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机电一体化实训

5V直流稳压电源设计报告

学校：西安科技大学高新学院

班级：机械设计制造及其自动化

姓名：***

学号：*** 指导老师：邵小强

设计时间：2012.7.2—2012.7.13

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目 录

1 设计题目 ………………………………………………………………………3 2 设计方案和要求 ………………………………………………………………3

2.1 设计目的 ………………………………………………………………3

2.2设计技术指标与要求……………………………………………………3

2.2.1 基本要求 ……………………………………………………………3

2.2.2 技术指标 ……………………………………………………………3 3 电路原理分析 …………………………………………………………………3

3.1 原理分析…………………………………………………………………3 4 各单元电路图及功能说明 ……………………………………………………4

4.1.1 电源变压器 .…………………………………………………………4

4.1.2 整流电路 .……………………………………………………………5

4.1.3 滤波电路 .……………………………………………………………6

4.1.4 稳压电路 .……………………………………………………………6

4.1.5 总电路 .………………………………………………………………8

4.1.6 元件清单..……………………………………………………………8 5 电路的调试及仿真数据 ………………………………………………………9

5.1 虚拟示波器检测图 ..……………………………………………………9

5.2 数据指标 。。……………………………………………………………10 6 心得体会 .……………………………………………………………………11 7 致谢语 .………………………………………………………………………11 8 参考文献………………………………………………………………………12

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1 设计题目

题目：《基于EWB的串联型直流稳压电源的设计》

2 设计方案和要求

2.1 设计目的

（1）、设计用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。

（2）、学习使用EWB软件并对串联型直流稳压电源进行仿真验证。

2.2设计技术指标与要求

2.2.1、基本要求

A、电路能输出直流5V与9V两档电压；

B、拟定测试方案和设计步骤；

C、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，并画出电路图；

D、仿真验证输出信号；

E、写出设计性报告。

2.2.2、技术指标：

A、输出5V与9V两档电压,同时具备正负极性输出；

B、输出额定电流250mA最大电流650mA；

C、在最大输出电流时纹波电压峰值

3 电路原理分析与方案设计

3．1原理分析：

采用变压器、二极管、集成运放，电阻、稳压管、三极管 等元件器件。220V的交流电经变压器变压后变成电压值较小的交流，再经桥式整流电路和滤波电路形成直流，稳压部分采用串联型稳压电路。比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，所以其输出电压也以调节；同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成了具有放大环节的串联型稳

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压电路。整体功能结构如图。

4 各单元电路图及功能说明

4.1.1电源变压器

直流电的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的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，再对电流电压处理。变压器副边电压有效值决定后面电路的需要。根据经验，选择匝数比为19:1的变压器。

4.1.2整流电路：

①单相桥式整流电路

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波形图

为了将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，通过整流电路实现。查阅资料可知单相整流电路有单相桥式整流电路（全波整流电路）。桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器次级电压的极性分别导通，将变压器次级电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。单相桥式整流电路，具有输出电压高，变压器利用率高、脉动系数小等优点。所以在电路中采用单相桥式整流电路。

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4.1.3滤波电路

整流后的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，会影响电路的正常工作。一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。所以需通过低通滤波电路，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压。在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=(3~5)T/2的条件，为了获得更好的滤波效果，电容容

量应选得更大些。复式滤波电路的效果最好，所以在电路中采用RC∏型的复式滤波电路，如图所示：

4.1.4稳压电路：

用晶体管和集成运放组成的具有保护环节的串联型直流稳压电源

从简单、合理、可靠、经济等方面考虑，我们采用此方案比较合算，因此本人的电路设计采用的便是此方案。

a稳压原理：若由于某种原因使UO增大，则UO↑→UN↑→UB↑→UO↓

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b输出电压的调节范围：1

?

2

?

3

3

R2?R

·UZ≤U0?

1

?

2

?

