直流电源
直流稳压电源
一、任务要求简介
1．基本要求
（1）在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋10%～－10%条件下，输出四路直流电源：
a．第一路输出电压为-5V，最大输出电流为1.5A；
b．第二路输出电压为+12V，最大输出电流为1.5A；
c．第三路输出电压为+5V，最大输出电流为3A；
d．第四路输出电压范围0～＋5V可调，最大输出电流为1A；
（2）负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
（3）纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
（4）效率≥40%
（5）电压调整率≤1%（输入电压220V变化范围＋10%～－10%下，空载到满载）
（6）具有过流及短路保护功能
2．发挥部分
实现第四路输出电压数码管显示功能、过压保护、提高电压调整率和负载调整率、提高效率
二、系统功能简介
（一）变压器
本次课设我们采用的是220V转16V的变压器。满足设计所需电压值。
（二）整流电路
整流电路（rectifying circuit）是把交流电能转换为直流电能的电路，电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。
a) 半波整流 b)全波整流 c)桥式整流
图1 三种整流电路
方案1半波整流
如图a)所示，利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变化的工频交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。半波整流后因为丢弃了交流电的一半波形，所以输出电压大致约为原电压的一半，比如输入为24V交流电压，经半波整流后，输出直流电压约为12V。半波整流电路由一个二极管构成。使用元件少。输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。
方案2 全波整流电路
如图b所示，全波整流是一种对交流整流的电路。在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比如晶体二极管），而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整流。在应用全波整流器时其电源变压器必须有中心抽头。无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的。全波整流输出电压的直流成分增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。全波整流电路采用有中心抽头的变压器和两个二极管配合，使得在整个周期内都有直流电输出。输出电压平均值是半波整流的2倍，两个二极管轮流工作，正向电流等于负载电流平均值的一半。二极管承受的最大反向电压等于变压器副边两个绕组的峰值电压。
方案3 桥式整流电路
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
对比优缺点：第三种整流方式不论从效率上还是从整流程度上都更胜一筹，所以本次课程设计采用桥式整流电路。
图2 降压整流电路
（三）滤波电路
滤波电路中最重要的就是滤波电容。其工作原理就是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中电压基本稳定。
（四）稳压电路
稳压电路的作用是对整流后的直流电压进一步进行稳定。稳压电路，是指在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。本设计采用LM7805,LM7812,LM7905,LM7912,LM317等芯片。
LM7912简介:
图3 标准应用
图4 外形引脚排列图管脚图
LM7812简介:
三端稳压集成电路 lm7812。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压 输出的 lm78 ×× 系列和负电压输出的 lm79××系列。顾名思义，三端 IC 是指 这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有 lm9013 样子的 TO-92 封装。
用 lm78/lm79 系列 三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少， 电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而 且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 lm78 或 lm79 后面的数字代表该 三端集成稳压电路的输出电压，如 lm7806 表示输出电压为正 6V，lm7909 表示输出电压为负 9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为 5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。
当制作中需要一个能输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三 端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意： 并联使用的集成稳压电路应采用同一厂 家、同一批号的产品，以保证参数 的一致。另外在输出电流上留有一定的 余量，以避免个别集成稳压电路失 效时导致其他电路的连锁烧毁。
图5 基本应用
LM317
LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿之基本能防止烧断保险丝。
