双路可调直流稳压电源设计与制作

双路可调直流稳压电源设计和制作

一、设计题目

1.双路可调直流稳压电源设计和制作
2．设计指标:

1）.输出电压

U

O

在0～±12V 之间连续可调;

2）.最大输出电流1A;
3）.纹波电压(峰-峰值)< 5mV（在电压为5V,带负载情况下）;4）.效率≥50%(输出电压为+5V,输入电压为220V下,满载)。

二、基础原理

1.变压部分可经过变压器来实现。

2.整流电路 通常采取桥式是整流,可采取4个整流二极管接成桥式,也可采 取二极管整流桥堆。

3.滤波电路 在输出电流不大情况下,通常选择电容滤波即可。

4.稳压电路 可采取集成稳压电路,具体技术要求可参考《模拟电子技术》。

调整电路 百分比电阻选择,其中电阻R1和电位器R2组成输出电压调整器。R1通常取120－240欧姆,输出端和调整端压差为稳压器基准电压（经典值为1.25V）,输出电压Uo表示式为:Uo＝1.25（1＋R2/R1）
5.保护电路 可采取防过流冲击电路。

三、设计步骤
1．电路图设计
（1）确定目标:设计整个系统是由那些模块组成,各个模块之间信号传输,并画出直流稳压电源方框图。

（2）系统分析:依据系统功效,选择各模块所用电路形式。

（3）参数选择:依据系统指标要求,确定各模块电路中元件参数。

（4）总电路图:连接各模块电路。

2.设计思想

（1）电网供电电压交流220V(有效值)频率为50Hz,要取得低压直流输出,首先

必需采取电源变压器将电网电压降低取得所需要交流电压。

（2）降压后交流电压,经过整流电路变成单向直流电,但其幅度改变大（即脉动

大）。

（3）脉动大直流电压须经过滤波电路变成平滑,脉动小直流电,立即交流成份

滤掉,保留其直流成份。

（4）滤波后直流电压,再经过稳压电路稳压,便可得到基础不受外界影响稳定

直流电压输出,供给负载RL。

四、电路设计

（一）直流稳压电源基础组成

直流稳压电源是将频率为50Hz、有效值为220V单相交流电压转换为幅值

稳定、输出电流为几十安以下直流电源,其基础组成图（1）所表示:

T

整	滤	稳	负
流	波	压	载

图（1）直流稳压电源方框图

直流稳压电源输入为220V电网电压,通常情况下,所需直流电压数值和电

网电压有效值相差较大,所以需要经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需要。

变压器副边电压经过整流电路从交流电压转换为直流电压,即正弦波电压

转换为单一方向脉动电压,半波整流电路和全波整流电路输出波形图所表示。

能够看出,她们均含有较大交流分量,会影响负载电路正常工作。

为了减小电压脉动,需经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,使滤波电路输出电压仅为直流电压。然而,因为

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

不高电子电路,整流、滤波后直流电压能够作为供电电源。

交流电压经过整流、滤波后即使变为交流分量较小直流电压,不过当电网电压波动或负载改变时,其平均值也将随之改变。稳压电路功效是使输出直流电压基础不受电网电压波动和负载电阻改变影响,从而取得足够高稳定性。

（二）各电路选择
1.电源变压器
电源变压器T作用是将电网220V交流电压变换成整流滤波电路所需要交流

电压Ui。实际上,理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n,所以有

P1=P2=U1I1=U2I2。变压器副边和原边功率比为P2/P1=η,式中η是变压器效

率。依据输出电压范围,能够令变压器副边电压为22V,即变压系数为0.1。

2.整流电路
（1）半波整流

U2

o ωt

UL

oωt

图（2）半波整流电路 图（3）半波整流电路波形图整流电路图（2）所表示,其输出电压平均值就是负载电阻上电压平均值

2π时,Uo=0。所以,求解Uo平均值Uo(AV),就是将0～π电压平均在0～2π时

间间隔之中,图（3）所表示,写成表示式为:

Uo(AV)=1/2πU2sin?td(?t)

解得:Uo(AV)=U2/π≈0.45U2

负载电流平均值:

Io(AV)=Uo(AV)/RL

半波整流电路中二极管安全工作条件为:

a）二极管最大整流电流必需大于实际流过二极管平均电流,即IF＞

IDO=ULO/RL=0.45U2/RL

b）二极管最大反向工作电压UR必需大于二极管实际所承受最大反向峰值电

压URM, 即UR＞URM =

2

U2

单相半波整流电路简单易行,所用二极管数量少。不过因为它只是利用了

交流电压半个周期,所以输出电压低,交流分量大,效率低。所以,这种电路仅

适适用于整流电流较小,对脉动要求不高场所。

（2）全波桥式整流电路

为了克服单相半波整流电路特点,在使用电路中多采取单相全波整流电路,

最常见是单相桥式整流电路。图（4）所表示

图（4）全波桥式整流电路

设变压器次级电压U2=U2msin?t=

2

U2sin?t, 其中U2m为其幅值, U2为有效

值,负载电阻为100Ω。在电压U2正半周期时,二极管D1、D3因受正向偏压

而导通,D2、D4因承受反向电压而截止;在电压U2负半周期时,二极管因受

D2、D4正向偏压而导通,D1、D3因承受反向电压而截止。U2和UL波形图

（5）所表示,显然,输入电压是双极性,而输出电压是单极性,且是全波波形,

输出电压和输入电压幅值基础相等。

由理论分析可得,输出全波单向脉冲电压平均值即直流分量为

U2

o ωt

UL

o ωt

图（5）全波整流电路波形

UOL=2U2m/?=	2	2	U2≈0.9U2=0.9×22≈20V
	π

全波整流电路中二极管安全工作条件为:
a）二极管最大整流电流必需大于实际流过二极管平均电。因为4个二极管

是两两轮番导通,所以有IF＞IDO=0.5ULO/RL=0.45U2/RL=0.45×20/100≈90mA

b）二极管最大反向工作电压UR必需大于二极管实际所承受最大反向峰值电

单相桥式整流电路和半波整流电路相比,在相同变压器副边电压下,对二极管参数要求是一样,而且还含有输出电压高、变压器利用高、 脉动小等优点,所以得到广泛应用。它关键缺点是所需二极管数量比较多,因为实际上二极管正向电阻不为零,肯定使得整流电路内阻较大,当然损耗也就比较大。

3．滤波电路
电容滤波电路是最常见也是最简单滤波电路,在整流电路输出端并联一个电容即组成电容滤波电路,图（6）所表示:

图（6）单相桥式整流电容滤波电路

该电路工作原理: 设U2= U2msin?t=

2

U2sin?t, 因为是全波整流, 所以不

管是在正半周期还是在负半周期,电源电压U2首先向RL供电,其次对电容C进

行充电,因为充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小）,所以,

很快充满电荷,使电容两端电压UC基础靠近U2m,而电容上电压是不会突变。

现假设某一时刻U2正半周期由零开始上升,因为此时电容上电压UC基础靠近

U2m,所以U2＜UC,D1、D2、D3、D4管均截止,电容C经过RL放电,因为放电

时常数?d=RLC很大（RL较大时）,所以放电速度很慢,UC下降极少。和此同时,

U2仍按 2U2sin?t规律上升,一旦当U2＞UC时,D1、D3导通,U2对C充电。

然后,U2又按 2U2sin?t规律下降,当U2＜UC时,二极管均截止,故C又经

RL放电。一样,在U2负半周期也会出现和上述基础相同结果。这么在U2不停

作用下,电容上电压不停进行充放电,周而复始,从而得到一近似于锯齿波电压

UL=UC,使负载电压纹波大为减小。

由以上分析可知,电容滤波电路有以下特点:

a）RLC越大,电容放电速度越慢,负载电压中纹波成份越小,负载平均电压

越高。为了得到平滑负载电压,通常取RLC≥(3～5)T/2式中,T 为交流电源电压

周期。由上式能够解得 C=(3～5)T/2RL≈400μF

b）RL 越小输出电压越小。 若C 值一定, 当RL?∞, 即空载时有ULO=

2

U2≈

1.4U2。当C=0,即无电容时有ULO≈0.9U2。当整流电路内阻不太大（几?）

和电阻RL电容C取值满足上式时,有ULO≈(1.1～1.2)U2

总而言之,电容滤波适适用于负载电压较高、负载改变不大场所
4.稳压电路
即使整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑直流电压,不过,首先,因为输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值,所以当电网电压波动时,输出电压平均值将随之产生对应波动;其次,因为整流滤波电路内阻存在,当负载改变时,内阻上电压将产生相反改变,于是输出电压平均值也将随之产生相反改变。所以,整流滤波电路输出电压会伴随电网电压波动而波动,伴随负载电阻改变而改变。为了取得稳定性好直流电压,必需采取稳压方法。