3

3

R2?R

·UZ

故UZ≤6V,取UZ=5.6VR1?402Ω, R2?1000KΩ(100Ω), R3?820Ω c串联型稳压电路的基本组成部分及其作用：

调节管：是电路的核心，UFE随UI和负载产生变化以稳定Uo。 基准电压：是Uo的参考电压。

采样电阻：对Uo的采样，与基准电压共同决定Uo。

比较放大：将Uo的采样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。 d串联型稳压电源中调整管的选择：

要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降UCES；调整管极限参数的确定，必须考虑到输出电压U1由于电网电压波动而产生的变化，以及输出输出电压的调节和负载电流的变化所产的影响。 根据极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM选择调整管：

I

Emax

=I

R1

?

I

Lmax

≈ILmax<ICM

Omin

U

P

CEmax

=U

Imax

-U<U

(BR)CEO

Tmax

=IEmaxU

CEmax

<PCM

e限流电阻的选择：保证稳压管既稳压又不损坏。

I

DZmin

>IZ IDZmax<IZM

电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。

I

DZmin

=Imin

?Z

R

?

I

Lmax

>I R<I

Z

IminZ

?Z

?

I

Lmax

电网电压最低且负载电流最小时，稳压管的电流最大。

I

DZmin

=Imin

?Z

R

?

I

Lmin

<IZM

R?

I

ImaxZM

?Z

?

I

Lmin

4.1.5总电路：

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4.1.6元件清单：

5 电路的调试及仿真数据

5.1虚拟示波器检测图

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5.2数据指标

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度、包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。

（1）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输出电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即sr??R?UU0

I?IL O

电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

（2）输出电阻及电流调整率

输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。电流调整率：输入电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

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（3）纹波电压：叠加在输出电压上的交流分量。用示波器测试其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。

理论值输出是±9V和±5V，但实际输出是有点误差，但是可以通过调节滑动变阻器来达到准确的±9V和±5V，之后就可以直接用双掷开关来选择所要用的输出电压了。

6 心得体会

通过这次设计实验我体会到以下几点

1：对自己的动手能力是个很大的锻炼。

2：通过这次专周实验也培养了我们胆大、心细、谨慎的工作作风。 3：我们懂得了ewb软件的运行与操作。

4：最重要的是懂得了串联稳压电源原理，串联型稳压电路是最常用的电子电路之一，它被广泛地应用在各种电子电路中。

而且在这次实验过程中，也遇到不少问题，但在独立思考和互相交流的情况下，最终都能顺利完成任务。其中，在初次设计电路图时，元件的摆放和布线造成很多困扰，独立思考了一段时间后终于想到一个比较可行的方案，接着和周围的同学互相交流布线方案，通过交流，发现到自己元件选择和布线上存在的不足，

接着通过老师的指导与校正成功的完成了任务。我也深深的体会到一个项目是否是好是成功的，就要考虑他的成本与与环境的影响。最大限度的达到高收益低投经过一个多月的努力，终天完成的这个设计。从选题到画图制板花了差不多一个星期的时间，后面的调试占了大部分的时间。由于没有找到示波器，所以调试时，除了测试电压电流用到实物外，其他参数测试只能在仿真软件下进行的。在这里选用了multisim进行仿真，虽然multisim不是很难学，但由于自己对multisim还没有熟练的掌握，仿真过程中还是会有一定的误差。

在实际做成的电路板中,由于买不到等值参数的元件，测量出来的性能指标参数难免会有一定的误差,对元件封装的不了解，也造成了铜板的浪费。第一次做成的板子，由于没有注意到protel给出的LM317的原理图管脚，花费了大量的时间去调试。正确的管脚为:1脚为调整，2脚为输出，3脚为输入。焊板的时候，不要对着3D来焊，应以PCB为基准。3D图虽然形象的把电路板模拟出来了，但与实物还有有很大的差别的，特别是二极管，电解电容，极性错乱，而且有很多图没有样板。还有，12V的变压器输入的电压会比12V高一些的。虽然输出电压增加或减少由LM317的调整脚上的串联电位器（R2）来控制，但是并联在LM317调整脚和输出脚上的电阻R1也可改变输出电压的最小值。

本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计

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对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。

