电子电路课程设计+小功率线性稳压电源的设计与实现

目录

一、实验目的

二、设计要求与设计任务

三、实验原理

四、电路及参数设计

五、实验调试及结果分析

六、实验元件

七、实验心得及发挥部分

八、参考文献

小功率线性稳压电源的设计与实现

一实验目的：

1．掌握功率器件的特点和正确使用；

2．选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器设计直流稳压电源；

3．掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法；

4．系统的转换效率、散热、提高效率及长期工作安全性和可靠性等诸因素的考虑；

5．掌握电路的基本调试能力。

二设计要求：

1：基本部分

1. 输入电压：交流220V、50HZ，电压波动范围±10%；

2. 输出直流电压：双路输出，其中一路为固定输出5V/1A；另一路为可调输出9～12 V/1A；

3. 稳定系数：Su<0.5%；

4. 输出纹波电压：Upp<5mV；

5. 电源内阻：RO<0.15Ω；

6. 输出设有过流截止式保护电路；

7. 要求数码显示（电压、电流），LCD、LED均可，不提倡使用现成的数字表头；

8. 工作方式：断续（满载不小于30分钟）。

2：发挥与扩展部分

1. 在现有的基础上，提出几种提高效率的方案（可行）；

2. 输出电压从0~12V(0.5A)连续可调；

3. 根据设计电路设计相应的PCB 图；

4. 制作PCB 板，并焊接、调试完成整个设计电路，进行指标测试。 设计任务：

1）根据设计指标选择电路形式，画出原理电路图； 2）选择元器件型号及参数，并列出材料清单； 3）利用软件仿真，并在通用板上组装焊接电路； 4）完成电路的测试与调整，使有关指标达到设计要求； 5）写出设计总结报告。 三 实验原理：

直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波电路及稳压电路组成，基本框图如下所示：

1．电源变压器

电源变压器T r 的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所 需要的交流电压U i 。变压器的副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η为变压器的效率。 2．整流电路

整流电路将交流电压U i 变换成脉动的直流电压。 3．滤波电路

滤波电路通过电容将脉动直流电压的纹波减小或滤除， 4．稳压电路

稳压电路的作用就是稳定输出电压。 5．数字显示

采用模数转换的方法将直流稳压源的输出电压以数字的形式显示出来。

四 电路设计 1． 设计指标 （1） 电网调整率

它表示输入电网电压由额定值变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。一般稳压电源的电网调整率等于或小于1%、0.1%，甚至0.01%。 （2） 稳压系数

稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量ΔU o 与输入电网电压变化量ΔU i 之比，即

o

i

U K U ?=

? 它表示输入电网电压变化量ΔU i 引起多大输出电压的变化。所以绝对稳压系数K 值越小越好。K 越小，说明同一ΔU i 引起的ΔU o 越小，也就是输出电压越稳定。

但是，在稳压电源中更重视相对稳压系数。相对稳压系数S 表示在负载不变时，稳压器输出直流电压U o 的相对变化量ΔU o 与输入电网电压U i 的相对变化量ΔU i 之比，即

o o

i i

U U S U U ?=

? 稳压系数通常是指相对稳压系数S ，而不是绝对稳压系数K 。 （3） 输出电阻（也称等效内阻或内阻）

在额定电网电压下，由于负载电流变化ΔI L 引起输出电压变化ΔU o ，则输出电阻为

o

o L

U R I ?=

? （4） 纹波电压 1）最大纹波电压

在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值大小，通常以峰—峰值或有效值表示。 2）纹波系数γ

在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值U rms 与输出直流电压U o 之

比

rms

o

U 100%U γ=

? 3）纹波电压抑制比

纹波电压抑制比是指在规定的纹波频率（例如50Hz ）下，输入电压中的纹波电压U i~与输出电压中的纹波电压U o~之比，即纹波电压抑制

比=

i~

o~

U U 2. 电路设计

总电路部分的设计方案：

（1） 变压部分设计

T2

IRO N_CORE_XFORM

ER

T1

AIR_CO RE_XFO RM

ER

铁心变压器 空心变压器

铁氧体芯变压器 自耦变压器 图1 变压器的图形符号

变压器的主要参数有： ①变压比

变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值。 ②额定功率

额定功率，是变压器在指定频率和电压下能连续工作而不超过规定温升的输出功率。 ③效率

效率是输出功率与输入功率之比，它反映了变压器的自身损耗。 ④空载电流

变压器在工作电压下次级空载时（次级电流为零），初级线圈流过的

电流称为空载电流。空载电流大的变压器损耗大、效率低。 ⑤绝缘电阻和抗电强度

绝缘电阻，指变压器线圈之间、线圈与铁心之间及引线之间的电阻。抗电强度是在规定的时间内变压器可承受的电压，它是变压器特别是电源变压器安全工作的重要参数。

电源变压器T r 的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U i 。变压器的副边与原边的功率比为2

