线性稳压电源的设计与实现

学校代码： 11068

学 号：**********

论文题目：学位类别：学科专业：作者姓名：导师姓名：完成时间：

线性稳压电源的设计与实现 工学学士 电子信息工程 李 小 英 倪 敏 浩 2011年5月20日

线性稳压电源的设计与实现

中文摘要

电子设备给人们日常生活带来极大便利，所有的电子设备只有在电源电路的支持下才能正常工作。电子设备对电源电路的要求是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压

[1]

电源。

论文详细讨论了稳压电源的设计原理以及整个电源涉及的变压、整流、滤波、稳压和电源在电流过高时候的保护电路。以实现此电源的设计要求，在这个要求下选择各元部件的参数，经过反复的验证来确定最终的参数。

电源可以输入220V的交流电压，经过变压后降低电压，将交流电压经过整流后变为直流电压，经过整流后的电压还存在脉动部分，所以就要经过滤波尽量滤除电压中的脉动部分。这样经过滤波后的电压就接近于直流电压。滤波后的直流电压经过稳压电路后就会维持在稳定的范围，进一步达到稳压电源的要求。稳压电路是通过一个调整管来工作的，当调整管的基极电流发生变化时，相应的会改变集电极和发射极之间的电压，从而达到稳压的目的。这时候还要考虑电流过大的情况设计中要加入过流保护电路。

综合测试后，此电源可以达到输入220V交流电压，输出电压30V、电流0.5A的直流电压。

关键词：稳压电源；整流；滤波；稳压

The design and implementation of Linear manostat

Abstract

Electronic equipments bring so much conveniences to people in daily life.All the electronic equipments can not wok properly without the support of the power circuit. Electronic equipments require power circuit to provide sustained and stable power,to meet the load requirements.And usually it requires steady direct current,which DC Regulated power supply can just provide.

This article discussed in detail the design principle of the voltage stabilizer and the entire power involving variable pressure, rectifier, filtering, high voltage power supply when the current and the protection circuit. In order to realize the design requirements of the power in this request, select parameters of each script, after repeated validation to determine the final parameters.

It can reduce voltage after variable pressure,the ac voltage after rectifying canbe into a dc voltage ，after rectifier the voltage still exist pulsing parts ，so it is necessary to filter the pulsing parts in the voltage as far as possible。 So after filtered the voltage will close to dc voltage the dc voltage after filtering through voltage circuit can maintain in a stable range ,further achieve the requirements of manostat。The function of voltage circuit be to realize through a tube when the base current of the tube has changed ,the corresponding will change the voltage between the collector and emitter,thus to reach the purpose of voltage.At the same time we will consider that we should add over-current protection circuit when the current was higher.

After comprehensive test ,the power can be reached input 220V ac voltage, output voltage 30V, current 0.5 A dc voltage。

Key Word: manostat; rectifier; filtering; voltage-stabilizing

目录

第一章 前言 ........................................................................................................................................................ 1

1.1课题的研究背景及意义 ....................................................................................................................... 1 1.2稳压电源的发展 ................................................................................................................................... 2 1.3课题研究方法 ....................................................................................................................................... 2 1.4 课题设计要求 ...................................................................................................................................... 2 第二章 稳压电源的设计 .................................................................................................................................... 3

2.1 稳压源的基本原理 .............................................................................................................................. 3 2.2 稳压电压的具体实现 .......................................................................................................................... 4

2.2.1整流电路 ................................................................................................................................... 4 2.2.2滤波电路 ................................................................................................................................... 7 2.2.3稳压电路 ................................................................................................................................. 10 2.2.4保护电路 ................................................................................................................................. 15 2.3元器件的选择 ..................................................................................................................................... 18

2.3.1 采样电阻的选择 .................................................................................................................... 18 2.3.2 调整管三极管 ........................................................................................................................ 18 2.3.3 运算放大器的选择 ................................................................................................................ 18

第三章 稳压电源的具体实现 .......................................................................................................................... 20

3.1 原理图的实现 .................................................................................................................................... 20

3.1.1 设计工具 ................................................................................................................................ 20 3.1.2 原理图设计步骤 .................................................................................................................... 20 3.2 仿真实现 ............................................................................................................................................ 21