但是由于水平有限，我们的课程设计难免会有一些错误和误差，还望老师批评指正。

入。总之在这次实验中受益匪浅。

7 致谢语

通过这次的专周实验设计，我从总学会了很多，我的指导老师：卢光宝，陈佳新，蔡信建，鄢仁武倾注了大量的心血，从开始专周第一天起，到结束。一遍又一遍地指出与讲解设计中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我实验设计期间给我极大关心和帮助的各位同学。这一切都使我们彼此间的情谊更加深厚，愉快地度过了这次专周实验，这将会成为我最为难忘的回忆。

8 参考文献

《电路与电子技术》 杨建良 李芝成 朱志伟

《模拟电子技术基础》 童诗白、华成英

《电子技术实验与课程设计》 赵淑范 王宪伟

. 杨拴科 《模拟电子技术基础》 P281 20xx年1月第一版

陆昆等 《电子设计基础》P492 97年第一版

第二篇：5V直流稳压电源设计课程设计实验报告 直流稳压电源设计课程设计 机电一体化实训报告

机电一体化实训

5V直流稳压电源设计报告

学 校：西安科技大学高新学院 班 级：机械设计制造及其自动 组 员：田旭元（0901140315）

高志伟（0901140320）

朱小航（0901140326）

雷 毓（0901140327）

西安科技大学高新学院 机械设计制造及其自动化 5V直流稳压电源设计报告

指导老师：邵小强

设计时间：2012.7.2—2012.7.13

摘 要

直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。直流稳压电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使直流稳压电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要以半桥变换电路为开关电源的主电路，设计一台品质优良的直流开关稳压电源。

直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。直流高压稳压电源的长期稳定性主要受温度的影响，文中分析了直流高压稳压电源的构成原理，建立了温度稳定性的数学模型，给出了精确和可行的定量计算方法，并应用到具体的实例中加以验证，说明了该模型的应用价值，对直流高压稳压电源的设计具有理论指导作用。

关键词：稳压器 半桥变换电路 数学模型 应用价值

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

目 录

第1章 直流稳压器原理 .................................................................4

第2章 直流稳压电源简介 ...............................................................7

2.1 直流稳压电源的构成 .................................................................... 7

2.2 直流稳压电源的分类 .................................................................... 7

2.3 直流稳压电源的技术指标 ............................................................ 8

第3章 直流稳压电源的设计 .......................................................10

3.1设计目的及要求 .......................................................................... 10

3.2设计步骤及思路 .......................................................................... 10

3.2.1直流稳压电源设计思路............................................................................. 10

3.2.2直流稳压电源原理..................................................................................... 11

§3.3单元电路设计与原理说明........................................................ 12

3.3.1电源变压器 ................................................................................................. 12

3.3.2整流电路 ..................................................................................................... 14

3.3.3滤波电路 ..................................................................................................... 18

3.3.4稳压电路 ..................................................................................................... 20

3.3.5元器件选择和电路参数计算说明............................................................. 22

第4章 电路设计要求以及参数计算 ..............................................24

4.1.设计要求： .................................................................................. 24

4.2.各参数计算： .............................................................................. 24 2

西安科技大学高新学院 机械设计制造及其自动化 5V直流稳压电源设计报告

心得体会（田旭元） ......................................................................... 25

心得体会 (高志伟） .......................................................................... 26

心得体会（朱小航） ......................................................................... 27

心得体会（雷 毓） ......................................................................... 28

参考文献 ............................................................................................... 29

致 谢 ............................................................................................... 30

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

第1章 直流稳压器原理

直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否。

一、极性保护 直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作

方便,便于识别极性正确与否,在图1中的二极管之后,接指示灯。

二、程序保护开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功

的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器在开机瞬间,滤波电容器会流过。很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,近年来，随着微机、中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了 4

西安科技大学高新学院 机械设计制造及其自动化 5V直流稳压电源设计报告 更高的要求。对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下的一些优越性:

1）效率高

开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。而传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过调整管，因而损耗大，效率低，一般只在50%左右，功率等级也比较低。

2）稳压范围宽

从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的，因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍能达到很好的稳压效果。

3）体积小重量轻

开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器(为了和高频变压器相区别，电源变压器又称为工频变压器)，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。

