实验九 直流稳压电源的设计
一．实验目的
1．学习小功率直流稳压电源的设计与调试方法。
2．掌握小功率直流稳压电源有关参数的测试方法。
二．预习要求
1．根据直流稳压电源的技术指标要求，按照教材中介绍的方法，设计出满足技术指标要求的稳压电源。根据设计与计算的结果，写出设计报告。
2．制定出实验方案，选择实验用的仪器设备，
三．实验原理
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图1所示。
+ 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 +
u1 u2 u3 uI U0
_ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _
（a）稳压电源的组成框图
u1 u2 u3 uI U0
0 t 0 t 0 t 0 t 0 t
（b）整流与稳压过程
图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
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流电压u2。电源变压器的效率为：
其中：
是变压器副边的功率，
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
因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率
。
2．整流和滤波电路
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
流过每只二极管的平均电流为：
其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。
3．稳压电路
由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能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所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
（1） 固定电压输出稳压器
常见的有CW78
（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo ≥2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 ~ 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 ~ 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图A所示。
（2）可调式三端集成稳压器
可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 ~ 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：
UI -Uo = 3 ~ 40V。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用电路见附录图B。
三．稳压电源的设计方法：
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：
1） 根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。
2） 根据稳压器的输入电压
，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电
源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。
3） 确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压
和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。
设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：
纹波电压的有效值 
稳压系数 
设计步骤：
1）选择集成稳压器，确定电路形式
集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：
，最大输出电流
为1.5A。所确定的稳压电源电路如图2所示。
D6
3 CW317 2
保险丝D1 D4 1
C R1 D5
u1 D2 D3 C1 Co Uo
~ 220V u2 C2
RW
图2 输出电压可调的稳压电源
图2中，取C1 = 0.01μF，C2 =10μF，C0 = 1μF，R1 = 200Ω，RW = 2kΩ，二极管用IN4001
在图2电路中，
和
组成输出电压调节电路，输出电压 
，取
，流过的电流为
。取
，则由
，可求得：
，
，故取为
的精密线绕电位器。
2）选择电源变压器
由于CW317的输入电压与输出电压差的最小值
，输入电压与输出电压差的最大值
，故CW317的输入电压范围为：
即 
， 取 
变压器副边电流： 
，取
，
因此，变压器副边输出功率： 
由于变压器的效率
，所以变压器原边输入功率
，为留有余地，选用功率为
的变压器。
3）选用整流二极管和滤波电容
由于：
，
。
IN4001的反向击穿电压
，额定工作电流
，故整流二极管
选用IN4001。
根据 
，
和公式
可求得： 
所以，滤波电容：
电容的耐压要大于
，故滤波电容C取容量为
，耐压为
的电解电容。
四．稳压电源的安装与调试
按图3所示安装集成稳压电路，然后从稳压器 D6
的输入端加入直流电压
，调节RW，若 3 2
输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。 CW317
用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正 1 R1 D5
确判断出二极管的极性后，按图4所示先在变压器 UI C Uo
的副边接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整 C1 Co
流滤波电路。 安装时要注意，二极管和电解电容 C2 RW
