任务与要求 (6)
1.2设计思路 (6)
2原理电路的设计 (8)
2.1方案比较 (8)
2.1.1可选方案 (8)
2.1.2各方案优缺点 (8)
2.2总体设计原理 (8)
2.3电源变压器的基本原理 (9)
2.4整流电路的基本原理 (10)
2.4.1单相桥式整流电路工作原理 (10)
2.4.2参数计算 (11)
2.4.3单相桥式整流电路的负载特性曲线 (11)
2.5滤波电路的基本原理 (12)
2.6稳压电路的基本原理 (14)
3电路元件选择 (15)
3.1 电源变压器的选择 (15)
3.2集成整流桥及滤波电容的选择 (15)
3.3集成稳压器的选择 (16)
3.3.1输出电压固定的集成稳压器（±5V，±12V）的选择 (16)
3.3.2输出电压可调的集成稳压器的选择 (16)
4 Multisim仿真结果与分析 (17)
4.1 电路原理图 (17)
4.1.1说明书 (18)
4.2 电路每级波形图 (19)
4.3 电路输出波形图 (20)
4.4 仿真结果 (23)
5 实物与测量 (23)
5.1 电路实物图 (23)
5.2 输出端测量图 (24)
5.3 输出端测量数值 (28)
5.4 误差分析 (28)
6 心得与体会 (28)
7 参考文献 (29)
附录一 (31)
1总体电路图 (31)
2 元件清单 (32)
附录二 (33)
摘要
随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。

直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。

本文旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成稳压电路将220V交流电压转化为±12V/1A，±5V/1A，+5V/3A 和一组可调正电压+1.25V~+27V/1A的直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。

关键词: 直流稳压半波整流电容滤波Multisim仿真
Abstract
With the rapid development of electronic technology, high performance electronic circuit to the requirement of power supply quality is higher and higher. It has become a big issue to design the circuit which can meet the performance requirements of high precision power supply. DC voltage source can provide circuit with dc voltage and the energy. The output voltage of the stand or fall of quality directly depends on the power performance.The purpose of this paper is to use AC transformer, rectifier, filter and integrated voltage stabilizing circuit to change 220 V AC voltage into a ±12V/1A，±5V/1A，+5V/3A and a set of adjustable positive voltage +1.25V~+27V/1A a DC voltage output, and also test and analyze serveral main parameters which are used to measure voltage stabilizing circuit performances.
Keywords: DC voltage Half-wave rectification Capacitor filter Multisim simulation
1课程设计内容及要求
1.1设计的初始条件及主要任务
1.1.1设计的初始条件
元件清单：变压器、整流桥、电容、电阻、电位器、三端集成稳压器、交流电源220V、开关、排针、导线等。

可用仪器：示波器、万用表、毫伏表。

1.1.2设计所需完成的任务与要求
1.1.
2.1设计工作量
根据技术要求和已知条件，完成对多路输出直流稳压电源的设计、装配与调试。

1.1.
2.2技术要求
①要求设计制作一个多路输出直流稳压电源，可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳
压电源
输出：±12V/1A，±5V/1A，+5V/3A和一组可调正电压。

②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出
总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Multisim画电路原理图并实现仿真）
③安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

1.2设计思路
本设计主要分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路4个部分。

变压电路：将交流电网220V的电压变味所需要的电压值。

整流电路：将交流电压变成脉动的直流电压。

滤波电路：由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。

稳压电路：在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。

图1 直流稳压电源设计思路
2原理电路的设计
2.1方案比较
2.1.1可选方案
方案1：使用不同的集成芯片直接输出不同的直流电压：±5V/1A的输出选择LM7805以及LM7905；±12V/1A的输出选择LM7812以及LM7912；+5V/3A的输出选择LM123；可调电压输出选用LM317以及可调电阻配合。

方案2：使用芯片与开关和电阻的组合方式，利用开关与电阻的并联，控制不同开关的闭合与开启进而输出不同大小的直流电压，即仅使用LM317以及LM337配合不同的电阻输出不同的电压，+5V/3A的输出选择两个LM7805并联的方式以提高最大输出电流。

