4.4设计项目
4.4.1集成直流稳压电源的设计
一、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。
二、设计任务
1.集成稳压电源的主要技术指标
（1）同时输出±1.5V电压、输出电流为2A。
（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5⨯103；输出内阻小于0.1Ω。
（3）加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。
2．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及扩流二极管。
（3）保护电路拟采用限流型。
（4）完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。
（5）撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。
三、基本原理
1.直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，基本框图如图4.5所示。各部分电路的作用如下：
图4.5 直流稳压电源基本组成框图
（1）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u1。
变压器副边与原边的功率比为
P2P1=η
式中，η为变压器的效率。
（2）整流滤波电路
整流电路将交流电压u1变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输
出直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图4.6（a）、（b）及（c）所示。
（a）全波整流电容滤波电路 （b）桥式整流电容滤波电路 （c）二倍压整流滤波电路
图4.6 几种常见整流滤波电路
各滤波电容C满足：
T 2
式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。 RL1C=(3~5)
（3）三端集成稳压器
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。
① 固定三端集成稳压器
正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78XX 系列又分三个子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差别只在输出电流和外形，78XX输出电流为1.5A，78MXX输出电流为0.5A，78LXX输出电流为0.1A。
负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不
同外，其他特点都相同。
78XX系列、79XX系列的典型电路如图4.7（a）、（b）、（c）所示。
（a）正电压输出 （b）负电压输出
（c）正、负电压输出
图4.7 固定三端稳压器的典型应用
② 可调式三端集成稳压器
正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调,外接元件只需一个固定电阻和一只电位器.其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。
其典型电路如图4.8所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，
输出电压Uo的表达式为：
Rp⎫ Uo≈1.25⎛ 1+1⎪⎝⎭
式中，R1一般取值为（120~240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电
（1）可调正压输出 （2）可调负压输出
图4.8 可调式三端稳压器的曲型应用
压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。
负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。
③ 集成稳压器的电流扩展
若想连续取出1A以上的电流，可采用图4.9所示的加接三极管增大电流的方法。图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。VT2为过流保护三极管，
正常工作时该管为截止状态。三极管VT1的直流电流放大倍数β必须满足
β≥I1I0。另外，I1的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极
管接成达林顿方式。
（1）正压系列电流扩展电路 （2）负压系列电流扩展电路
图4.9 输出电流扩展电路
可以得出输出电流为：
IL=IO-I1
但这时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是VT2和R2。当电流Ii在R2上产生的电压降达到VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而达到限制电流的目的。保护电路的动作点是：
I1max≈Iimax=UBE2R2
三极管的UBE2具有负温度系数，设定R2数值时，必须考虑此温度系数。 以上通过采用外接功率管VT1的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。
若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流，具体电路形式请参考有关电源类资料。
2.稳压电源的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电阻调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图4.10所示。这些质量指标的含义，可简述如下：
图4.10 稳压电源性能指标测试电路
（1）纹波电压
纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值，∆Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因∆Uo不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。
（2）稳压系数及电压调整率
稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化，即
Su=∆Uoo ∆UII
电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，即
Ku=∆Uo Uo
稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
（3）输出电阻及电流调整率
输出电阻：放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出变化量与输出电流变化量之比的绝对值，即
ro=∆Uo
∆Io
电流调整率：输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化
值，即
Kt=∆Uo Uo
输出电阻ro和电流调整率Kt均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。
四、设计指导
直流稳压电源的一般设计思路为：由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形
式，通过计算极限参数（电压、电流和功耗）选择器件；由稳压电路所要求的直流电压（U1）、直流电流（I1）输入确定整流滤波电路形式，选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压U1的有效值、电流I1（有效值）及变压器功率。最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
图4.11为集成稳压电源的典型电路。其主要器件有变压器Tt、整流二极管VD1~VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL。
图4.11 集成稳压电源的典型电路
下面介绍这些器件选择的一般原则。
1．集成稳压器
稳压电路输入电压Ut的确定：
为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求
Ui≥Uomax+(Ui-Uo)mm
式中(Ui-Uo)mm是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源
指标的要求，当输入交流电压220V变化±10%时，电源应稳压。所以稳压电路的最低输入电压Uimm≈⎡⎣Uomax+(Ui-Uo)mm⎤⎦。
另一方面，为保证稳压器安全工作，要求
Ut≤Uomm+(Ui-Uo)max
式中(Ui-Uo)max是稳压器允许的最大输入输出电压差，典型值为35V。
