直流稳压电源设计

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直流稳压电源的设计

摘 要：设计一台串联型直流稳压电源，解决了正确选择整流二极管、滤波电容、集成稳压电路及电压显示的问题，并且掌握小功率直流稳压电源的有关参数的测试方法。

本文设计的是量程为 12V且在0~12V可调的直流稳压电源，其最大输出电流为500mA，并具有数字显示电压功能。并且利用A/D转化，将输出的连续电压信号变为离散的数字信号实现输出电压的控制。另外核心部分为：采用数字电路实现输出电压的控制，通过加减键实现加计数或减计数。同时通过计数器和译码-驱动器，最终将电压值显示到数码管组上。该稳压电源具有性能稳定.结构简单.电压、电流指标精度高.调节方便等优点 。

关键词：直流稳压电源；整流滤波；稳压电路；三端集成稳压器；电压显示。

1 引言

电子系统（如收音机、随身听等）都要求用稳定的直流电源，而日常生活中本次设计应解决的主要问题是：如何产生稳定的电压，怎样对输出电压进行数码显示，基本掌握仿真软件Proteus的使用方法。

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的技术，服务于各行各业。数字式稳压电源与传统稳压电源电路相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。目前，数字式直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛应用于我们生活、工作、科研、各个领域。

本文将介绍一种数字式直流稳压电源，要求输出电压量程 18V，3V～+18V连续可调；输出电压可数字显示，显示精度优于 0.1%；

作为第一次课程设计，整个资料搜集与工作过程有待提高。第一步用一天时间重点温习模电课本中稳压电源部分，对直流稳压电压的原理，结构框图，变压、整流滤波、稳压三大部分有了初步了解。第二步结合任务书的基本要求，用两天时间查找搜集相关书籍与网络资料，在茫茫书海中找到核心资料，先确定总体方案为控制方式，再模块方案选择与论证，确立变压、单相桥式整流电容滤波、两路稳压输出、数控与数显的设计结构。画出整个电路草图。第三步，重温 multisim软件的电路原理图画法与电路仿真。在该软件的学习与使用的过程中遇到一些大大小小的问题。比如安装程序，熟悉各种工具的使用，元器件的查找，仿真起初难以出结果等等。原理图和仿真完成后，第三步则撰写报告。整个课程设计过程，不仅使我们更扎实的学习电子技术课程、学会仿真软件multisin；而且将理论知识与实践相结合，一定程度的锻炼了我们的动手和电子设计能力，资料搜集能力，也达到了一种将知识活学活用的目的。

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2 总体设计方案

2.1 设计思路

根据要求稳压源输出电压Uo(3—18V)，且有一定的带负载能力等。正确地

确定输出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所有元器件的性能参数，然后合理的选择这些器件。

(1)首先选用合适的电源变压器将电网电压u1。降低到所需要的交流电源

u2 。

(2)降压后的交流电压u2，通过整流电路整流变成单向脉动直流电压U3．直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压U4，即滤除交流成分，保留直流成分，滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 。

(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，滤波电路输出的直流电压 也会随之变化．为了维持输出电压Uo稳定不变，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．

（4）电压显示电路。由于输出电压为3—18V中任意电压，需显示稳压源输出电压数值，从而方便用户使用。

2.2 总体设计框图

直流稳压电源一般有电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。有时为了各种不同电子系统的需求电路中常带电压显示电路。基本框图及各处电压的波形如图1所示。

U1

U2 U3

U4 Uo

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图1 总体框图

3 设计原理分析

3.1 电源变压器的选择：

根据输出电压为3—18V，电源变压器的输出应高于电路输出电压才能使输出稳定，于是选择交流220：20V变压。但是考虑到软件水平有限（没有合适的变压器），在制作电路的时候直接省去了变压部分。 3.2 整流滤波电路选 3.2.1 整流电路的选择 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。 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。这也是我们平常经常使用的整流方法。 3.2.1 滤波电路的选择 方案一：