4）安全可靠

开关稳压电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。正因为直流稳压电源有着这多方面的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知识的总结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。

稳压电源原理图如图1.1所示。其中，核心元件是LM338，它是一片大电流可调稳压集成电路，。该集成电路在采用一般接法时，其输出电压范围是1．2～37V。为了进一步拓宽其输出电压的范围，本电路对其传统应用电路进行了一些改进。现简单介绍如下：LM338要求输入、输出端最大电压差不能超过40V，这就限制了它的最高输出电压。当电源输出电压较低、电流比较大时，功耗全部消耗在LM338上，造成集成电路发热严重。为了解决这个问题，在本电源的设计中，将LM338输入端电压改为分段可调型。由开关K1-2控制JI～J9这九个继电器，将不同的交流电压切换到整流 5

组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327） 桥的输入端，整流后得到高低不同的直流电压输入到LM338中，这样就降低了稳压块的输入电压，同时开关K1—1同步切换LM338调整端的分压电阻，使调整端的基准电压不断改变，输出端电压就以每档5V的规律变化。这样一来LM338的输入、输出电压差就被限制在一个较小的范围内。不但降低了稳压集成电路的损耗，而且提高了最大输出电压。

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第2章 直流稳压电源简介

2.1 直流稳压电源的构成

许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即波纹电压），是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

2.2 直流稳压电源的分类

直流稳压电源的发展已有几十年的历史，已从分立器件发展到集成电路。集成稳压电路具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特别适用于小型电子设备使用。

目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类：

1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压，例如，1只电阻和1只稳压管即可构成参数型稳压器。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。

2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。

3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。

4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线 7

组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327） 性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。

5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。

2.3 直流稳压电源的技术指标

稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，前者标识稳压电源的功能又称试用指标，后者反映了稳压电源质量的优劣。

1、特性指标

2、输入电压及适用范围。

3、输出电压及输出电压调整范围

4、额定输出电流（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。

（1）电压调整率

负载电流Ｉ0 及温度T不变而输入电压U1变化时，输出电压U0的相对变化量△U0/U0与输入电压变化量△U1之比值，称为电压调整率，即

SU?△U00△UI?100%△I0?0

△T?0

一般直流稳压电源的电压调整率SU为1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。电压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化?10%时，输出电压的变化量△U0，单位为毫伏。

（2）稳压系数

稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即

Sr?△U00△UI

式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。 △T?0I△I0?0

一般情况下Sr在10-2~10-4数量级。显然，Sr越小稳压电路输出电压的稳定性越好。

（3）负载调整率（亦称电流调整率）

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在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示

SI?△U0△U0?100%△I0?I0max

△T?0

（4）输出电阻（内阻）

当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，即 △U0

△I0R0=△Ui?0

△T?0

其单位为欧。R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。R0越小负载能力越强，一般R0<1?。

（5）最大纹波电压与纹波抑制比

叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△UIP?P，一般为毫伏级。在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。

纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△UIP?P与输出纹波电压峰—峰值△UIP?P之比，并取对数，即 UIP-P

SR=20 lgUOP-P

单位为分贝（dB）。在质量指标中第（1）、（2）项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标，第（3）、（4）项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标，第（5）项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

第3章 直流稳压电源的设计

3.1设计目的及要求

（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步体验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

（2）学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

（4）设计并制作一个开关稳压电源，主要技术指标要求：

该电源的技术参数：

直流稳压输出5V：

最大输出电流 3A；

电压调整率 ≤0．001％／V；

纹波系数 ≤0．002％：

等效内阻≤0．15Ω；

稳压系数 ≤0.005％。

（5）设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。

（6）自拟试验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。

（7）批准后，进行组装、调试，并测试其主要性能参数。

3.2设计步骤及思路

3.2.1直流稳压电源设计思路

①电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电

源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

②降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。 ③脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成

分滤掉，保留其直流成分。

10

西安科技大学高新学院 机械设计制造及其自动化 5V直流稳压电源设计报告 ④滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流

电压输出，供给负载RL。

3.2.2直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图3.1。

工频交流脉动直流 直流负载

图3.1 直流稳压电源方框图

其中：

①电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化由变压器的副边电压确定。

②整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。 ③常用的整流电路有：

方案一：

单相半波整流电路：

单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vi，变压器的利用率低。

方案二：

单相全波整流电路：

使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

方案三：

单相桥式整流电路：

使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。

综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。

3.2.3总体电路图

§3.3单元电路设计与原理说明

3.3.1电源变压器

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1

变换为整流电路所需要的交 12

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流电压u2。电源变压器的效率为：

其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：

表1 小型变压器的效率

??