3.2.1 设计工具 ................................................................................................................................ 21 3.2.2 仿真步骤 ................................................................................................................................ 21 3.3 仿真结果 ............................................................................................................................................ 22 3.4 仿真调试 ............................................................................................................................................ 22

3.4.1纹波比 ..................................................................................................................................... 22

第四章 总结 ...................................................................................................................................................... 23 参考文献 ............................................................................................................................................................ 24 致谢 .................................................................................................................................................................... 25 附件一 ................................................................................................................................................................ 26

线性稳压电源原理图 ................................................................................................................................ 26 附件二 ................................................................................................................................................................ 27

经过调试后修改的稳压电源原理图 ........................................................................................................ 27 附件三 ................................................................................................................................................................ 28

仿真的结果 ................................................................................................................................................ 28

第一章 前言

1.1课题的研究背景及意义

稳压电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。人所皆知，所有用电设备，包括电子仪器仪表、家用电器等，对供电电压都有一定的要求。例如：有些电视机要求220V的电网电压变化不能超过±20%，即从198V到242V之间，如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。为解决用电设备要求供电稳定，而市电电网电压又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳压电源[1]。

事实上，稳压电源的输出，是相对稳定而并非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以允许的范围之内。产生这些变化的原因主要有以下几个方面：

(1)由于电网输入电压不稳定所导致。电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初； (2)由于供电对象引起的，即由负载变化引起。如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压将会升高。即使不是这两种极端情况，负载电阻的变化也会引起稳压电源输出电压的变化；

(3)由于稳压电源本身造成的。构成稳压电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动；

(4)由于元器件受温度、湿度等环境影响而性能改变也会影响稳压电源输出不稳定。

一般来说，稳压电源电路的设计首先考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳压电源中放大器的放大量等。在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳压电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定度电源中，温度系数和温漂这两个关键的技术指标的好坏都由这个因素决定[2]。

本次毕业设计针对线性稳压电源，其在日常生活中的应用相当普遍，选择做此项目，可以熟练的掌握此项技术，更利于所学知识的巩固及能力的提高，理论更贴近实际，对自已的长远发展有着深远的影响。学习制作直流稳压电源可以：

(1)学习基本理论在实践中应用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力；

(2)学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法； (3)培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1

1.2稳压电源的发展

说到稳压问题，可以追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压电源及相应的技术文献。电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。在20世纪40年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在应用。20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源构成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。这种电源虽然性能优良，但它最大的缺点是由于功率调整管与负载串联，并且晶体管工作在线性区域，稳压电源的输出电压调节与稳定借助于功率晶体管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很厉害，散热便成了很大的问题。随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元器件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益暴露。20世纪60年代后期，科技工作者对稳压电源技术进行了一次新的总结，使开关电源和可控硅电源得到了快速发展。与此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也在不断发展。从1967年美国Bob Widlar发明了第一块集成稳压电源uA723至今，集成稳压电源品种之多、系列之全使人们刮目相看。目前，线性集成稳压电源已经发展到几百个品种，类型也多种多样。按结构形式可以分为串联型和并联型集成稳压电源；按输出电压类型可以分为固定式和可调式集成稳压电源；按管脚的引线数目可以分为三端式和多端式集成稳压电源；按制造工艺可以分为半导体式、薄膜混合式和厚膜混合式集成稳压电源；按输入和输出之间的压差又可以分为一般压差和低压差两大类，等等[3]。

1.3课题研究方法

直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。本课题根据技术指标要求进行电源设计，目的在于尽可能节约成本的前提下，使其性能更加稳定。在设计之前，应先了解稳压电源的基本构成及其工作原理，在此基础上，依据技术指标要求和设计规范进行优化设计。

1.4 课题设计要求

设计一台稳压电源，技术参数为：输入为220V交流电压，输出电压为30V，输出电流为0.5A。纹波≦1%，稳定度≦1%，同时电源具有过压保护功能。

2

第二章 稳压电源的设计

2.1 稳压源的基本原理

基本的稳压源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级输入的是交流电压，经过各个部分的的作用来使得电源输出所需的稳定电压。其原理图如图1所示：