1

P P η=，式中η为变压器的效率。 变压部分参数设计：

选择交流220V 、50Hz 的变压器，电压波动范围±10%。根据需要，我们选取了16W,(+8V,-8V)及8W ，16V 的变压器。一个线圈匝数比为220：16，另一个线圈匝数比为220：8，带中心抽头。电路中心抽头接地，一个正负8伏为7895和7905的输入。另一个为317的输入。 （2）整流、滤波电路

整流电路将交流电压U i 变换成脉动的直流电压。它是靠二极管的单向导电特性来实现的。滤波电路通过电容将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压U I 。

容性负载桥式整流电路如图2所示，它的四个臂是由四只二极管组成的。

整流部分的设计： 选取RS307整流桥

图2 容性负载桥式整流电路

当变压器“1”端为正、“2”端为负时，二极管VD2和VD4承受正向电压而导通，VD1和VD3承受反向电压而截止。此时，变压器“1”端通过VD4流经R L，再经过VD2返回至“2”端。当“1”端为负、“2”端为正时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流则由“2”端通过VD3流经R L，再经过VD1返回至“1”端。

（3）稳压电路

稳压电路的作用就是稳定输出电压。

稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。它利用调节流过稳压管自身的电流大小（端电压基本不变）来满足负载电流的改变，并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化，以适应电网电压的波动。在电网电压不变时，负载电流的变化范围就是稳压管电流的调节范围。负载不变时，电网电压的波动，在波动至最低时必须保证稳压管工作在反向击穿状态，在波动至最高时，要保证管子的功耗不超过允许的最大管耗。

散热片的选取：选取十瓦左右的大散热片。

常用的集成稳压器分为固定式三端稳压器和可调式三端稳压器（均属

电压串联型）。固定式三端稳压器又分为以下系列。

正压系列：78XX 系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。 负压系列：79XX 系列 封装形式：

1．正负5V

220V 交流电压通过变压器变压后通过整流桥整流后再通过电容滤波变成直流电压，输入到LM7805和LM7905，再输出所需要的电压正负5V 。负5V 电压是为了给LM317提供一偏置电压以便通过分压使LM317输出电压可以达到0V

。+5可以为显示电路提供 +5V 电源。 2．0—12V 输出：

输出：1.25V ―37 V(1.5A) 工作压降：大于2.5V 工作电流：大于5mA 恒压源： 1.25V

功率：7.5W （加足散热片）

317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V 的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A 。

典型电路如图7所示，其中电阻R 1与电位器RP 组成电压输出调节电器，输出电压U o 的表达式为

11.251o RP U R ??

≈+ ???

0—12V 可调输出：

滑动变阻器R5下端接LM7905输出端；220V交流电压通过变压器变压后通过整流桥整流后再通过电容滤波变成直流电压，通过过流保护电路输入到LM317，二极管对LM317起保护作用，滑动变阻器R5是当R3为0时调节电路使输出电压为0；R3调节时使输出电压发生变化，可以使LM317输出电压从0到12V连续可调。

（4）过流保护电路

断电保护型：

当电流达到某一固定值时，保护电路起作用，切断稳压器的输入，电源输出为0，待故障排除后，按恢复键K，恢复正常输出。

在稳压电路中，要采取短路保护措施，才能保证安全可靠地工作。普通保险丝熔断较慢，用加保险丝的办法达不到保护作用，而必须加

装保护电路。保护电路的作用是保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是：当输出电流超过某一值时，使调整管处于反向偏置状态，从而截止，自动切断电路电流，可防止稳压电路输出过载或短路致使调整管中电流过大而损坏。过流保护电路有恒流保护型和断电保护型。断电保护型是当电流达到某一固定值时，保护电路起作用，切断稳压器的输入，电源输出为0，待故障排除后，恢复正常输出。

（5）数字显示电路

A/D转换技术

解决方案

数字电压表芯片

数字电压表技术指标

位数：三位半

量程：0000~19.99V

7107（LED）， 40脚双列直插式封装：

芯片ICL7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且ICL7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管（LED）数码显示器。本设计采用三位半数码管显示。

用A/D转换技术，使用数字电压表芯片完成数字显示电路。数显式稳压电源采用模数转换的方法将直流稳压源的输出电压以数字的形式显示出来。A/D转换器就是将模拟信号转换成数字信号的电路。A/D 转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次