2.1.2各方案优缺点
方案1的优点：不需要过多电阻与开关即可完成直流电压的输出，操作（焊接工作）上简单。

方案1的缺点：需要的集成芯片太多，增加了成本；市场上无法购买到LM123的芯片（用于输出5V/3A）；由于电路核心仅仅只有集成芯片，所以操作不当造成芯片损坏的概率提高了。

方案2的优点：需要的集成芯片数量较少，减少了成本；通过两个LM7805并联达到输出5V/3A的效果。

方案2的缺点：电阻和开关配合芯片输出直流电压，操作（焊接工作）上较复杂。

2.2总体设计原理
图2 直流稳压设计原理示意图
本文设计的直流稳压电源是单相小功率电源，它将频率为50Hz,有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定，输出电压为±5V、±12V、可调+1.25V~+27V的直流电压。

单相交流电经及过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。

直流电源的输入为220V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图中所画。

可以看出，它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。

图中整流电路输出端所画波形时未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。

为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。

对于稳定性要求不高的电子电路，整流，滤波后的直流电压可以作为供电电源。

交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响从而获得足够高的稳定性。

2.3电源变压器的基本原理
变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将市电转化为电路能承担的电压。

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

变压器的基本原理是电磁感应原理。

变压器两组线圈圈数分别为n1和n2，n1为初级，n2为次级。

在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。

当n2>n1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当n2<n1时感应电动势要比初级所加的电压要低，这种变压器为降压变压器。

变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率。

当变压器的输出功率P2 等于输入功率P1 时，效率η 等于100%，变压器将不产生任何损耗，但实际上这种变压器是没有的，变压器传输电能时总要产生损耗。

变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。

反之，功率越小，效率也就越低。

2.4整流电路的基本原理
整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。

但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。

对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。

整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。

本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流
电压。

其电路图如下图所示：
图3 桥式整流电路及波形
2.4.1单相桥式整流电路工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3（a）所示。

在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。

根据图3（b）波形图的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。

当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。

在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。

单相桥式整流电路的波形图见图3（b）。

2.4.2参数计算
根据图3（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。

输出平均电压为
…………….....……...○1流过负载的平均电流为
..............................................................○2流过二极管的平均电流为
....................................................○3二极管所承受的最大反向电压
......................................................................○4 2.4.3单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系
........................................................................○5该曲线如图3所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

图4 单相桥式整流电路负载特性曲线
单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。

所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。

单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。

2.5滤波电路的基本原理
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

常用的结构如图5所示。

图5 滤波电路常用结构
由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。

滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面，如图5（a）、5（c））和电感输入式（电感器L接在最前面，如图5（b））。

前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。

这次电路设计中采用C型滤波电路。

下图为单相桥式整流、电容滤波电路。

在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压v C对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。

图6 滤波电路图
负载R L未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为
............................................................................○6其中R int包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。

由于R int一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值，极性如图所示。

由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压v C）保持在，输出为一个恒定的直流，如图中t<0（即纵坐标左边）部分所示
图7 电容C充放电图
接入负载R L（开关S合上）的情况：设变压器副边电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载R L，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时v2 < v C，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经R L放电，放电的时间常数为
...............................................................................○7因t d一般较大，故电容两端的电压v C按指数规律慢慢下降，其输出电压v L = v C，如图的ab段所示。

与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。

当v2>v C时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载R L提供电流，另一方面向电容器C充电（接入负载时的充电时间常数t c =( R L||R int)C≈R int C很小），v C将如图2中的bc 段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻R int上产生的压降。

v C随着交流电压v2升高到接近最大值。

然后，v2又按正弦规律下降。

当v2 < v C时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经R L放电，v C波形如图中的cd段。

电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图所示的一个近似锯齿波的电压v L = v C，使负载电压的波动大为减小。

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压V L较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.6稳压电路的基本原理
滤波以后虽然纹波因数大大减小,但输出电压还不够稳定,主要是当负载电流或电网波动时,输出电压会随之发生变化，为此还需要加稳压措施。