图1稳压电源原理图

整个稳压源的工作原理为：由输入的交流电压进过变压后得到一个变压后的合适的电压，经过整流后将交流电变为直流电，整流后的直流电存在的脉动分量要通过滤波电路滤除，经过滤波后的电压，就是需要通过调整管来调整的电压，调整管使用的是2N3250，由于电路中负载较大，所经过的电流较小，无法使得2N3250正常工作，这时候就需要一个驱动三极管来使得2N3250工作,这时要在比较器的输出端与调整管的基极连接一个BC337作为驱动电路的一部分。稳压的主要过程是，OP07的反相端采样电压，而其正相端连接的是基准电压。当基准电压大于采样电压，正相输入端高于反相输入端，比较器OP07输出高电平，2N3250由于工作在线性放大区，它的基极电流IB受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流Ic和集、射电压Uce改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。当输入电压或输出电流I变化引起输出电压U增加时，取样电压相应增大，使BC337管的基极电流和集电极电流随之增加，BC337管的集电极电位下降，因此2N3250管的基极电流下降，使得集电极电流下降，Uce增加，Uo下降，使Uo保持基本稳定[4]。

由于在电路中需要加入过流保护电路，当输入的电流大于额定的电流时，作为比较器的LM324的输出端就会输出高电平，使得可控硅单向导通，接地，这时候与其相连的调整管也接地，断开电路，从而达到保护的目的。

3

2.2 稳压电压的具体实现

2.2.1整流电路

把交流变成脉动直流的过程叫整流。常用的整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式等几种。

（1）单相半波整流电路 单相半波整流电路如图2所示：

图2单相半波整流电路

当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io= id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2 ，输出电压uo的波形与u2相同。当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止，使电阻RL两端的输出电压uo成为单向脉动直流电压，因此叫做半波整流[5]。

单相半波整流电压的平均值为：

12UoU20.45U2 (2-1) 2U2sintd(t)20流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：

IDIo0.45U2RL (2-2)

二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

URMU2M2U2 (2-3)

考虑到电网电压波动范围为±20％，二极管的极限参数应满足： ① IF>1.2②

4

单相半波整流电路虽然结构简单，但输出电压脉动系数大，直流成分低，变压器只有半个周期工作，利用率低。

（2）单相全波整流电路 单相全波整流电路如图3所示。

变压器副边具有中心抽头，感应出两个幅值相等而相位相差180o的电压u2 。当u2处于正半周时，D1导通，D2截止；当u2处于负半周时，D2导通，D1截止。

单相全波整流电压的平均值为：

流过负载电阻的输出电流平均值为：

Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即： 二极管承受的最高反向电压：

图3单相全波整流电路

（3）单相桥式整流电路 单相全波整流电路如图4所示：

5

(2-4)

(2-5)

(2-6)

(2-7)

图4 单相桥式整流电路

u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b；u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。

单相桥式整流电压的平均值为：

Uo[6]

12U20.9U22U2sintd(t)20

(2-8)

流过负载电阻RL的电流平均值为：

IoUoU0.92RLRL (2-9)

流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：

IDU1Io0.4522RL (2-10)

每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

URMU2M2U2 (2-11)

(4) 具体实现

对于要求输出30V，0.5A的电源，有分析可知单相桥式整流电路的利用率较高，故输出电路采用桥式整流，下面来说明怎样选择：

30V输出电路采用单相桥式整流电路,由公式知，变压器二次侧电压的有效值为

U2=Uo/0.9=30/0.9=33.3V (2-12)

考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，其值大约要高出20%，即

6

33.3 1.2=33.96V (2-13)

变压器二次侧电流的有效值为

I2=Io/0.9=0.5/0.9=0.56A (2-14)

变压器的变比为

n=220/33.96=6.48 (2-15)

变压器的容量为

S=U2I2=33.960.56=19V·A (2-16)

流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：

ID=0.5IO=0.50.5=0.25A (2-17) 每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

URM=U2M=

U2=

33.3=47V (2-18)