P2P1

因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。 由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值?UI?Uo?min?3V，输入电压与输出电压差的最大值?UI?Uo?max?40V，故LM317的输入电压范围为：

Uomax?(UI?Uo)min?UI?Uomin?(UI?Uo)max 即 9V?3V?UI?3V?40V 12V?UI?43V U2?

UImin1.1

?121.1

?11V， 取 U2?12V

变压器副边电流： I2?Iomax?0.8A，取I2?1A， 因此，变压器副边输出功率： P2?I2U2?12W

由于变压器的效率??0.7，所以变压器原边输入功率P1?有余地，选用功率为20W的变压器。

P2

?17.1W，为留

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

3.3.2整流电路

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3.4所示。在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；U2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3.5所示

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。电路中的每只二极管承受的最大反向电压约为反向击穿电压的一半或三分之二（U2是变压器副边电压有效值）。

经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换成直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单向导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电

半波整流见图5.21.其中B1是电源变压器，D1是整流二极管，R1是负载。B1次级是一个方向和大小都随时间变化的一个正弦波电压，波形如图5.22（a）所示。0~π是这个电压的正半周，这时B1次级上端为正下端为负，二极管D1正向导通，电源电压加到负载R1上，负载R1上有电流通过，π~2π是这个电压的负半周，这时B1次级上端为负下端为正，二极管D1反向截止，没有电压加到负载R1上，负载R1中没有电流通过。在2π~3π.3π~4π等后续周期中重复上述过程，这样电源负半周的波形被“削”掉，得到一个单一方向的电压，波形如图5.22（b）所示。由于这样得到的大小还是随时间变化的，我们称其为脉动直流。

图2.3电路

t

t

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设B1次级

电压为E理想状态下负载R1俩端的电压可由下面公式求出：

U（R1）=(√2／π)E≈0.45E

半波整流计算公式：

整流管D1承受的反向峰值电压为：

Um=2√2E≈2.83E

半波整流二极管反向峰值电压计算公式

由于半波整流电路只利用电源的正半轴，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压.小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。

全波整流电路

由于半波整流的效率较低，于是人们很自然就想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路，全波整流图见图5.23.相对半波整流电路，全波整流电路多了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也加了一个中心抽头。这个电路实际上是将俩个半波整流电路组合到一起，在0~π期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1俩端电压上端为正下端为负，其波形如图5.24所示，其电流流向如图5.25所示：在π~2π期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1俩端电压还是上端为正下端为负，其波形如图5.24所示，其流向如图5.26所示。在2π~3π，3π~4π等后续周期重复上述过程，这样电源正

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327） 负俩个半周的电压经过D1，D2整流后分别加到R1俩端，R1俩端的电压总是上正下负，其波形如图5. 24所示

。16

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设B1次级为E，理想状态下R1俩端电压可用下面公式来求出：

U(R1)=(2√2／π)E≈0.90E

全波整流计算公式

整流管D1和D2承受的反向峰值电压为：

Ud=2√2E≈2.83E

全波整流二极管反向峰值电压计算公式

全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。

桥式整流电路

由于全波整流需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了俩个整流二极管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。

由图5.28可以看出在电源在正半周时，B1次级上端为正下端为负，整流二极管D2和D4导通，电流由变压器B1次级上端经过D4.R1.D2回到变压器B1次级下端：由图5.29可以看出在电源负半周时，B1上端为负下端为正，整流二极管D1和D3导通，电流由变压器B1次级下端经过D1.R1.D3回到变压器B1次级上端。R1俩端的电压始终是上正下负，其波形与全波时一致。