的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器
与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表 图3 稳压电路
检查整流后输出电压UI的极性，若UI的极性为负，（其中：D5、D6为IN4001型二极管，
则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路， C1 = 0.1μF，C2 =10μF，C0 =1μF）
就会损坏集成稳压器。因此确定UI的
极性为正后，断开电源，按图2所示 D1 D4
将整流滤波电路与稳压电路连接起来。
然后接通电源，调节RW的值，若输出 u1 D2 D3 C UI
电压满足设计指标，说明稳压电源中各 ~220V u2
级电路都能正常工作，此时就可以进行
各项指标的测试。
图4 整流滤波电路
五．稳压电源各项性能指标的测试
1．输出电压与最大输出电流的测试
测试电路如图5所示。一般情 自耦变压器 Io 电流表
况下，稳压器正常工作时，其输出 被测 I
电流
要小于最大输出电流
， ~220V 稳压 Uo V 电压表 RL
取
，可算出RL=18Ω， 电路
工作时
上消耗的功率为：
故取额定功率为5W，阻值为 图5 稳压电源性能指标的测试电路
18Ω的电位器。
测试时，先使
，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。然后慢慢调小，直到Uo的值下降5%，此时流经的电流就是，记下后，要马上调大的值，以减小稳压器的功耗。
2．稳压系数的测量
按图5所示连接电路， 在
时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压
，测出稳压电源对应的输出电压Uo1 ；再调节自耦变压器使输入电压
，测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为：
3．输出电阻的测量
按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：
4．纹波电压的测试
用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量ΔUop-p
的值（约几mV）。
5．纹波因数的测量
用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）
的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为：
六． 实验内容：
1．设计一个输出电压连续可调的稳压电源，性能指标为：
（1）输出电压U0=（
）；最大输出电流
（2）负载电流
（3）纹波电压 
（4）稳压系数 
2．按照教材中所介绍的方法，设计满足以上性能指标的稳压电源，计算出稳压电源中
各元件的参数，安装和调试电路。
3．在保证电路正常工作后，测出稳压电源的性能参数
、
、
、
、
、
和
。
七．实验报告要求
1．列出设计题目和技术指标要求。
2．列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。
3．画出标有元件值的电路图。
4．列出性能指标的测试过程
5．整理实验数据，并与理论值进行比较。
附录：
1．固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路
CW78XX 1 CW78XX 3 CW79XX
1 2 3 UI C1 2 Co Uo 1 2 3 UI C1 1 Co Uo
2 CW79XX 3
Ui 地 Uo 地 Ui Uo
（a） CW78系列的引脚图及应用电路 （b） CW79系列的引脚图及应用电路
（其中：C1 = 0.33μF,Co = 0.1μF ，C1、 （其中：C1 = 2.2μF，CO = 1μF）
Co采用漏电流小的钽电容）
图A 固定式三端稳压器的引脚图与应用电路
说明：稳压器输入端的电容C1用来进一步消除纹波,此外，输出端的电容Co与C1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。
2．可调式三端稳压器的引脚图及其典型应用电路
在图B (a)中，R1与Rw组成输出电压 3 CW317 2
调节电路，输出电压Uo≈1.25 (1 + Rw / R1 )， CW317 1 R1 D5
R1的值为120 ~ 240Ω，流经R1的泄放电 1 2 3 UI C1 Co Uo
流为5 ~ 10mA。Rw为精密可调电位器。电 RW C2
容
可以进一步消除纹波，电容C1与Co arj Uo Ui
还能起到相位补偿作用，以防止电路产生 （a） CW317系列引脚图及应用电路
自激振荡。电容C2与Rw并联组成滤波电 其中：C1= 0.01μF，C2 =10μF，CO =1μF，
路，电位器Rw两端的纹波电压通过电容C2 R1 =200Ω，RW =3kΩ，D5用IN4001
旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极 RW
管D5的作用是防止输出端与地短路时，因 CW337 C2
电容C2上的电压太大而损坏稳压器。 1 2 3 UI C1 Co Uo
1 R1 D5
arj Uo UI 3 CW337 2
（b） CW317系列引脚图及应用电路
其中：C1= 0.1μF，C2 =10μF，CO =1μF，
R1=200Ω，RW =3kΩ，D用IN4001
图B 可调三端式集成稳压器
附：
1．集成稳压器的选取：采用cw7812、cw7912和cw317
cw7812：正稳压器，最大输入电压为35v，最小输入电压为14.5v；当输入为19v时，输出为12v，输出电流为1a，加散热片。
cw7912：负稳压器，最大输入电压为-35v，最小输入电压为-14.5v；当输入为-19v时，输出为-12v。
cw317：可调三端式集成稳压器，输出电压为1.2～37v，输出电流1.5a；最大输出压差40v，最小为3v，现要求5～12v，则输入电压为15v≤≤45v
以上数据仅供参考，需根据不同实验条件选取。例，7812的输入19vm, 则变压器副边电压14v即可，并且如果未加散热片一定要注意安全，稳压器很容易烧毁，就不要加负载了。
并且78的最简单，79的很容易接反，317的挺复杂。