所以可以选择二极管40CPQ060，其最大平均正向电流IF=40A>0.5A，其URM=60V>47V。 2.2.2滤波电路 （1）电容滤波电路

电容滤波电路及波形如图中(5a)、(5b)所示：

图（5a）电容滤波电路及波形

假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管D开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。然后u2继续按正弦规律下降，且u2uC，使二极管D截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放电。uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如下图(5b)所示。电容C放电的快慢取决于时间常数（RLC）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，

7

平均值也越高[7]。

电容滤波电路的输出特性曲线如图(5b)所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。

0 Uo 1.4Uo 0.9Uo Io 图(5b) 电容滤波电路的输出特性曲线

—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值：

半波：UoU2 全波：Uo1.2U2

为了获得较平滑的输出电压，一般要求RL(10~15)RLC(3~5)1，即： CT(2-19)

2

式中T为交流电压的周期。滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（iCio），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。

（2）电感滤波电路 电感滤波电路如图6所示。

由于通过电感的电流不能突变，用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。在这种电路中，输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经XL和RL分压的结果，只有ωL>>RL时，滤波效果才好[8]。

8

+ u1 － + u2 － L RL + uo － 图6电感滤波电路

输出电压平均值Uo一般小于全波整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo≈0.9U2。虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了使L值大，多用铁芯电感，但体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。

电感滤波适用于负载电流较大的场合，其缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。 （3）复合滤波电路

几种常见的复合滤波电路如图7所示：

图7复合滤波电路

LC、CLC、π型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRC、π型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。 (2)具体实现

本次设计采用的是电容滤波电路，电感滤波一般用于负载电流大，对滤波要求不高的场合，且电感越大，滤波效果越好；RC滤波由于电阻会降低一部分直流电压，使输出减小，因此只适用于小电流电路；电容滤波的滤波效果好，适于各种整流电路，结合本设计的设计要求，故采用电容滤波的方式。下面确定滤波电容的容量和耐压值。如图8所示 ① 电容C的容量

9

图8电容滤波电路

在全波整流电路中，滤波电容C的容量应满足

RLC≥（3~5）T/2 (2-20) 式中RL为负载电阻，根据设计要求，周期T为交流电压的周期，为0.02S，取在3~5之内的3，则求出电容C=1000µF。 ②电容C的耐压值U

电容器耐压值必须超过脉动电压峰值，因此要选在变压器次级电压 U2的

倍

以上。另外，还要考虑输入电压的变化范围，必须按最高输入电压计算。这里还应该明确一点，通常所说的变压器次级电压U2是指额定值时的电压。如果电流减小或空载时，U2将会升高。这是因为绕线电阻的电压降减小的缘故，这个因素也应该考虑进去。选取的电容考虑到整流后的电压和输出电压耐压值要达到50V。这里考虑到耐压值是50V还有另外一个原因，经过变压后的电压想要到达能够输出稳定电压的目的，理论上是34V左右，但考虑到经万用表测量时的考虑是在滤波前的电压，是34*

，大约为50V。

2.2.3稳压电路

在电子电路中稳压电路不仅实用，也是很简单但又是最基本的，下面就常用的几种基本稳压电路做一简单介绍。 (1) 稳压管稳压电路

稳压管稳压电路如图9所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

10

图9稳压管稳压电路

当输入电压变化时的稳压过程，根据电路图可知： ①Vo=Vz=VI-VR=VI-IRR ②IR=IL+IZ

输入电压VI的增加，必然引起Vo的增加，即Vz增加，从而使IZ增加，IR增

加，使VR增加，从而使输出电压Vo减小。这一稳压过程可概括如下：

这里Vo减小应理解为，由于输入电压Vz的增加，在稳压二极管的调节下，使Vo的增加没有那么大而已，Vo还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

当负载电流变化时的稳压过程：负载电流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ＝VO减小，IZ减小，IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：

这种稳压电路的输出电压是不能调节的，负载电流变化范围较小，输出电阻较大，约几个欧姆到几10欧姆，因此稳压性能较差。但其电路结构简单，负载短路时，稳压管不会损坏。因此仅适用于Uo固定和要求不高的场合[9]。 （2）串联反馈型稳压电路

串联反馈型稳压电路如图10所示。其电路主要由取样环节、基准电压、比较放大环节和调整环节四大部分组成，各部分的作用如下：

①取样环节。由R1、RP、R2组成的分压电路构成，它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。

②基准电压。由稳压二极管DZ和电阻R3构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整、比较的标准。