2． 电源变压器
确定整流滤波电路形式后，由稳压器要求的最低输入直流电压UImm计算出变
压器的副边电压UI、副边电流II。
五、设计示例
设计一集成直流稳压电源。
性能指标要求：Vo=+5~+12V连续可调，输出电流Iomax=1A。
纹波电压：≤5mV
电压调整率：Ku≤3%
电流调整率：KI≤1%
选可调式三端稳压器W317，其典型指标满足设计要求。电路形式如图4.12所示。
图4.12 设计实例
1．器件选择
电路参数计算如下。
（1）确定稳压电路的最低输入直流电压UImm。
UImm≈⎡⎣Uomax+(UI-UO)mm⎤⎦0.9
代入各指标，计算得：
UImm≥[12+3=16.67V
我们取值17V。
（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率
UI≥UImax，II≥IImax
所以我们取II为1.1A。
UI≥=15.5V 变压器副边功率P2≥17W
变压器的效率η=0.7，则原边功率PI≥24.3W。由上分析，可选购副边电压为16V，输出1.1A，功率30W的变压器。
（3）选整流二极管及滤波电容
因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管IN5401，其极限参数为URM=50V， ID=5A。
滤波电容：C1≈(3~5)T⨯IImax2Umm=(1941~3235)μF
故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。
2.稳压器功耗估算
当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即
UImax=1.1⨯1.1⨯16=19.36V
所以稳压器承受的最大压差为：19.36-5≈15V
最大功耗为：UImax⨯IImax=15⨯1.1=16.5W
故应选用散热功率≥16.5W的散热器。
3.其他措施
如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2，接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP
两端的纹波电压。当C3的容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB，减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。
W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。但当输出端有500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接一只不过1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上该电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管VD2。
六、电路安装与指标测试
1.安装整流滤波电路
首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端路路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器做等效负载，用示波器观察输出是否正常。
2.安装稳压电路部分
集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压UI（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。
注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。
3.总装及指标测试
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：
①UI为最高值（电网电压为242V），Uo为最小值（此例为+5V）。测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应
使输出电流为最大负载电流）。
②UI为最低值（电网电压为198V），Uo为最大值（此例为+12V），测稳压
器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。
如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进行质量指标测试。
4.4设计项目
4.4.1集成直流稳压电源的设计
一、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。
二、设计任务
1.集成稳压电源的主要技术指标
（1）同时输出±1.5V电压、输出电流为2A。
（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5⨯103；输出内阻小于0.1Ω。
（3）加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。
2．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及扩流二极管。
（3）保护电路拟采用限流型。
（4）完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。
（5）撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。
三、基本原理
1.直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，基本框图如图4.5所示。各部分电路的作用如下：
图4.5 直流稳压电源基本组成框图
（1）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u1。
变压器副边与原边的功率比为
P2P1=η
式中，η为变压器的效率。
（2）整流滤波电路
整流电路将交流电压u1变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输
出直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图4.6（a）、（b）及（c）所示。
（a）全波整流电容滤波电路 （b）桥式整流电容滤波电路 （c）二倍压整流滤波电路
图4.6 几种常见整流滤波电路
各滤波电容C满足：
T 2
式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。 RL1C=(3~5)
（3）三端集成稳压器
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。
① 固定三端集成稳压器
正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78XX 系列又分三个子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差别只在输出电流和外形，78XX输出电流为1.5A，78MXX输出电流为0.5A，78LXX输出电流为0.1A。
负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不
同外，其他特点都相同。
78XX系列、79XX系列的典型电路如图4.7（a）、（b）、（c）所示。
（a）正电压输出 （b）负电压输出
（c）正、负电压输出
图4.7 固定三端稳压器的典型应用
② 可调式三端集成稳压器
正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调,外接元件只需一个固定电阻和一只电位器.其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。
其典型电路如图4.8所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，
输出电压Uo的表达式为：
Rp⎫ Uo≈1.25⎛ 1+1⎪⎝⎭
式中，R1一般取值为（120~240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电
（1）可调正压输出 （2）可调负压输出
图4.8 可调式三端稳压器的曲型应用
压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。
负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。
③ 集成稳压器的电流扩展
若想连续取出1A以上的电流，可采用图4.9所示的加接三极管增大电流的方法。图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。VT2为过流保护三极管，
正常工作时该管为截止状态。三极管VT1的直流电流放大倍数β必须满足
