直流稳压电源的设计与制作

来源：BOB.COM    发布时间：2023-11-04 13:13:43

  摘要：直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。直流稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，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，从而合理地选择这一些器件。本文设计一个直流稳压电源,电路采取三端集成稳压器等元件,构成6V稳压电源电路,具有设计电路简单,制作容易,操作便捷,显示直观,性能可靠,功能完善等特点。

  直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下问题: 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如1. 05～ 1. 07V ) ,困难就较大。二是稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高。

  传统的直流稳压电源一般会用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。随着科学技术的持续不断的发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

  从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构和中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

  在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就一定要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

  方案一: 采用单级开关电源，由220V交流整流后，经开关电源稳压输出。但此方案所产生的直流电压纹波大，在其后的几级电路中很难加以抑制，有很大的可能性造成设计的失败与技术参数的超标。

  方案二：并联式稳压电源，电路简便易行，所用元器件相对较少，当负载电流恒定时稳定性相对较好，其突出优点就是可承受输出短路。但是效率低于串联式稳压电源，输出电压调节范围较小，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用。

  方案三：串联式稳压电源，利用可调的三端式集成稳压器先提供稳压电压和小电流，再通过三极管扩流的方式使之提供大功率。由于集成稳压器通常内部已有各种保护电路，辅助电路就可以简化。其次想采用经典的分立式元件形式，因为在理论课及实验室中看到的大多是这种电源，并且具体电路形式很丰富，可借鉴的结构也较多。

  比较以上几种方案，决定采用方案三，即经典的串联式稳压电源，稳扎稳打，力争做好。

  我国电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先一定要采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。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）。脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。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。

  电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。

  本设计方案所要使用到的降压变压器是将电网交流电压220V变换成复合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得后级电路所需要的直流电压12V。

  由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差较大，考虑到稳压部分中的集成稳压器须在输入电压≥10V 时才能使输出电压为0.7V～9V。所以，降压后的电压设为10V～12V，才可以做到要求输出的电压为0V～10V，即该部分电路采取变压器把220V交流市电变为约10V 的低压交流电，作为电源的输入电压。变压器原辅线

  电路中的保险丝可起到保护电源的作用，当电流大于0.5A 时，保险丝熔断，从而防止电源烧坏。电源变压器的效率为：

  一般小型变压器的效率如表1所示，因此，当算出了副边功率后，就能够准确的通过下表算出原边功率。

  整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

  如图所示，在本设计中采用四个二极管组成桥式整流电路，利用单相桥式整流电路把方向和大小都大小都变化的50Hz的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。其优点是电压较高,纹波电压较小,整流二极管所承受的最大反向交流电流流过,变压器的利用率高。滤波电路：利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质,采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除,得到比较平滑的直流电。

  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：

  输入电压u2受负载和温度发生明显的变化到影响而发生波动时，滤波电路输出的直流电压VI会随着变化。因此，为维持输出电压VI稳定不变，需要对电压进行稳压。稳压电路的作用是当外因（电网电压、负载、环境和温度）发生明显的变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的电压输出。稳压电路一般都会采用集成稳压器和一些元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有稳定性很高、结构相对比较简单等优点。

  7806为三端式集成稳压器，这种集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不可以进行调整。W78系列三端稳压器输出正极性电压，一般有：5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。若要求输出负电压，可选用W79系列稳压器。图3是7806的外型和三个引出端，其中：

  它的主要参数有：输出直流电压Uo=6±5%；最大输入电压Uimax=35V； 电压最大调整率Su=50mV；静态工作电流Io=6mA； 最大输出电流Iomax=1.5A；输出电压温漂ST=0.6mV/oC。

  按图所示连接电路， 在u1=220V时，测出稳压电源的输出电压Vo，应改变电源电压上升和下降10%，分别测量稳压电源的输出电压VO，RL=100Ω。在实验室调节交流不太方便时,可采用变压器的次级变换的方法,如①②脚电压为18V,测量一次,记下VO1.再更换到③①脚测量一次VO2, 将测量的结果填入表5中。则稳压系数为：

  按图4所示连接电路，保持稳压电源的输入电压不变 ，在不接负载RL时测出开路电压Vo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Vo2和输出电流Io2，测量结果填入表3中。则输出电阻为：

  用示波器观察Vo的纹波峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Vop-p的值（约几mV）。