③比较放大环节。由V2和R4构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压UF与基准电压UZ之差放大后去控制调整管V1。

11

④调整环节。由工作在线性放大区的功率管Vl组成，Vl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。

V1+Ui－R4－UBE1+V2 R3R1RPRb+UBE2 +－+UZ UFR2－ － RaIoRL+Uo－图10串联型稳压电路

串联反馈型稳压电路的工作原理如下：当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时，取样电压UF相应增大，使V2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，V2管的集电极电位UC2下降，因此Vl管的基极电流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo下降，使Uo保持基本稳定。

Uo↑→UF↑→IB2↑→IC2↑→UC2↓→IB1↓→UCE1↑Uo↓ 同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。

从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。 （3）集成稳压电路

集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。

集成稳压电源的种类很多，按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压电源。3端式是指稳压电源仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。如W78××和W79××系列稳压器。W78××系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，若要获得负输出电压选W79××系列即可。例如W7805输出+5 V电压，W7905则输出-5 V电压。这类3端稳压电源在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5~2.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2~3V，输出电压变化率为0.1％~0.2％[10]。 （4）具体实现

由前面的叙述已经知道，本设计采用串联反馈型稳压电路实现电路的稳压，其主要由4部分组成，下面就这4部分的分别选取做介绍。

12

① 选取调整管

在稳压电路的设计中，调整管的选择是一项重要工作。如果调整管的耐压和功率选的较小,使用时易损坏；如果过大，非但不经济而且也增大了重量和体积。为了保证调整管在各种不利条件下可靠地工作，并保证管子的安全，在选择调整管时应该满足耐压和最大功耗的要求。

当要求稳压电路输出电流超过几安以上时，调整管需用多管并联。并联管子应选择特性基本相同的，以便使输出电流平均分配。除此之外，还应加均流电阻，一般串联约零点几欧到几欧的均流电阻。这时，每支并联管子的漏极电流应是并联管子个数的平均值，为留有余地，也可以大一些。选择晶体管时主要考虑以下3个参数，即击穿电压、最大漏极允许功耗和最大漏极电流。

30V输出电路要求输出为0.5A的电流，由于电流较小所以只选取一个三极管BJT，BJT是电流控制型原件，本次调整管选择的是2N3050大功率管，它是PNP型金属外壳功率管，耐压达到100V，电流15A，功率117W。完全可以承受本次设计的指标要求。 ② 计算取样电阻

具体的稳压电路如图11所示：

13

图11稳压电路

取样电阻实际上是一个电阻分压器，输出电压的大小，直接由分压比和基准电压来决定。改变分压比就可以改变输出电压。

本次设计要求输出一个30V的直流电压，在确定采样的电阻之前要与基准电压相联系，由上述电路图可知，OP07正相连接了滑动变阻器和一个固定电阻，接入了+15V的电源，此电源就是用来计算分压电阻。 ③ 确定基准电压

基准电压由有以下公式可求出：设基准电压为UREF，输出电压Uo=UREF(1+R1/R3),由此可求出因为输出已知是30V，可求出UREF=3V，基准电压确定后就可以利用分压来确定取样电阻，可得出滑动变阻器上所选用的电阻为Rp=1.7K。 ④ 比较放大环节

此环节由一个OP07构成，芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需

14

要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。在这个电路中OP07起到了比较的作用，在基准电压与采样电压进行比较的时候，来判定是否反馈到调整管的基极，流过基极的电流Ib来控制Uce的电压，进行调整，达到稳压的目的。 2.2.4保护电路 （1）过流保护

串联反馈型稳压电路一个最大的缺点，是在使用中当负载变小或者短路时，会有很大的电流流过调整管，非常容易烧坏调整管，因此必须加保护电路。

电流保护电路的具体形式很多，按工作原理主要分为限流型和截止型。限流保护电路是指负载电流超过规定值时，电源输出电压下降，以保证负载电流不再继续增加。截止型保护电路是指在负载电流超过规定值时，稳压电路自动被切断，输出电压为零或很小[11]。