β≥I1I0。另外，I1的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极
管接成达林顿方式。
（1）正压系列电流扩展电路 （2）负压系列电流扩展电路
图4.9 输出电流扩展电路
可以得出输出电流为：
IL=IO-I1
但这时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是VT2和R2。当电流Ii在R2上产生的电压降达到VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而达到限制电流的目的。保护电路的动作点是：
I1max≈Iimax=UBE2R2
三极管的UBE2具有负温度系数，设定R2数值时，必须考虑此温度系数。 以上通过采用外接功率管VT1的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。
若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流，具体电路形式请参考有关电源类资料。
2.稳压电源的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电阻调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图4.10所示。这些质量指标的含义，可简述如下：
图4.10 稳压电源性能指标测试电路
（1）纹波电压
纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值，∆Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因∆Uo不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。
（2）稳压系数及电压调整率
稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化，即
Su=∆Uoo ∆UII
电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，即
Ku=∆Uo Uo
稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
（3）输出电阻及电流调整率
输出电阻：放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出变化量与输出电流变化量之比的绝对值，即
ro=∆Uo
∆Io
电流调整率：输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化
值，即
Kt=∆Uo Uo
输出电阻ro和电流调整率Kt均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。
四、设计指导
直流稳压电源的一般设计思路为：由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形
式，通过计算极限参数（电压、电流和功耗）选择器件；由稳压电路所要求的直流电压（U1）、直流电流（I1）输入确定整流滤波电路形式，选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压U1的有效值、电流I1（有效值）及变压器功率。最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
图4.11为集成稳压电源的典型电路。其主要器件有变压器Tt、整流二极管VD1~VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL。
图4.11 集成稳压电源的典型电路
下面介绍这些器件选择的一般原则。
1．集成稳压器
稳压电路输入电压Ut的确定：
为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求
Ui≥Uomax+(Ui-Uo)mm
式中(Ui-Uo)mm是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源
指标的要求，当输入交流电压220V变化±10%时，电源应稳压。所以稳压电路的最低输入电压Uimm≈⎡⎣Uomax+(Ui-Uo)mm⎤⎦。
另一方面，为保证稳压器安全工作，要求
Ut≤Uomm+(Ui-Uo)max
式中(Ui-Uo)max是稳压器允许的最大输入输出电压差，典型值为35V。
2． 电源变压器
确定整流滤波电路形式后，由稳压器要求的最低输入直流电压UImm计算出变
压器的副边电压UI、副边电流II。
五、设计示例
设计一集成直流稳压电源。
性能指标要求：Vo=+5~+12V连续可调，输出电流Iomax=1A。
纹波电压：≤5mV
电压调整率：Ku≤3%
电流调整率：KI≤1%
选可调式三端稳压器W317，其典型指标满足设计要求。电路形式如图4.12所示。
图4.12 设计实例
1．器件选择
电路参数计算如下。
（1）确定稳压电路的最低输入直流电压UImm。
UImm≈⎡⎣Uomax+(UI-UO)mm⎤⎦0.9
代入各指标，计算得：
UImm≥[12+3=16.67V
我们取值17V。
（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率
UI≥UImax，II≥IImax
所以我们取II为1.1A。
UI≥=15.5V 变压器副边功率P2≥17W
变压器的效率η=0.7，则原边功率PI≥24.3W。由上分析，可选购副边电压为16V，输出1.1A，功率30W的变压器。
（3）选整流二极管及滤波电容
因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管IN5401，其极限参数为URM=50V， ID=5A。
滤波电容：C1≈(3~5)T⨯IImax2Umm=(1941~3235)μF
故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。
2.稳压器功耗估算
当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即
UImax=1.1⨯1.1⨯16=19.36V
所以稳压器承受的最大压差为：19.36-5≈15V
最大功耗为：UImax⨯IImax=15⨯1.1=16.5W
故应选用散热功率≥16.5W的散热器。
3.其他措施
如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2，接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP
两端的纹波电压。当C3的容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB，减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。
W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。但当输出端有500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接一只不过1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上该电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管VD2。
六、电路安装与指标测试
1.安装整流滤波电路
首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端路路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器做等效负载，用示波器观察输出是否正常。
2.安装稳压电路部分
集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压UI（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。
注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。
3.总装及指标测试
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：
①UI为最高值（电网电压为242V），Uo为最小值（此例为+5V）。测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应
使输出电流为最大负载电流）。
②UI为最低值（电网电压为198V），Uo为最大值（此例为+12V），测稳压
器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。
如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进行质量指标测试。