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1俩端的电压可以有下面公式求出： Um=﹙2√2／π﹚E≈0.90E

桥式整流计算公式

整流管D1和D2承受的反向峰值电压为:

Ud=√2E≈1.41E

桥式整流二极管反向峰值电压计算公式

综上,桥式整流的特点是与半波整流相比在E和R1相同的条件下,输出的直流电压提高了一倍,电流脉动程度减小,变压器正负半周都有对称电流流过,既得到充分利用,又不存在单向磁化的问题,所以它的应用较为广泛,但是需要四个整流二极管,线路较复杂.

以上简单介绍了几种整流电路,根据其优缺点的判断,所以我在实际电路中使用了桥式整流电路,一方面,使电能得到了充分利用,另一方面,由于有现成的整流桥集成元件,设计起来也比较方便.

3.3.3滤波电路

滤波电路选用一个2200μF的大容量电解电容C1和一个0.1μF的小电容量涤纶CL11型电容C2并联滤波，如图3.6所示。理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2不起作用。但是，由于大容量的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感性，几乎不存在电感。在大电容C1上并联一个小电容C2可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时，小电容不工作（容抗大相当于开路）。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频率比较高时（输入信号的高频干扰成分），大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到底线，滤除各种高频干扰成分。电路的输

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出波形如3.7图所示

图3.6 滤波电容电路的分析示意图

?3

根据 U0?9V,UI?12V,?U0p?p?5mV,Sv?3?10 ，

和公式

Sv?

?Uop?pUU0Sv

?U0U0

?UU

I

Io?常数I

T?常数

可求得： ?UI?

I

?

0.005?129?3?10

?3

?2.2V

所以，滤波电容：

Ict?UI

I0max??

?UI

T2

?0.8?

1?12

?0.003636F?3636uF

C?

502.2

电容的耐压要大于2U2?为25V的电解电容。.

2?12?17V

，故滤波电容C取容量为4700?F，耐压

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电容滤波电路

电容滤波电路图5.31,电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用.在脉动直流波形的上升段,电容C1充电,由于充电时间常数很小,所以充电速度很快;在脉动直流波形下降段,电容C1放电,由于放电时间常数很大,所以放电速度很慢.在C1还没有完全放电时再次开始进行充电.这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用,滤波电容C1俩端的电压波形。

选择电容滤波时需要满足下列的条件：

RC≥（3—5）T／2（滤波电容选择条件公式）

电感滤波电路如图5.33，电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用的，电感量越大滤波作用越好，其带负载能力较好，多用于负载电流很大的场合。

由于我选电路负载电流不大且满足公式RC≥（3—5）T／2所以选择，电容滤波电路滤波。

3.3.4稳压电路

1、稳压电路选用三端集成直流稳压器，其电路连接方式一般如图3.8所示。 20

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图3.8 三端集成直流稳压器

性能上，常用的集成稳压器由三端固定式、三端可调式和开关式。以三端固定式为例，其正输出为7800（后两位代表输出的额定稳压值，00是统称）系列，负输出为7900系列，常见的有05、06、08、09、12、15、18、24八种。一般要求最小的输入、输出电压差（U1—U0）为2V~3V；输出稳压的容差约为5%；最大输出电流10max有0.1A（LM7812），0.3A（如78M12）和1.5A（如7812）等多种，部分器件的最大输出电流可达2.2A；其最大电压UImax一般是7818档以下为35V，7824档为40V；电压调整率SU一般为0.01%/V；输出电阻R０小于0.1Ω；纹波抑制比SR一般为50dB；温度系数ST一般为每度ImV~2.4mV。图2.7中，引脚1为电压变换的输入端，引脚2为电压变换后的输出端，引脚3为接地端。电容Ci作用是改善纹波和抑制输入的过电压，一般取值为0.1μF。C0作用是改善负载的顺态影响，一般可选取0.1μF的电容，当采用大电容量的电解电容时效果更好。稳压电源的输入输出端要跨接一个二极管，以防止集成稳压器输出调整管损坏。

