直流稳压电源的设计目录一、目的和要求．．．．．２二、实验原理．．．．．３三、稳压电源的技术指标．．．．．１１四、元件清单．．．．．１２五、小结．．．．．１3一、目的与要求1．实验目的通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：(1)选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；(2)掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

2．设计任务设计一波形直流稳压电源，满足：(1)当输入电压在220V±10%时，输出电压为±5v,±12v,±15v和从0到15v可调，输出电流大于1A；(2)输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3，输出内阻小于0.1欧。

3．设计要求(1)电源变压器只做理论设计；(2)合理选择集成稳压器；(3)完成全电路理论设计、绘制电路图(4)撰写设计报告、总结报告二、实验原理稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，即变压器，整流滤波电路和稳压电路。

如下图所示。

变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

稳压电源电路的基本方框图 1、各部分电路的作用（1）交流电压变换部分。

一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的220V 电压相差较大，为了得到输出电压的额定范围，就需要将电网电压转换到合适的数值。

所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。

（2）整流部分。

整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。

由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。

（3）滤波部分。

滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑 ，使之成为含交变成份很小的直流电压。

也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。

（4）稳压部分。

尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

2、各电路的选择 （1）电源变压器电源变压器T 的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui 。

实际上，理想变压器满足I 1/I 2=U 2/U 1=N 2/N 1=1/n ，因此有P 1=P 2=U 1I 1=U 2I 。

变压器副u 1变压器u 2整 电流 路u 3滤 电波 路u 4稳 电压 路U o边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。

这一结论是我们已经熟悉的。

2．整流整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。

（1）半波整流半波整流电路如下图所示。

为分析方便起见，可设二极管为理想的。

R LTrD半波整流电路该电路工作原理：设变压器次级电压U 2=U 2m sin ωt=2U 2sin ωt ，其中U 2m 为其幅值，U 2为有效值。

当U 2变化的正半周期时，二极管D 受正向电压偏置而导通，U L =U 2；当U 2变化的负半周期时，二极管D 处于反向偏置状态而截止，U L =0。

U 2和U L 的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是半波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出单向脉冲电压的平均值即直流分量为U L0=U 2m /π=π2U 2 ≈0.45 U 2 （1）显然，输出电压中除了直流成分外，还含有丰富的交流成分基波和谐波（这里可通称为谐波），这些谐波的总和称为纹波，它叠加与直流分量之上。

常用纹波系数γ来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即L0L γU U =γ （2）式中，U L γ为谐波电压总有效值，其值应为2L0222L22L1γL 21U U U U U -=++= （3） 由式（1）、(2）和（3）通过计算可得，γ≈1.21。

由结果可见，半波整流电路的输出电压纹波较大。

ωtU 2oU Lωto半波整流电路的波形半波整流电路中的二极管安全工作条件为：a ）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即I F ＞I D0=U L0/R L =0.45U 2/R Lb ）二极管的最大反向工作电压U R 必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压U RM ，即U R ＞U RM =2U 22．全波桥式整流电路全波桥式整流电路如图(a)所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。

图(b)所示为该电路的简化画法。

+-U 1+U 2-R LD 4D 1D 3D 2+-U LU 1U 2T rR L U OT r+-图（a ） 全波桥式整流电路 图(b) 全波桥式整流电路简化画法该电路工作原理：参见图(a)，设变压器次级电压U 2=U 2m sin ωt=2U 2sin ωt ，其中U 2m 为其幅值，U 2为有效值。

在电压U 2的正半周期时，二极管D 1、D 3因受正向偏压而导通，D 2、D 4因承受反向电压而截止；在电压U 2的负半周期时，二极管因受D 2、D 4正向偏压而导通，D 1、D 3因承受反向电压而截止。

U 2和U L 的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为ωtU 2oU Lωto全波整流电路的波形U L0=2U 2m /π=π22U 2≈0.9U 2 （4）其纹波系数γ为L0L γU U =γ （5）式中，U L γ为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为2L0222L42L2γL U U U U U -=++= （6）由式（4）、（5）和（6）通过计算可得γ≈0.48。

由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

全波整流电路中的二极管安全工作条件为：a ）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有I F ＞I D0=0.5U L0/R L =0.45U 2/R Lb ）二极管的最大反向工作电压U R 必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压U RM ，即U R ＞U RM =2U 23．滤波电路尽管全波整流的纹波系数较之半波整流有很大改善，但还不能直接给负载供电，需采用滤波电路进一步减小纹波。

滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。

滤波电路种类很多，下面介绍几种常用的滤波电路。

（1）电容滤波电容滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50H Z ），图中电容C 一般取值较大，约1000μF 以上。

+ -+ -U1U2C RLT r+-UL 电容滤波电路该电路工作原理：设U2=U2m sinωt=2U2sinωt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向R L供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压U C基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。

现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压U C 基本接近U2m，因此U2＜U C，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过R L放电，由于放电时常数τd=R L C很大（R L较大时），因此放电速度很慢，U C下降很少。

与此同时，U2仍按2U2sinωt的规律上升，一旦当U2＞U C时，D1、D3导通，U2→D3→C→D1对C充电。

然后，U2又按2U2sinωt的规律下降，当U2＜U C时，二极管均截止，故C又经R L放电。

不难理解，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。

这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压U L=U C，使负载电压的纹波大为减小。

由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：a）R L C越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取R L C≥(3～5)T/2 （7）式中，T为交流电源电压的周期。

b）R L越小输出电压越小。

若C值一定，当R L→∞，即空载时有U L0=2U2≈1.4 U2当C=0，即无电容时有U L0≈0.9 U2当整流电路的内阻不太大（几Ω）和电阻R L电容C取值满足式（7.1.7）时，有U L0≈(1.1～1.2)U2（8）总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合（2）电感滤波电感滤波电路如下图所示，由于市电交流电频率较低（50H Z），图中电感L 一般取值较大，约几H以上。

+-U 1R LT rL+-U L+-U 2电感滤波电路电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。

当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。

关于电感滤波电路的几点结论：a ）L 越大、R L 越小，输出电压纹波越小。

b ）忽略电感内阻，U L0=0.9U 2（理论值）。

c ）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。

d ）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁辐射强，因此一般少用。

此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一电容而构成倒L 型滤波电路或采用π型滤波电路，分别如图（a ）和图(b)所示。

LCR LLC C 12R L图（a ） 倒L 图(b) π型滤波电路型滤波电路 4．稳压滤波后的输出电压即使纹波很小，也仍然存在稳定性的问题。

这是因为当负载R L 变化或电网电压波动时，输出电压的整体也要随之改变，因此，绝大多数直流电源都必须采用稳压电路进行稳压。

（1）简单稳压管稳压电路如下图所示。

电路中，R 为限流电阻，v 为稳压二极管。

u 1u 2R L U o～I RC＋U iI ZI LUZR稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。

当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。

显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。