电感滤波电路：采用电感滤波，使电感与负载串联，在负载电流较大时此电路输出电压波形较平稳。 方案二：

型滤波电路：此电路采用两个电容和一个电感组成 型滤波，电路滤

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波效果较好，无论负载轻重，输出电压均接近直流。但需要原件较多。成本较高。 方案三：

电容滤波电路：此电路采用一个电容与负载并联，在负载较轻时输出电

压波形，较稳定！这也是我们平常经常使用的滤波方法。

综合以上方案的优缺点:决定均选用方案三，采用桥式整流，电容滤波电路。 选择整流二极管和滤波电容：

在桥式整流电路中二极管承受的反向电压为 U2m，所以URM >2U2， 2×18=26V，Iomax=0．18A，IN4001的反向击穿电压UR≥50V，IN4007的反向击穿电压 ≥1000V，IN4001、IN4007额定工作电流ID = 1A > Iomax，故整流二极管选用IN4001或IN4007。

滤波电容选择2200 F，耐压为50V,可计算出输出波纹系数

Iomax 0.5T

C

U2=

=

0.18 0.5 0.022200 10

-6

=0.8v

当输出稳定在18V时此电容滤波输出电压能满足要求。整流滤波电路及整流滤波电路输出波形如下图，能够实现从3到18v的变化，并有一定的抗干扰能力，符合电路要求。

图2 稳压电路

3.3 稳压电路

稳压电路分为三部分：

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（1） 变压部分：

（2） 稳压部分

图2稳压部分

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（LM317L）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。

其中电阻R3，与电位器R5组成输出电压调节器，输出电压的表达式为：Uo=1.25(1+Rp／R1)。 Rp为精密电位器。C7可进一步消除纹波，还可起到相位补偿的作用， 防止自激振荡．电容 C7与Rp和R2并联组成滤波电路，电位器Rp和R2两端的纹波电压通过电容C3旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极管D1的作用是防止输出端短路时，因电容C3上的电压过大而损坏稳压器。二极管D2的作用是防止输入端短路时，因电容C2上的电压过大而损坏稳压器。

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由于设计要求输出电压为3—18V，根据稳压器输出电压Uo=1.25{1+(R2+

Rp)／R1}计算得到，R1=400,R2=600,Rp=5K,电容C3=10 F，C2=10 F,电容耐压选择25V。

参数确定经过仿真得稳压电路在输出电流不大于0.18A时，可输出电压在3—18V间。 3.4电压显示电路

电压显示电路可由模数转换电路和显示电路两部分组成，如图4所示

3.4.1 模数转换

图3 显示电路框图

由于输出最高电压为18V，故选用8输出ADC集成电路,如图5。

A1

VinD0D1D2D3D4

Vref+Vref-SOCOE

D5

D6D7EOC

ADC

图4 模数转换器

其中Vin 为模拟电压输入端；

Vref+与Vref-为正负基准电压输入端； OE为时钟信号输入端；

SOC为转换端，当SOC为高电平时，集成块开始把模拟电压转换成数字电压，当SOC为低电平时，输出端开始输出转换后的数值。

Vin 为模拟电压输入端，输入1V时，D7,D6, D5, D4, D3, D2, D1, D0输出为00110100（十进制为52）；2V时，D7,D6, D5, D4, D3, D2, D1, D0输出为01101000（十进制为104）；即输出灵敏为52V。

选择输出电压单位为伏特V，故在Vin 模拟电压输入端，采用

521

1

的分压电

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压，OE时钟信号输入端，采用555构成的多谐振荡器输入，SOC转换端，同样采用555构成的多谐振荡器输入；时钟信号输入电路，如图6；

图6时钟电路的输出频率

f=1.43/[(R1+2 R2) C1]=1.43/[(500+2 50 103) 100 10 12] 142KHz；占空比q(%)= (R1+R2)/(R1+2R2) 100% = (500+50 103) /(500+2 50 103) 100% 50%;