限流型保护电路是指负载电流超过规定值时，电源输出电压下降，以保证负载电流不再继续增加，其原理电路如图12所示：

图12限流型保护电路

当Io 较小时在RS上产生的压降不能使TS导通,TS不起作用 。当Io>IOM (负载短路)时在RS上产生的压降足以使TS导通,TS对IA分流，从而使IB、Io减小，保护了调整管T。

限流型保护电路有很多形式，有二极管和晶体三极管等多种。

截止型保护电路是在负载电流超过规定值时，稳压电路自动被切断，输出电压为零或很小，其原理电路如图13所示：

15

图13截止型保护电路

Ubes=Io*Rs-Ur1≈Io*Rs-R1*Uo/(R1+R2) （2-21）

选取适当的R1，R2，当Io截止型保护电路形式很多，可用晶体管、单结晶体管、可控硅、双稳态电路等。截止型稳态电路又可分为两种情况，一种是不能自动恢复的，一旦过载，电路自行切断，负载电流恢复正常时，要用复位按钮重新启动电源；另一种是自动恢复电路，负载电流恢复正常时，电路自动恢复[12]。 (2)具体实现

30V输出电路要求输出电流为0.5A，考虑到要留有一定的裕度所以，设定的电流最大是IM为1A。过流保护分为限流型和截止型，本电路采用截止型过流保护电路。

截止型过流保护电路可以克服限流型保护电路的缺陷，可以彻底消除因过流产生的负载电流很大的现象，其工作原理是：当电流过流或短路时，具有记忆能力的保护电路被触发而进入保护状态，并把电源的输出端彻底断开，从而达到过流保护的目的。

截止型过流保护电路方框图 , 如图14所示。保护电路主要由晶闸管或电压比较器组成一个具有记忆能力的触发器 , 检流电阻 R对负载电流 IL 进行取样 , 当负载电流 IL 超过一定值时 , 保护电路迅速地进入保护状态 ,然后驱动继电器切断负载 RL ,使 IL =0。这样就彻底消除了过流保护后的负载大电流现象 , 从而达到过流保护的目的。

图14截止型过流保护电路图

16

本设计采取的过流保护电路如图15所示：

图15过流保护电路

由一个OP07构成了差分放大电路，截取了电路中的R3两端的电压，取最大电流为1A，则有差分电路的方程可得，OP07的输出端Uo=R5/R8(V+-V-),由所设定的最大电流可知: V+-V-=R3*IM=0.022*1=0.022V。

通过放大器后输出Uo= R5/R8(V+-V-)=80*0.022=1.76V。OP07的输出端连接到LM324的正相输入端，此电路中LM324作为电压比较器进行工作，当同相输入电压高于反相输入端时，运放输出高电平，当同相输入电压低于反相输入电压时，运放输出低电平。输出端连接了一个可控硅，可用来触发调整管的工作状态，在这个保护电路中，LM324中的反相输入端连接一个可调的滑动变阻器，以调整不同的分压与同相的电压相比较，本设计中设定的最大流入同相输入端的电压为1.76V，所以滑动变阻器上的分压也设定为1.76V,这时可得，Rp1=7.04K。

这时的变化过程是，当电路中通过的电流没有超过1A时，经过OP07放大的电压就没有1.76V，这时候LM324同相输入端的电压小于反相输入端的电压，输出为低电平，通过可控硅，使其处于导通状态，电流可以通过。反之当电路中通过的电流超过1A时，经过OP07放大的电压超过了1.76V，这时候LM324同相输入端的电压就电压大于反相输入端的电压，输出为高电平，通过可控硅使其接地，电路上通过的电流为0，与其相连的调整管基极电流为0，调整管处于截止状态，自动切断电路。这时候电路中电流会低于1A，自动调整。达到过流保护的目的。

17

2.3元器件的选择

2.3.1 采样电阻的选择

由于输出电流通过实验仪器不方便测量，一般采用电阻两端加电压的方法，通过间接计算得到。因此在产生电流或者测量电流值时，采样电阻的选择非常重要。

方案一：采用普通电阻：在电流比较小的情况下，普通的 1/4W 或者 1/8W 的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是电流源的输出电流，最大需要达到 5 A。因此即使是比较小的电阻，如 1Ω电阻，当通过 5A 电流时也会由于功率过大而烧毁。

