直流稳压电源制作及调试技巧分享

◇教学目标◇

◇任务描述◇

当今社会，人们极大地享受着电子设备带来的便利，但是任何的电子设备都有一个共同的电路——电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是其能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求其能够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电源。图1-1所示是一个直流稳压电源电路，通电后，可以通过调节电位器RP1、RP2进行调节输出电压的大小，以满足我们对电源的需求。

图1-1 直流稳压电源电路图

◇任务要求◇

（1）利用Multisim14仿真软件，绘制直流稳压电源的仿真原理图。

（2）根据电路图设计单面PCB，面积为10 cm×10 cm，元器件布局合理，大面积接地。

（3）三端稳压器LM317、LM337安装高度一致，并配散热片进行安装，电位器安装在方便调节位置。

◇相关知识◇

一、单相变压器

变压器是利用电磁学的电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器设备，它可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。电源变压器的作用是将电网220 V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。

变压器是将两组或两组以上的线圈绕制在同一个线圈骨架上或绕在同一铁芯上制成的。通常情况下，把变压器电源输入端的绕组称为初级绕组（又称一次绕组），其余的绕组为次级绕组（又称二次绕组），如图1-2所示。

图1-2 变压器的工作原理示意图

变压器的初级绕组和次级绕组相当于两个电感器，当交流电压加到初级绕组上时，在初级绕组上就形成了电动势，产生出交变的磁场；次级绕组受到初级绕组的作用，也产生与初级绕组磁场变化规律相同的感应电动势（电压），于是次级绕组输出交流电压，这就是变压器的变压过程。

变压器的输出电压和绕组的匝数有关，一般输出电压与输入电压之比等于次级绕组的匝N2与初级绕组的匝N1之比，即U2/U1=N2/N1；变压器的输出电流与输出电压成反比（I2/I1=U1/U2）。通常，降压变压器输出的电压降低，但输出的电流会增大，具有输出强电流的能力。

二、桥式整流电路

桥式整流电路是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。桥式整流电路如图1-3所示。

图1-3 桥式整流电路

桥式整流电路的工作原理如下：U2为正半周时，对VD1、VD2加正向电压，VD1、VD2导通；对VD3、VD4加反向电压，VD3、VD4截止。电路中构成U2、VD1、RL、VD2通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；U2为负半周时，对VD3、VD4加正向电压，VD3、VD4导通；对VD1、VD2加反向电压，VD1、VD2截止。电路中构成U2、VD3、RL、VD4通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压，其波形如图1-4所示。

图1-4 单相桥式整流电路输出波形

三、电容滤波电路

滤波电路的作用是尽可能地减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，输出波形变得比较平滑。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压波形趋于平滑。滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定，滤波电路的电路图如图1-5所示。

图1-5 电容滤波电路

其输出电压波形如图1-6所示，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

当U2为正半周并且数值大于电容两端电压UC时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。输出电压波形对应图1-6（b）中的oa段。达到t1时刻，电容器上C的电压UC接近交流U2的峰值。当UC>U2，导致VD1和VD3反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电。若放电速度缓慢，则有一段放电时间（t2～t3），UC按指数规律缓慢下降，该时段的输出电压波形对应图1-6（b）中的ab段。

当U2为负半周幅值变化到恰好大于UC时，VD2和VD4因加正向电压变为导通态，U2再次对C充电，有一段充电时间（t3～t4），该时段的输出电压波形对应图1-6（b）中的bc段。UC上升到U2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时，VD2和VD4变为截止，C对RL放电，C按指数规律下降；放电到一定数值时VD1和VD3变为导通，重复上述过程。

图1-6 电容滤波电路输出波形

四、稳压电路

三端稳压器主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。这两种三端稳压器的基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端稳压常见封装如1-7所示。

LM317/LM337是美国半导体公司生产的三端可调稳压集成电路。输出电压调节范围为1.2～37 V，最大输出电流为1.5 A。LM317的外围电路很简单，只需加接可调电阻即可组成基本电路。LM317/LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317/LM337不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317/LM337输入端的连线超过6英寸（约15 cm）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。图1-8为LM317引脚排列，图1-9为LM337引脚排列。

图1-7 常见的封装形式

图1-8 LM317引脚排列

图1-9 LM337引脚排列

LM317／LM337的典型应用电路如图1-10所示。

图1-10 典型应用电路

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Multisim14，从元件库中选择变压器、二极管、电容、电阻、三端稳压器LM317、LM337等，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好原理图，如图1-11所示。(www.xing528.com)

图1-11 直流稳压电源电路仿真原理图

二、仿真调试

单击“虚拟仪表”按钮，在对象选择器中找到万用表，添加到原理图编辑区，按照图1-11所示直流稳压电源电路仿真原理图布置并连接好。按下“仿真”按钮，观察并记录万用表的数值。观察调节电位器Rp1和Rp1时万用表的数值。图1-12、图1-13分别为电位器调节至0时的输出电压数值。图1-14、图1-15分别为电位器调节至50%时的电压数值。图1-16、图1-17分别为电位器调节至100%时的电压数值。

图1-12 电位器Rp1调至0时的输出电压

图1-13 电位器Rp2调至0时的输出电压

图1-14 电位器Rp1调至50%时的输出电压

图1-15 电位器Rp2调至50%时的输出电压

图1-16 电位器Rp1调至100%时的输出电压

图1-17 电位器Rp2调至100%时的输出电压

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，查看是否连接正确。

（3）元件清单（表1-1）。

表1-1 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理

直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图1-18所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图1-19所示。

图1-18 稳压电源的组成框图

图1-19 整流与稳压过程波形图

电网供电电压交流220 V（有效值）50 Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低，获得所需要交流电压。降压后的交流电压通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。脉动大的直流电压须经过滤波电路使其变成平滑、脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成分。滤波后的直流电压再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

2．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按下表要求调试、测量数据并填表（表1-2）。

表1-2 直流稳压电源调试

3．总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表1-3中，有利于提升自己的技能水平。

表1-3 工作总结

4．工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

本直流稳压电路输出的正负电压范围为-15～15 V，电路结构单一，若电路负载发生短路或者过载情况，电路缺乏相应的过载和过流保护，安全得不到保障。为了达到上述效果，小组成员发挥团队协助精神，查阅相关资料，设计总体方案，增加电路的安全性，讨论决策，制订计划实施。

◇任务评价◇

表1-4 直流稳压电源装调评价表

续表