SOC转换端的信号输入的电路如图7

图5时钟信号产生电路

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图6 转换信号产生电路

图7电路，在二极管为理想情况下计算出，高电平输出时间与低电平输出时间

tpL 0.7 R4 C2=0.7 100 103 1 10 9=70 S

tpH 0.7 (R5+R3) C2=0.7 (1 103+1 103) 1 10 9=1.4 S 输出频率和占空比为

f=1/（tpL+ tpH）=1/（70 10 6+1.4 10 6）=14KHz q(%)=tpH/（ tpL + tpH） 100% 2%

在实际电路中由于二极管内阻的影响，实际输出频率和计算结果不相同， 在本题目稳压电源的设计中ADC电路的SOC转换端的信号输入端，输入信号只要低于OE时钟信号输入端的时钟信号，占空比较小（为了避免输出的电压显示的闪烁），即可满足要求。

3.4.2 显示电路

-

显示电路是将模数转换后的五位二进制码，由两个四输入—十进制译码器驱

动数码管，输出。由于模数转换后输出的是五位二进制码，不能直接联接译码器故加入组合逻辑门电路，组成的组合译码电路，完成将五位二进制码，通过组合逻辑门电路后，驱动两个十进制译码器。

本电源输出最高电压为18V，即模数转换器最大输出值为10010；由此可见

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十位译码显示器只显示0或1两个数码。所以可得组合译码电路的真值表。设

EDCBA,为组合译码电路的五位输入信号，其中组合译码电路的输出Q3Q2Q1Q0 也为个位译码显示器的输入，组合译码电路的输出Q10为十位译码显示器的输入；真值表

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由真值表得到逻辑表达式 Q10 = E+E D B+E D C Q3 =EDCB+EDCB Q2 =EDCB EDCB EDC Q1 =EDB EDCB EDCB Q0 =EA DCA

有表达式的逻辑图,如图9，图中所用原件有

4073BD（三个三输入与门） 一块 4082BT（两个四输入与门） 四块 4075BT（三个三输入或门） 三块 4009BCL（六个非门） 一块

组合译码电路输出接译码器，译码器采用4543BD。电路如图10。

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3.5总体电路

总体原理电路见附录1 总体PCB图见附录2 稳压电路PCB版图见附录3

图7组合译码电路

4总结与体会

经过将近两个星期的努力，终天完成的这个设计。通过对电路、模电、数电再学习，发现稳压电路的设计还是相当简单的，很快的我们就成功的将稳压电路

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做好，在电压显示设计过程中由于牵涉到电压显示问题，在网上搜了好多资料，其方法都是用单片机实现，由于现在还没有对单片机进行学习，根据老师提示采用数模转换ADC电路、逻辑门电路和译码器组成电压显示电路，电路很复杂。在用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，一直出错不知道是什么原因，终于在老师的指导下同学的帮助下成功的仿真出了现实过程。虽然还是有一定的误差，经过本次课程设计使我下定了决心对单片机、multisim仿真和protel的认真学习。

看似简单的问题真做起来不容易。我主要做了前面0-12v电压的产生，不用多想整流自然用单桥，而这滤波看资料好像用的越复杂效果越好但是想想好像也不需要，就用电容挺好只要值大一点就好。稳压管稳压常用的稳压值好像不大再说那电压还要可调所以用两级放大，之间用电位器可调而后的输出要使电流小于400ma则当负载为0时电流不大于400，为此输出采用分压调节电阻值使其满足要求。至此电压可调并满足量程之后考虑数字显示输出电压是个模拟量则需要将其转换成数字量。则需要用道A|D转换器但是没学，查书，问人知一点妄图设计出来。简单一点精确度低一点八位，得到的是一个八位二进制数但要数码管显示要有是8421BCD码表示的十进制数。再查好不容易找到但那图不清晰，自己想用两个计数器一个是二进制一个十进制给相同脉冲当二进制计数器和A|D转换过来的是一样是停止计数则是进制计数器得到的结果则是转换过来的ＢＣＤ码可用于数码管显示。但是不工作未想到办法。我想我的理论是没有问题的，但是出不了结果而我想就算出结果了，要用器件实现也不会简单，所以可见经验确实重要实践不容忽视。

但是经过本次的课程设计，培养也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、对multisim和protel的使用能力！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。

参考文献

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