方案二：采用大功率电阻：为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，当大电流流过时不会烧断，但是会引起电阻发热，导致电阻温度急剧上升，产生比较大的温度漂移。在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生变化，将造成测量误差变大。

方案三：采用康铜丝电阻。康铜丝电阻是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小，对电流的稳定起了很重要的作用。另一方面，1Ω的康铜丝约长 1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。

由于输出电流与采样电阻上的电流理想上是一致的，所以对采样电阻的要求很高，一方面要求功率大于5w，另一方面要求很精确，我们选择方案二。 2.3.2 调整管三极管

本设计选取的是2N3250，在室温情况下，最大集电极功耗是360mV,最大集电极、基极电压为50V，最大集电极发射级电压为40V，最大射级基极电压为5V。

由于输出的电压较大，所以选用此管来进行设计任务。

作为驱动的三极管选取的是BC337，BC337中最大的发射极电流Ic=800mA，最大集电极、基极电压为50V，最大集电极发射级电压为45V，最大射级基极电压为5V。作为驱动管，它的功能可以实现。 2.3.3 运算放大器的选择

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对

18

于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

图16 OP07 管脚图

OP07芯片引脚功能说明如图16：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+

19

第三章 稳压电源的具体实现

3.1 原理图的实现

3.1.1 设计工具

本设计运用的工具主要是画图工具，然而在繁多的工具中我们选用功能较强的原理图绘制工具——Protel99SE。

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。Protel99SE是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。

Protel99SE已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。 3.1.2 原理图设计步骤

利用Protel99SE绘制原理图的一般步骤如下： (1)创建一个新的设计文档管理库； (2)加载原件库；

(3)新建一个原理图文件； (4)放置元件； (5)绘制导线； (6)放置电源部件； (7)放置电气连接点； (8)放置文字标注；

20

(9)修改原件参数； (10)保存原理图。 原理图见附件1和2

3.2 仿真实现

3.2.1 设计工具

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。它的特点是，图形界面比较直观，有丰富的元器件可供选择，仿真能力比较强大，还有很多的测试仪器用来测试。这些都是仿真中可以用到的比较经常使用的功能，但是它还有许多其他功能，由于没有用到就不一一赘述。 3.2.2 仿真步骤

利用NI Multisim进行仿真的一般步骤如下： (1)创建一个新的文件；

(2)在新创建的文件中将电路图的放置元件； (3)按照绘制的原理图连接元件；

(4)将需用到的仿真用示波器或万用表接到负载端； (5)连接好后，点击开始；

(6)双击示波器或万用表查看仿真结果； (7)若仿真结果与理论不符进行调试修改；

注：修改过程中要终止调试，否则可能会看不到改变的结果。 仿真见附件录3

21

3.3 仿真结果

负载为60Ω时，理论值的计算是30V电压和0.5A的电流，但是由于接入的滑动变阻器的可调范围达不到理论计算的8.5%，只能调到9%，所以输出的结果有小小的偏差。但是结果符合Uo=Io*RL。结果如图17、18所示：

图17负载端电压

图18输出电流

3.4 仿真调试

在调试的过程中，一开始所用到的原理图并没有达到所需要的输出结果，经过对于电路的修改终于完成了仿真的部分，电路也进行了改善，加入了驱动用的三极管。 3.4.1纹波比

将示波器加在负载两端，通过示波器读出的交流电压既负载两端的纹波。

测试结果，当输出电压为30V时，纹波电流为300mV；当输出电流为31V时，纹波电流为305mV。纹波基本能实现≤1%的要求。

22

第四章 总结

线性直流稳压电源在日常生活中的应用是非常广泛的，其性能的稳定性是保证设备正常运行的重要前提，所以如何设计高性能、高指标的稳压电源具有重要意义。 本次毕业设计是采用分立元器件搭建起来的电路，事实上如果用集成器件去搭的话，电路会显得更加简单一些，但是考虑到自己大学四年里实际动手的机会比较少，实际操作能力比较差，所以最终决定用分立元器件去搭电路，这样可以对稳压电源各个部分的设计原理会更加清楚，而且对所学知识的巩固和提高有很大帮助。

