可调直流稳压电源的设计与组装

西安欧亚学院

本科毕业论文（设计）

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二OO   年   月

可调直流稳压电源的设计与组装

摘要：采用三端集成W317（W117、W217）正电压输出和W337（W137、W237）负电压输出的可调式稳压器，输出电压在±1.25-±37V之间连续可调电压供功率放大器使用。该稳压电源具有性能稳定.结构简单.电压、电流指标精度高.调节方便等优点。

三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出纹波小，其一般输出电压为1.25～37v或－1.25～－37v连续 可调。因此它的性能优良，可靠性高。又因这种稳压器 具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。

本文介绍了三端集成W317和W337为稳压器的可调直流稳压电源的设计与制作。

关键字：稳压器；变压器；可调电源

Adjustable dc manostat design and assembly

Abstract: adopting three end W317 (W117, integrated W217) is W337 (W137 voltage output and W237) load voltage output, the output voltage regulators, adjustable in + 1.25 - + 37V continuous adjustable voltage between use for power amplifier. This manostat has stable performance. Simple structure. Voltage, current index precision. Convenient adjustment, etc.

Three end adjustable regulators adjustable output voltage, high precision, the output voltage ripple is small, the general output voltage of 1.25 ~ 37v or - 1.25 ~ - 37v continuous adjustable. So it's excellent performance, high reliability. And because the stabilizer has small volume, convenient, price is low wait for an advantage, so widely used. 

This paper introduces three end W317 and W337 integrated for regulators adjustable dc manostat design and production. 

Key word: regulators; Transformer; Adjustable power 

第一章  引言

1.1  论文研究背景与意义

随着电子技术的发展，电子设备在人们的生活和生产中的地位也越来越重要，许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。而这其中相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电源, 而是需要稳定的直流电源，因此对直流电源的性能、体积、重量等的要求也不断提高，再加上当今世界能源贫乏，于是对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；同时，电子设备种类的不断增加，使得其对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

　　早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。 

　　现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守。

1.2  本课题研究内容与目标

在业余条件下进行电子制作，拥有一个可调节输出电压的稳压电源是非常有用的，市面上所售的成品可调稳压电源价格一般都在百元以上，外表看上去是挺好看的，但对于业余电子爱好者来说，实用是最主要的。本文介绍的这款可调稳压电源，采用三端集成W317(W117、W217)正电压输出和W337(W137、W237)负电压输出的可调式稳压器来实现输出电压在±1.25~±37V之间连续可调电压供功率放大器使用。要求器件具有足够的散热条件。

第2章 稳压电源

2.1 集成稳压器的概述：

2.1.1集成稳压器的分类

集成稳压器又叫集成稳压电路，将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路， 用分立元件组成的稳压电源，固有输出功率大，适应性较广的优点，但因体积大焊点多可靠性差而使其应用范围受到，近年来，集成稳压电源已得到广泛应用，其中小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器应用最为普遍。一般分为线性集成稳压器和半导体集成稳压器两类，线性集成稳压器又分为低压差集成稳压器和一般压差集成稳压器。开关集成稳压器分为降压型集成稳压器、升压型集成稳压器和输入与输出极性相反集成稳压器。

2.1.2 开关式集成稳压器的特点

开关式集成稳压电源是最近几年发展的一种稳压电源，其效率特别高。它的工作原理与上面3种类型稳压器不同 ，是由直流变交流（高频）再变直流的变换器。通常有脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种，输出电压是可调的。 以AN5900，TlJ494，HA17524等为代表，目前广泛应用在微机、电视机和测量仪器等设备中。

2.2集成稳压电源的主要性能和指标：

2.2.1 稳压系数Sv （电压调整率）

稳压系数定义为：当负载保持不变，输出电压相 对变化量与输入电压相对变化量之比，即：

由于工程上常把电网电压波动±10％做为极限条件，因此也有将此时输出电压的相对变化△U0／U0做为衡量指标，称为电压调整率。   

2.2.2稳压电路的输出电阻

输出电阻 R0 定义为：当输入电压UI（指稳压电路输入电压）保持不变，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比，即

输出电阻反映了稳压输出受负载变化的影响。

2.2.3电流调整率SI 

输出电流从0变化到最大额定输出值时, 输出电压的相对变化量被称为电流调整 率：

2.2.4电压调整率Su 

工程上把电网电压波动10%做为极限条件，将输出电压的相对变化做为衡量指标，称为电压调整率。

2.2.5纹波系数

定义稳压电路输入电压Ui中的交流分量udi和输出电压Uo中的交流分量udo之比为纹波系数γ。

γ=udi/udo

2.3三端式输出集成稳压器：

2.3.1 固定式三端式稳压器

     随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。 

     78XX 、79XX 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。78XX 系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V 、24V 七个档次，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。 同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5A，78L系列稳压器的输出电流为0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用79XX00 系列稳压器除固定输出三端稳压器外，尚有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。