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。

集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用三端稳压器。

目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。

由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。

3电路元件选择
3.1 电源变压器的选择
电源变压器选取了36V/50W/±18V变压器。

（上端+18V、中端接地、下端-18V）
3.2集成整流桥及滤波电容的选择
由于U rm=√2×36≈50V，I=3A，额定工作电流I D=3A，所以集成整流桥芯片选择KBP306。

因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。

所以稳压器的输入端并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波，抑制高频干扰。

固在稳压芯片前并入电容，在其后并入电容。

为了更好的消除纹波，在输出端前再并入电解电容。

依稳压电源的工作原理可知，如果变压器副边电压V2太大，则VI太大，317两端电压大，317功耗大，芯片温升高，容易损坏芯片且浪费电能。

反之，如果V2太小，则317内部调整管管压降太小，不在放大区，失去调整作用。

这个值应使317在最不利的条件下能正常工作。

而且在能正常稳压的前提下，压降尽可能小，以减小功耗。

这里说的最不利条件是指交流电网电压V1最低和输出电流Io最大。

由317资料可知，它的正常工作条件是VI－V o>3V，输出电压V o =+12V时，VI >15V。

图8 C1充放电图
由于C1的充放电作用，波形如图所示。

T1是充电时间，T2是放电时间，通常
T2＞＞T1，T2≈T1 +T2=10ms
∴
dt
I
C
dt
I
C
ms
o
ms
I⎰
⎰=
=
∆10
1
10
1
I
1
1
V
.............................................................................................................○8为了设计C1，应计算ΔVI
1
2
2
Im
-
∆
-
=
I
in
V
V
V
.....................................................................................................................................○9
其中 1v 是桥式整流电路中1个二极管的压降（粗略计算）
11210012Im --=∴⎰dt I C V V ms o in ...................................................................................................................○10
由上述，VImin=15v
dt I V C V dt I C dt I C V dt I C V ms o ms o ms o ms o ⎰⎰⎰⎰-=-=-=--=∴100
212100
1100
121001
216211621121611215.......................................................................................................................○
11 考虑最不利条件：V2取V2min=0.9V2(电网向下波动10%)， Io 取Iomax=1A 则 C1=C1max
F F V V C C μ4361036.410011629.01
101011629.01
4232max 11=⨯≈⨯-=⨯⨯-==∴--……..○12 则取220 uF 的电容足够。

3.3集成稳压器的选择
3.3.1输出电压固定的集成稳压器（±5V ，±12V ）的选择
由于此次要输出得电压为±5V 、±12V ，电流要求为1A 和3A ，选择的芯片为LM7805用以输出+5V/3A ，LM337用以输出-5V/1A 、-12V/1A ，LM317用以输出+5V/1A 、+12V/1A 以及可调电压。

3.3.2输出电压可调的集成稳压器的选择
可调输出的集成稳压器是在固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，这种集成稳压器，在集成芯片的内部，输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便的组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。

正电源系列的基准电压为1.25V ，可在+1.25V~+37V 之间连续可调。

其内部设有过流、过电压保护和调整管安全工作区保护电路，使用安全可靠，性能比LM7800系列性能更加，而且它的输出电
压输出电流均符合要求，所以此次的可调集成稳压器选择LM317。

由于稳压芯片中已经存在保护电路，故不在另设二极管保护电路。

4 Multisim仿真结果与分析
4.1 电路原理图
图9 原理图
4.1.1说明书
开关S6控制两个并联的LM7805用以输出+5V/3A的直流电压。

开关S7控制LM317和LM337。

开关S1、S4、S5并联分别为选择+5V、+12V、+1.25V~+27V可调电压。

开关S2、S3并联分别为选择-5V、-12V。

R7为0~5K可调电阻，调节R7大小，可输出不同大小的直流电压。

在使用时，正输出端与负输出端至少各保持一端输出，否则无法正常输出。

4.2 电路每级波形图
图10 变压后波形图通过变压电路后的交流36V电压波形。

图11 整流后波形图通过整流电路后的整流波形。

图12 滤波后波形图
通过滤波电容后的滤波波形。

4.3 电路输出波形图
图13 +5V/3A输出波形图
开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6闭合、S7断开，两个并联的LM7805输出+5V/3A直流电压波形。