2、稳压电路的设计

本设计是把几个供电模块集成到一个供电电源上，能够同时提供固定输出+5V（最大输出电流0.3A）和固定输出?12V（最大输出电流0.1A）的直流电数出。

（1） 输出+5V：核心器件选用LM7805三端集成稳压器，其输出电压为

+5V，额定电流0.1A。当变压器变压后输出6.3V交流电，经整流桥，整流后输出约6V电压，滤波后有LM7805三端集成稳压电源处理，输出+5V电压，电流最大输出为0.3A。

（2） 输出?12V：核心器件选用稳压器LM7812和LM7912，组合应用这两

个稳压器件与一个硅整流桥相接，按图2.8号电路就能输出?12V的电压。组合用LM7812和LM7912时，公共输出接地端用的是变压器输出端口的?12V并

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

分别接入LM7812的接地引脚（GND）和LM7912的电压输入引脚（Vin）；硅整流桥的正、负输出端口则分别接入LM7812的电压输入端（Vin）和LM7912的接地端；滤波电容用了两个100μF首尾相接，连接处接公共输出接地端。

图3.9 稳压电路

3.3.5元器件选择和电路参数计算说明

变压器的选择

（1）确定副边电压U2：

根据性能指标要求：U0max=3V U0max=12V

又?Ui—U0max?（Ui—U0）min Ui—U0in?（Ui—U0）max

其中：（Ui—U0）min=3V，（Ui—U0）max=40V

∴16V?Ui?43 V

此范围中可任选：Ui=14V=U01

根据U01=（1.1~1.2）U2

可得变压的副边电压：

（2）确定变压器副边电流I2

∵I01=I0

又副边电流I2=（1.5~2）I01 取I2=I0max=200mA

则I2=1.5*0.2A=0.3A

（3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：P0>I2*U2=4.8W

2、选择整流电路中的二极管

∵变压器的副边电压U2=16V

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∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：16

桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：0.3

查手册选整流二极管IN4001，其参数为：

反向击穿电压UBR=50V>16V,最大整流电流IF=IA>0.3A

3、滤波电路中滤波电容的选择

滤波电容的大小可用式C=△Ui/(△t*I) 求得。

（1）求△Ui：

根据稳压电路的稳压系数的定义：

设计要求△U0?5mV，Sr?0.005，U0= -12V ~ +12V，Ui=16V

代入上式，则可求得△Ui=△U0/（U0*Sr）；

（2）滤波电容C，△t=0.01S

设定I0=I0max=1.2A

则可求得C。

注意：因为大容量电解电容由一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

第4章 电路设计要求以及参数计算

4.1.设计要求：

性能指标要求：VO=+5V

技术指标要求：纹波电压：≤5mV

电压调整率：Ku≤3%

电流调整率：Ki≤1%

4.2.各参数计算：

（1）确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin

Uimin≈[Uomax+(Ui-U0)min]/0.9

代入各指标,计算得:

Uimin≥(5+3)/0.9=8.89V

取值为9 V.

（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率

Ui≥Uomax/1.1. I1≥Iimax

所以我们取I1为1.5A.

UI≥5/1.1=4.6V 变压器副边功率P2≥7W

变压器的效率q=0.7，则原边功率P1≥10 W.由上分析,可选购副边电

压为9 V,输出1.5A,功率12W的变压器.

（3）选整流二极管及滤波电容

整流二极管1N4007通用参数：

电流参数：IO=1A/IFSM=30A/IR=10μA

电压参数：URRM=URWM=UR=1000V/URSM=1200V/UF=1.1V/UR(RMS)=700V

功 率：PD=3W

波电容计算：C≈(3～5)T×Iimax/2U1min 电解电容作滤波电容。

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心得体会（田旭元）

本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我的指导老师邵老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

但是由于水平有限，我们的课程设计难免会有一些错误和误差，还望老师批评指正。

田旭元

20xx年7月11日 25

组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

心得体会 (高志伟）

过这次电路设计，我从中了解了直流稳压电源和贯通了书上的知识，同时也了解到了自己对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。