性完成。根据ICL7107的内部电路结构，可以将A/D转换的工作过程分三个阶段，即采样阶段、积分阶段和休止阶段。芯片ICL7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管数码显示器，并且ICL7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法接驱动发光二极管数码显示器。本设计采用三位半数码管显示。

电路参数计算：

（1）确定稳压电路的最低输入直流电压U i,min

U i,min ≈Uo,max + (Ui - Uo )min

0.9

代入各指标，计算得

U i,min ≥13.23 V

（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率。

输出电流<0.5A，输出电压<12V，由上分析，可选购副边电压为16V，功率为8W的变压器。

选整流二极管及滤波电容。

（3）因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管1N4007，其极限参数为URM=50V，ID=5A。

（4）过流保护电路分析

①设定电阻R

∵0.7V是选取的PNP型三极管S8550的导通电压

∴R 1= 0.7V/700mA = 1Ω

②当电流＜ 0.7A时，三极管不导通，电流直接供给LM2596-ADJ

当电流≥ 0.7A时，由于在R两端产生了0.7V以上压降，三极管导通，在滑动变阻器上产生压降后，电位器控制端（即可控硅控制端）电压比阴极高6V，可控硅导通，使继电器电磁线圈中产生磁场，将开关由“常闭端”吸到“常开端”，稳压电路断开。修改好电路后，压下复位开关，可控硅上的电流消失，继电器的磁性消失，开关回到常闭端。

（5）滑动变阻器RW与定值电阻R7的选择

由于

R2=750欧1K（1%），则R3可以采用一个1K的滑动变阻器。

1.稳压器功耗估算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大

U imax = 1.1×16×1.2=21.12V

所以稳压器承受的最大压差为：

U imax– U omin =21.12V

最大功耗为：

（U imax– U omin）?I imax = 21.12?0.7A = 14.784W

故选用散热功率为16W的散热器,但考虑到接入负载后压降会更大，所以要选用大功率的散热片。

五实验调试及结果分析：

1.数字显示部分的测试：

采用实验室内的直流稳压电源给数字显示部分提供电源以及测试输入，测试中出现的错误以及解决方法如下：

①在数码显示部分焊接完成之后第一次接电源测试之前，整体检查电路，发现滑线变阻器已经坏了，相当于没有接入电阻，原本30号与31号之间是通过滑线变阻器分压接入7107芯片的。我们及时改正了此处错误

②再次检查觉得没有错误之后，接上电源和地线，显示部分毫无反应，于是我们用示波器测试芯片7107的部分管脚，发现了一个问题：32号端口没有接地

③排除了上一个错误后，第二个数码管的小数点依然没有显示，而且接入电源时会出现电源线和地线短路的现象，第二个数码管也因此烧坏了。检查了几遍原因之后，我们发现第二个数码管的小数点接地部分没有接入电阻，后来我们又加了一个330欧的电阻，再次测的时候我们发现数码管能正常显示。

2.整体测试：

①由于焊接过程中，出现了LM317芯片的1号管脚接的滑线变阻器有一个点没有接入电路，所以不管自己怎么调试本来可以连续输出0~20伏左右的线路不可调，一直显示19.07伏的电压

②当各个模块连接到一起时。由于要把输入输出线连接在一起从新焊接，导致焊锡脱落，与另一底线端连接。发生短路现象，导致无电压输出，无显示。后经检查电路发现错误并改正，电压表显示部分显示正常

③由于过流保护电路已开始断路，未工作。没有起到保护作用，导致当电流过大时，继电器未断开电路，电流烧掉S8550三极管。经改

变开关的连接方式后，三极管不再过热导致烧掉

④我们LM7805芯片接的散热片太小，导致接入电路时出现了芯片过热的现象，分析一下原因，可能是电路接法的原因，可是检查了一遍电路之后，我们又发现电路没有焊接错误

⑤由于一开始为加上散热片而焊接芯片，导致加上时，散热片与元件有连接，这将会导致元件由于热传递而烧掉。经过将芯片的后移，散热片与元件无任何接触，散热良好

六实验元件

变压器、整流桥、三端稳压器、电阻、滑线变阻器、电容、电解电容、三极管、继电器、插头、可控硅、ICL7107、LM7805、LM7905、LM317

八参考文献

（1）路勇. 电子电路实验与仿真. 北京：清华大学出版社，2004 （2）李金平. 模拟集成电路基础. 北京：清华大学出版社，2003 （3）陈同占，吴北玲，养雪琴，等. 北京：清华大学出版社，2003 （4）张宪，何宇斌. 电子电路制作指导. 北京：化学工业出版社，2006

（5）谢自美. 电子线路设计实验测试. 武汉：华中科技大学出版社，2006