图14 +5V/1A输出波形图
开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM317输出+5V/1A直流电压波形。

图15 -5V/1A输出波形图
开关S1闭合、S2闭合、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM337输出-5V/1A直流电压波形。

图16 -12V/1A输出波形图
开关S1闭合、S2断开、S3闭合、S4断开、S5断开、S6断开、S7闭合，LM337输出-12V/1A直流电压波形。

图17 +12V/1A输出波形图
开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4闭合、S5断开、S7闭合，LM317输出+12V/1A 直流电压波形。

图18 +1.25V~+27V输出波形图
开关S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5闭合、S6断开、S7闭合，LM317输出+1.25V~+27V的可调直流电压波形。

4.4 仿真结果
由直流电压表的示数可知：可调输出端的输出电压最低为+1.25V，最高为+27V。

±5V输出端的输出电压分别为+5.01V、-5.02V。

±12V输出端的输出电压分别为+11.9V、-11.8V。

5 实物与测量
5.1 电路实物图
图19 实物图5.2 输出端测量图
理论输出+5V/1A的实际输出情况：
图20 +5V/1A输出图理论输出-5V/1A的实际输出情况：
图21 -5V/1A输出图理论输出+12V/1A的实际输出情况：
图22 +12V/1A输出图
理论输出-12V/1A的实际输出情况：
图23 -12V/1A输出图理论输出+5V/3A的实际输出情况：
图24 +5V/3A输出图
理论输出+1.25V~+27V可调电压的实际输出情况：
图25 +1.25V输出图
图26 +27V输出图
5.3 输出端测量数值
5.4 误差分析
导线、焊锡存在电阻，元件受温度影响因素；测量仪器万用表存在误差；电阻阻值与标称值存在一定误差；计算所使用的V o=V REF/R1 *(R1+R2)+I ADJ*R2≈V REF(1+R2/R1)公式存在误差。

在误差允许范围内可以认为输出已经符合预先设计的要求。

6 心得与体会
本次模拟电子技术课程设计对我们学生的设计、制作、分析能力是个很大的挑战，刚
开始设计的时候，手上有的资料很少，只能参考课本，结合本学期做过的模电实验课，我们提出出两种不同的方案。

之后，通过网络查找文献、图书馆借阅资料，发现大多数同类设计要求的解决方案均和第一种方案大同小异，因而在综合考虑之后我们初步决定使用第二种方案。

在不断的查找资料与学习之中，我们逐渐完善了设计方案，并最终决定利用第二种方案来实现输出不同的电压，以此达到减少成本、减少制作难度的目的。

通过Multisim 仿真，我们实现了题设要求输出±12V/1A，±5V/1A，+5V/3A，和一组可调正电压之后进行实物制作并进行调试，制作完毕实物后，我们对实物的输出情况进行了检测，均达到设计要求，且误差均在4%以内。

可以说，这次的模拟电子技术课程设计我们小组完成的还是相当成功的，整个5天左右的时间，我们不仅对理论知识有了更深一步的了解，更锻炼了设计能力和动手能力，对我们的综合素质是个很大的提高。

7 参考文献
[1] 何希才.常用集成电路应用实例.北京：电子工业出版社.2007
[2] 吴友宇.模拟电子电路.科学出版社.2014.8
[3] 杨永.模拟电子技术设计、仿真与制作.电子工业出版社.2012.2
[4] 赵淑范.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社.2006.8
[5] 杨君玲.电工电子技术实践教程.人民邮电出版社.2011.9
[6] 康华光.电子技术基础（模拟部分）［M］.北京：高等教育出版社.2002．
[7] 周新民.工程实践与训练教程(电工电子部分).武汉理工大学出版社.2009.8
附录一
1总体电路图
2 元件清单
附录二
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。