根据老师给的电路图，我把各个组件装在电路板上，经检查以后就开始焊接，我们组决定用焊锡连接电路，我们就认真的把各个组件练好之后就开始检查，接通电源以后，副边的电压是9.4V，而稳压电路输出端是10.24，怎么检查都不对，后来把电容都烧了才察觉到电容接反了。这让我们深刻体会到了，不管干什么事，都要细心，认真，稍不留神就会造成组件损坏，尤其是电学部分。而且要有安全意识，焊锡过程中，我还被焊钳残杀过......等等一系列的问题都的引起我们的注意。

终于，在老师的悉心指导下，我们完成了电路的连接，算是完成老老师给安排的任务，我也懂得了，不管干任何东西，就算再难，只要你认真去研究了，好好弄了，就算结果不尽人意，但我相信只要有第一次的努力，第二次一定会弄出令人满意的结果

通过这次实习，我们收获了很多，不仅是知识上，还有动手能力上都得到了提高。

高志伟

20xx年7月11日

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心得体会（朱小航）

通过这两周的机电一体化课程设计，老师细致的讲解和自己课间查资料，了解直流稳压电路的基本构成部分，即变压部分、整流电路、滤波电路和稳压电路，以及5V直流稳压电源的制作。自己选择方案，计算有关数据，自己设计排版，最后制作电路板。这样使我们能够主动自觉的去独立思考，主动学习相关的知识，能够很好的达到实习的效果，再动手的过程中也动了脑。在这次实习过程中我主要负责滤波电路的选择和设计并焊接电路板，在这过程中也出现了一些问题，比如电容接反了、虚焊和7085的接地端怎么接等，最后自己查资料和通过同学指导解决了全部的问题。

本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。

这次机电一体化课程设计使我收获很多，在此感谢学校提供的这次机会和老师辛勤的指导和同学热情的帮助，谢谢！

朱小航

20xx年7月13日

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

心得体会（雷 毓）

本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及稳压二极管来设计输出可调电压直流稳压电源。其结构简单，使用元器件较少；系统的可靠性好，其精度高，成本低，便于维修，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。

在设计的过程中，遇到了不少的问题，通过翻阅资料得到解决。我们在设计了电路以后中，发现电路板焊接后，不方便调试，于是加了两个插槽。调试时，有发现负电压的输出为零，通过用万用表检查发现原来焊接做的不好，有些焊点之间根本就没连接起来。起先为了焊接方便，我们没有将元件的管脚剪掉，而是互相搭接焊在一起，以至于造成了后来调试结果出不来，并且做的板子也不美观。我们便把起先那些没焊好的，都重新焊了一遍，用导线给焊接，在这过程，也注意一些美观的细节，终于是大功告成。最后在老师的指导下，一次性完成了最后的调试。

通过这次设计，了解了书本上没有的知识，更加巩固了所学的知识，也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。此外，也学到了许多的经验，做什么事都有思前想后，我们在焊接时，就因为没有深入思考，把六脚开关接成了开关起作用时的状态，好在检查时发现了。这次的课程设计，获益匪浅，虽然从了解原理到设计电路，在到买元件，最后安装调试和课程设计书的撰写，花了很多时间，但是是值的，因为成就感让我们很满足，也让我深深体会到了做学问一定要有认真、严谨的治学态度，这也将对我以后的学习和工作起到莫大的帮助

雷 毓

20xx年7月11日

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参考文献

[1] 伍启学.串联型晶体管稳压电路. 成都： 家庭电子编辑部.2002

[2] 斐纯厚.彩色电视机稳压原理及维修.北京：电子世界编辑部. 2002

[3] 陈本竹.三端可调直流稳压器的扩流及估算.成都：电子文摘社.2008

[4] 王庆主.protel99se&DXP电路设计教程 .北京： 电子工业出版社. 2006

[5] 周立明.彩色开关电源故障检修技巧.北京：清华大学出版社.2004

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组员：田旭元（0901140315）高志伟（0901140320）朱小航（0901140326）雷 毓（0901140327）

致 谢

在此要感谢我的指导老师邵老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计

过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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