（1）简单稳压电源
稳压二极管组成稳压电路图（7）所表示:

图（7）稳压二极管组成稳压电路
稳压管稳压原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基础不变特点而实现。当输入电压改变时,输入电流将随之改变,稳压管中电流也将随之同时改变,结果输出电压基础不变;当负载电阻改变时,输出电流将随之改变,但稳压管中电流却随之作反向改变,结果仍是输出电压基础不变。

显然, 稳压管反向击穿特征曲线越陡峭, 稳压特征越好。 下面讨论R 取值范

围。参见图（7）,设为确保稳压作用所需流过稳压二极管最小电流为Izmin,为

预防电流过大从而造成损坏所许可流过稳压二极管最大电流为Izmax,即要求

Izmin＜Iz＜I2max。 当UI 最大和RL 开路时, 流过稳压二极管电流最大, 此时应有

R

?

U

I

max

?

U

z

; 当UI 最小（大于Uz）和RL 最小（不许可短路）时, 流过稳压二

I

zmax

极管电流最小, 此时应有

R

?

U

I

min

?

U

z

。 即

I

zmin

?

U

z

/ R

L

min

U

I

max

?

U

z

?

R

?

U

I

min

?

U

z

min

I

zmax

I

zmin

?

U

z

/ R

L

通常来说,在稳压二极管安全工作条件下,R 应尽可能小,从而使输出电流

范围增大。

稳压管稳压电路优点是电路简单,所用元器件少;不过,因为受稳压管本身

参数,其输出电流较小,输出电压不可调,所以只适适用于负载电流较小,

负载电压不变场所。

（2）三端集成稳压器电路

集成稳压器和简单稳压电路相比其电路结构简单,它能够经过外接元件使

输出电压得到很宽调整范围。而且内部有过热保护、 过流保护等保护电路,能

够很安全保护电路正常工作。图（8）时由LM317组成基准电压源电路,电容Co

用于消除输出电压中高频噪音,可取小于1μF电容。输入端和调整端之间电压

时很稳定电压,其值为1.25V。输出电流可达1.5A。

图（8）由LM317组成稳压电路

因为调整端电流可忽略不计,输出电压为

Uo=(1+R2/R)×1.25V

为了降低R2上纹波电压,可在其上并联一个10μF电容C。不过,在输出

开路时,C 将向稳压器调整管发射结反偏,为了保护稳压器,可加二极管D2,提

供一个放电回路,D1,D2 起保护作用。图（9）所表示:

图（9）LM317外加保护电路

因为设计要求电压从零开始调起,LM317集成稳压器不能直接满足要求,需

要设计一个电压赔偿电路来抵消LM3171.25V最小输出电压,图（10）所表示,电

压赔偿电路由R3和二极管D组成,其输出电压Uo=U-UD,其中,U为LM317输出端电压,

UD为二极管D正向压降。UD即为赔偿电压。其值略大于LM317基准电压（1.25V）,

这里用两只串联硅材料整流二极管导通压降来实现。当调整R2降低,使U3达成和UD

相等时,输出电压即为0V。以后,当调整R2逐步增大时,U0即由0V开始增大。因为

负载电流流过D,故D最大工作电流应能适应负载电流要求。下图中输出电压表

示式为:

Uo=(1+R2/R1)×1.25-1.4

因为LM317工作时必需大于其最小工作电流,所以通常R1小于240Ω,在此令R1=50

Ω, 依		据上
式能够		求出

R2max≈5KΩ

图（10）输出电压可调直流稳压电源电路原理图

5.最终由单路推广到双路（得到一个由地线为中轴线对称电路）

电阻:R1=R5=50Ω R3=R7=50kΩ R4=R8=5kΩ
电位器:R2=R6=5kΩ
滤波电容:C1=C5=1mF C2=C6=10uF C3=C7=100uF
瓷介电容:C4=C8=330nF
三端调整管LM317

五、直流稳压电源电路图

由以上分析能够得出整个可调直流稳压电路图以下:

图（11）输出电压可调（0～±12）直流稳压电源电路原理图