本次毕业设计通过稳压电源电路的设计，使我对硬件电路的制作过程有了充分地了解，感觉最难的是电路的参数设计这一块，这部分涉及的内容较多，要真正弄懂它的原理其实真的不是一件易事。感觉最累的还是去真正弄懂线性稳压电源的原理，因为有很多是涉及到我们学习的知识，要将其综合起来，并且要根据要求来完善电路的各模块的参数设计，不只是这样还要将各个部分连接起来，考虑可能出现的情况，以及解决的方法，这些都需要有扎实的理论基础，可以说是对我们大学四年所学习的关于硬件电路这块的一个综合考察。经过了重重困难，最终完成了线性稳压电源的设计，其稳压性能好，并且可以达到指标要求，对于纹波和稳定度的要求也能够实现。

23

参考文献

[1]康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分(第四版)[M].北京：高等教育出版社,1999. [2]王增福,李昶,魏永明.新编线性直流稳压电源[M].北京：电子工业出版社,2005. [3]曲学基,王增福,曲敬铠.稳定电源基本原理与工艺设计[M]. 北京：电子工业出版社,2005.

[4]全新实用电路集萃丛书编辑委员会.电源应用电路集萃[M].北京：机械工业出版社,2005.

[5]李东生,张勇.Protel DXP电路设计教程[M].北京：电子工业出版社,2007. [6] 李建新. 基于恒流源的电阻测量[J]. 现代电子技术，2004，19（186）：89-90. [7] 张国华. 高精度恒流源电路设计[J]. 设计与工艺，2001（8）：37-39.

[8] 卫永琴，高建峰.一种恒流源电路的巧妙设计[J].仪器仪表学报，2006，8（27）：1 170-1 172.

[9]王昊,谢文阁,杜颖,吕义.线性集成电源应用电路设计[M].北京：清华大学出版社,2009.

[10]林川,冯全源.低压差线性稳压器中过流保护电路的设计[J].电路与系统学报，5(13)，2008：30-33.

[11] Liu Jian,Gao Zhenling.Cocurrent Voltage-Stabilized Source Design[J]. Hebei Institute ofArchitecture and Civil Engineering ,.4(26)，2008：56-59.

[12] KYan.No RemovalCharacteristicsofCoronaRadical Shower System Tnder DC and AC/DC Superposed Operations[J].IEEE Trans. on Ind. Appl. 37（5）2005:1499-504.

24

致谢

在毕业即将来临的时候，我才感觉到时间的飞逝，大学的四年生活不仅使我学习到了丰富的科学文化知识，更重要的是我学到了如何去学习并且明白了许多做人、做事的道理。这些都少不了朋友们对我的帮助，尤其是老师们对我的谆谆教诲。在毕业论文完成之际，我谨向我最敬爱的老师、家人、同学和朋友们表示我由衷地感谢之情。

本次关于线性直流稳压电源的设计和制作是在倪敏生老师的精心指导和帮助下，和同学的共同交流下才得以顺利完成。设计初期，觉得实际和所学的知识之间差距还是比较大，感觉要想把所学理论转化为实际还有一点的难度，进展缓慢，难免有一些灰心和垂头丧气。遇到这样的困难，我通过翻查以前的学习笔记和老师的交流来帮助自己完善设计，老师多次给予我鼓励和帮助，并且推荐一些书籍让我去看，慢慢地，自己心态也放正了，在设计上花的时间也多了，后来发现自己再去看毕设，就不会觉得那么难了。

在这里我首先要感谢我的指导老师倪敏生老师悉心指导我才能完成实习与毕业设计。倪敏生老师一直关注着设计进程，为我们解决了很多的实际困难，帮助我开拓研究思路、精心点拨。倪老师严谨求实的工作作风，负责任的态度，踏踏实实的精神，不仅传授我专业知识，更是教会我怎么样做一个有生气的对社会有贡献的人。所以在这里我要首先谢谢倪老师。

最后非常感谢在百忙中对我的论文进行评审并提出宝贵意见的专家们。

李小英 07级电子2班

25

附件一

线性稳压电源原理图

26

附件二

经过调试后修改的稳压电源原理图

27

附件三

仿真的结果

28