下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在我们使用的电子电路中，多数都需要稳定的直流电源进行供电。直流稳压电源作为电子技术常用的设备之一，广泛地应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、控制困难、可靠性低、干扰大、精度低且体积大。本项目所介绍的固定式单电源直流稳压电路与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高等特点。
许多电子产品，如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电源，实验室更需要独立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压；整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分（即纹波电压），使其成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
设计任务
设计一个简单的直流稳压电源，将市电转变为直流稳压+5V。
基本要求
能够提供稳定的+5V直流稳压电源。
最大输出电流为1A，电压调整率≤0.2%，负载调整率≤1%，纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）。
具有过流及短路保护功能。
系统组成
固定式单电源直流稳压电路系统主要分为以下四部分。
降压电路：利用变压器对220V交流电网电压进行降压，输出所需的交流电压，以满足后续电路的需要。除特别说明外，本书所有项目中均使用交流调压电源箱对市电进行降压，故实际电路设计中不包括此部分。
整流电路：将交流电压变为单向脉动的直流电压。
滤波电路：滤除整流电路输出的直流电中的纹波，将脉动的直流电压转变为平滑的直流电压，主要利用储能元件电容来实现。
稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压的稳定。
系统模块框图如图1-1所示。
图1-1 系统模块框图
模块详解
1.整流电路
它是全波整流的一种方式，称为桥式整流电路。该电路使用四个二极管，变压器有中心抽头。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，效率较高。利用两个半桥轮流导通，形成信号的正半周和负半周。使用有中心抽头的变压器则可以得到正负两个电压输出。
整流电路原理图如图1-2所示。整流电路输出端（out1端）输出波形，仿真结果如图1-3所示。
图1-2 整流电路原理图
图1-3 整流电路输出仿真结果
交流电压设定如图1-4所示，将电压输入设置为15V，频率设置为50Hz，模仿市电经变压后的低压交流电源输入。
2.滤波电路
电容滤波一般负载电流较小，可以满足放电时间常数较大的条件，所以输出电压波形的放电段比较平缓，纹波较小，输出脉动系数 S 小，输出平均电压 U O 大，具有较好的滤波特性。把电容和负载并联，正半周时电容充电，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。电路在三端稳压器的输入端接入电解电容 C 1 =1000μF，用于电源滤波，其后并入电解电容 C 2 =4.7μF用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容 C 3 =4.7μF用于减小电压纹波，而并入陶瓷电容 C 4 =0.1μF用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰（陶瓷小电容电感效应很小，可以忽略，而电解电容因为电感效应在高频段比较明显，所以不能抑制高频干扰）。滤波电路如图1-5所示。
图1-4 交流电压设定
图1-5 滤波电路
为了验证滤波电路的效果，以前端滤波电路（见图1-6）为例进行分析。前端滤波电路输出端（out1端）输出波形，仿真结果如图1-7所示。
图1-6 前端滤波电路
图1-7 前端滤波电路输出仿真结果
为了验证滤波电容的效果，在原电路输入的基础上将滤波电容 C 1 改为100μF，输入信号依然为15V、50Hz的交流信号，如图1-8所示。利用软件图表功能仿真out1端输出波形，调节 C 1 后的滤波电路输出仿真结果如图1-9所示。
图1-8 调节 C 1 后的滤波电路
图1-9 调节 C 1 后的滤波电路输出仿真结果
如图1-9所示，滤波电路中电容的大小直接影响电路的滤波效果。若将电容值设置过小，则电路的滤波效果也会减弱。
综上所述，输入的交流信号经整流电路整流，又经滤波电路处理，最终将稳定、有效的电压由out1端传输至稳压电路模块。可见，滤波电路在电路设计中是十分重要的。
3.稳压电路
使用三端稳压器有以下优点。
（1） 元件数量少。
（2） 带有限流电路，输出短路时不会损坏元件。
（3） 具有热击穿功能。
三端稳压器选择7805（输出电压为+5V，最大输出电流为1A，且三端稳压器内部已有限流电路），在输出端并入二极管D1（型号为1N4001），当三端稳压器未接入输入电压时可保护其不至损坏。
图1-10所示为稳压电路空载输出仿真图，可见由三端稳压器输出端VO经滤波输出+4.94V 稳定直流电压。
图1-10 稳压电路空载输出仿真图
三端稳压器最易在输出脚（图1-10中3脚）电压高于输入脚（图1-10中1脚）电压时形成击穿而损坏，因此一般像图1-10中那样并联一个二极管1N4001。其主要作用是：如果输入端C1或C2出现短路，则输出3脚电压会高于输入1脚电压，很容易击穿三端稳压器，所以反向并联一个二极管，对2脚电压进行泄放，使3脚到1脚电压限幅为0.7V，可有效保护三端稳压器不被反向击穿。
稳压电路空载输出显示如图1-11所示。
在稳压电路输出端out3处接入300Ω电阻与LED负载进行稳压测试，输出仿真图如图1-12所示。
图1-11 稳压电路空载输出显示
图1-12 稳压电路负载输出仿真图（一）
加入300Ω电阻与LED负载后，由三端稳压器输出的直流电压大小为+4.93V，并可将LED点亮。用示波器监视稳压电路输出VO，如图1-13所示。
图1-13 稳压电路负载输出显示（一）
随后在三端稳压器输出端VO处加入2kΩ电阻与LED负载，输出仿真图如图1-14所示。
图1-14 稳压电路负载输出仿真图（二）
加入2kΩ电阻与LED负载后，由三端稳压器输出的直流电压为+4.92V，并可将LED点亮，如图1-15所示。
图1-15 稳压电路负载输出显示（二）
综上所述，本项目所设计的固定式单电源直流稳压电路能够在负载变化的情况下提供稳定的+5V直流电压。
固定式单电源直流稳压电路整体电路原理图如图1-16所示。
图1-16 固定式单电源直流稳压电路整体电路原理图
经过对电路板的实际测试，测试结果显示输出电压为5.0V，设计要求单电源输出5V电压，实测符合设计要求。
PCB版图
PCB版图如图1-17所示。
图1-17 PCB版图
实物测试
固定式单电源直流稳压电路实物图如图1-18所示，固定式单电源直流稳压电路测试图如图1-19所示。
图1-18 固定式单电源直流稳压电路实物图
图1-19 固定式单电源直流稳压电路测试图
思考与练习
（1） 在设计电源电路时，如何根据电源的要求对器件进行选择？
答 ：二极管的选择要满足额定电压值和额定电流值。
（2） 电源电路中对输入电压有何要求？
答 ：为了使三端稳压器7805能够正常工作，输入电压必须保证在8V以上。7805正常工作时输入、输出之间的电压差必须在3V以上。
（3） 如何验证设计电路是否满足设计要求参数？
答 ：利用Proteus软件对电路进行仿真，用电压探针和图表观察输出电压值，通过改变负载电阻得到最大输出电流，并可以观察电流调整率和电压调整率，以此验证电路是否满足设计要求。
特别提醒
当供电时间过长时，需要对三端稳压器安装散热片进行散热。