LM317服务于多种应用场合，包括局部稳压、卡上稳压。该器件还可以用来制伏一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，LM317可用作一种精密稳流器。
*输出电流超过1.5A
*输出在1.2~37V之间可调节
*内部热过载保护
*不随温度变化的内部短路电流限制
*输出晶体管安全工作区补偿
*对高压应用孚空工作
特性简介
可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。
电压范围
LM117/LM317 1.25V 至 37V 连续可调。
其封装形式如下：
绝对最大额定值罗
符号 参数 值 单位
VI-O 输入－输出电压差 40 V
IO 输出电流 内部限制
Top 工作结温 LM117 -55到150 ℃
LM217 -25到150
LM317 0到125
Ptot 功耗 内部限制
Tstg 储存温度 -65到150 ℃
注：输入至少要比输出高2V，否则不能调压。输入电要最高不能超过40V吧。输出电流最好不超过1A。输入12V的话，输出最高就是10V左右。 由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意317的功耗不要过大。一般加散热片后功耗也不超过20W。因此压差大时建议分档调压。
三、硬件设计
（一）功能框图设计
（1）电源变压器可通过降压变压器实现。
（2）整流部分一般采用桥式整流，可采用4个整流二极管接成桥式，也可采用二极管整流桥堆。
（3）滤波电路在电流输出不大的情况下一般选用电容滤波即可。
（4）三端集成稳压器有固定输出和可调输出两种。由于课题要求的输出电源都是固定的，所以稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器。
（二）单元电路设计
（1）稳压电路的设计
根据课题任务与技术指标要求，选择W7815、W7915、W7812、W7912三端集成稳压器，其性能指标如表1（LMXX系列参数）所示。
1．电压调整率的定义为在保持Io和温度不变的条件下：，该参数，反应了稳压电源克服输入电压变化影响的能力，越小越好。
2．负载调整率，负载调整率=（空载时输出电压-满载时输出电压）/（额定负载时输出电压）*100%。
3. 输出最大电流，由LM系列数据手册可知，LM7805，LM7905，LM7812的最大输出电压为1.5A，电流不够可通过并联实现倍数的递增，所以输出5V的并联两个LM7805实现最大输出电流3A,输出12V，-5V，直接使用7812,7905，可实现最大输出电流1.5A。
图6 +5V稳压电路
图7 +12V和-5V稳压电路
图8 0-5V稳压可调电路
05V电压可调部分稳压电路原理图如图4所示。其中由LM317稳压电路组成，其中VD1,VD2,C1获得负压，R3,VDZ与C2稳压滤波后由场效应管VT进行恒流来提高VD3，VD4正向导通的二次稳压性能，从而改善01.25V低压段之间的稳压性能，此端提供-1.3V的负基准电压，接与电位器RP2。并由图3所示公式可知，要输出1.25V~6.25V正电压，则R1与RP2的比值为1:4，衡量之后选用1K电阻和4K阻值的电位器。
图9 从零起调的LM317稳压电路
（2）双路输出变压器、整流、滤波电路电路的设计
这部分电路原理图如图4所示。
变压器的选择主要考虑初、次级的电压电流要求。由于LM7812（7912）要求输入电压为+18.5～+28.5V（－18.5～+28.5V），LM317要求输入，设UI取为20V，则根据电容滤波电路中的电压关系：若，则U2≈UI/1.2，可求得变压器次级电压有效值2×U2≈2×16V。根据课题技术指标要求，所以取变压器为/50W即可。
整流电路可用4个整流二极管组成桥式整流电路，也可直接选用桥式整流堆，只要做到使每只整流管的最大反向电压，整流电流为即可。例如这里可选50V/2A的桥式整流堆。
滤波电容的容量C应按式RLC≥(3～5)T/2确定。其中，RL为电容所带负载，这里为集成稳压电路的等效输入电阻，T为u2的周期。这里C取为2200μF/36V可满足要求。
（三）直流稳压电源电路图（全图）
图11 整体电路图
四、仿真设计与调试
（一）电压调整率
图12
图12
图13
由上图可知
1．输出5v电压的电压调整率为0.01%，符合设计要求。
2．输出12v电压的电压调整率为0.03%，符合设计要求。
3．输出-5v电压的电压调整率为0.00%，符合设计要求。
4. 输出0~5v可调电压5v的电压调整率为0.06%，符合设计要求。
（二）负载调整率
1．输出5v电压的负载调整率为0.03%，符合设计要求。
2．输出12v电压的负载调整率为0.1%，符合设计要求。
3．输出-5v电压的负载调整率为0.14%，符合设计要求。
4．输出0~5v可调电压的负载调整率为0.06%，符合设计要求。
（三）纹波电压峰峰值
（四）效率
由上图所示，该电路的效率为54%，符合设计要求。
（五）最大输出电流
五、调试结果
六、成本核算
元器件 个数 单价 合计 附录
LM7805 2 3
LM7812 3 3
LM7905 1 3
LM7912 1 3
LM317 1 6
GBJ5010整流桥 2 5 直排
2200uF电解电容 2 3 耐压50V
220uF电解电容 5 1 耐压50V
100uF电解电容 3 0.5 耐压50V
10uF电解电容 1 0.5 耐压50V
0.33uF陶瓷电容 3 0.2
0.1uF陶瓷电容 5 0.2
1N4001G二极管 13 0.1
2.2V稳压管 1 0.1
场效应管2sk170 1 11
200Ω电阻 1 1
2KΩ电阻 1 1
1K欧姆电阻 1 1
220V变16V变压器50W 1 58
4K欧姆电位器 1 1
10欧姆滑动变阻器25W 2 30
合计 165.9