  

  

78XX00系列外形及接线图

上图为78XX 系列的外形和接线图，有三个引出端：

输入端---1  公共端---2   输出端---3

本电路所用集成稳压器为三端固定正稳压器7812，它的主要参数有：输出直流电压 U0＝＋12V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围15～17V 。因为一般UI要比 U0大3～5V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。

78XX00系列外形及接线图

上图是用三端式稳压器7812构成的单电源电压输出串联型稳

压电源的实验电路图。

其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆），内部接线和外部管脚引线如图9.3所示。滤波电容C1、C2一般选取几百～几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33μF ），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1μF)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应  。

  

图(a)正、负双电压输出电路               图（b）输出电压扩展电路

图(a)为正、负双电压输出电路，例如需要 U01＝＋15V， U02＝－15V，则可选用78xx和79xx三端稳压器，这时的UI 应为单电压输出时的两倍。

    当集成稳压器本身的输出电压或输出电流不能满足要求时，可通过外接电路来进行性能扩展。图 (b)是一种简单的输出电压扩展电路。 如7812 稳压器的3、2 端间输出电压为12V，因此只要适当选择R 的值，使稳压管DW工作在稳压区，则输出电压U0＝12＋Uz，可以高于稳压器本身的输出电压。

2.3.2三端试可调稳压器W317（LM317）

   可调试三端稳压电路，其中LM117，LM337就是有代表性的产品，国内产品的前缀是W，即W117， W337。后两位数字17表示为正电压输出，37表示负电压输出。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。W317系列和w337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4和图5.图6为外形

                                       

图4管脚图                              图5典型电路

图6 W317

输出电压表达式为:

式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

W317其特性参数：

输出电压可调范围：1.2V～37V

输出负载电流：1.5A

输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40V

能满足设计要求,故选用w317组成稳压电路。

2.4直流稳压电源的基本原理：

1.直流稳压电源设计思路

（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，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。

（2）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）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）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.直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

图2.4.1直流稳压电源方框图

  

其中：

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2.4所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图2.5所示。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即       。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流输出电流：                                                       

（I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

2.5串联型集成稳压电源的组成及原理

串联型稳压电源属于直流稳压电源的一种，在实际应用电路中应用非常广泛。如我们平常常用的78或79系列三端稳压器也是属于它的一种。

　　整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变。在这里我们就用串联型稳压电路对其进行稳压。

当输入电压(VI)改变时，能自动调节(VCE)电压的大小，使输出电压(Vo)保持恒定。例如：VI↑→Vo↑→经取样和放大电路后→IB↓→VCE↑→Vo↓。

VI是整流滤波后的电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管Dz与限流电阻R构出成。是用来反映R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。

串联型稳压电路，除了变压、整流、滤波外，稳压部分一般有四个环节：调整环节、基准电压、比较放大器和取样电路。当电网电压或负载变动引起输出电压V0变化时，取样电路将输出电压V0的一部分馈送回比较放大器和基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管集—射极间的电压，补偿V0的变化，从而维持输出电压基本不变。

2.5.1线性串联型稳压电路

这种稳压电路的主回路由调整管T与负载相串联构成，且T工作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。

输出电压Vo=VI-VCE，其变化量由反馈网络取样，并经放大电路(A)放大后去控制调整管T的基极电压，从而改变调整管T的VCE大小。

当输入电压VI增加(或负载电流Io减小)时，导致输出电压Vo增加，随之反馈电压VF=R2Vo/(R1+R2)=FvVo也增加(Fv为反馈系数)。VF与基准电压VREF相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使调整管的VB和IC减小，于是调整管T的c-e间电压VCE增大，使Vo下降，从而维持Vo基本恒定。显然，这是电压负反馈电路基本性能。

2.5.2集成线性稳压电路

　如果将前述的串联型稳压电源电路全部集成在一块硅片上，加以封装后引出三端引脚，就成了三端集成稳压电源了。

正电压输出的78××系列，负电压输出的79××系列。其中××表示固定电压输出的数值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79××系列也与之对应，只不过是负电压输出。这类稳压器的最大输出电流为1.5A，塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)；金属壳封装(TO-3)外形，最大功耗为20W(加散热器)。

2.6可调试集成稳压电源的设计：

设计的主要内容是:根据性能指标要求选择元器件(变压器集成稳压器.整流二极管及滤波电容)和对稳压电路作散热设计。

如图6，市电通过220V/15V、1A变压器，连接到稳压电源电路，由整流桥IBQ40整流、C1和R1平滑滤波，输出至电压调整管Q1的集电极。这个电路具有不同于其他电源的特点。电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U1A跟一个可调电阻R11提供，它实现了电压可以从零可调，DZ1选用稳压值3.6V的稳压管。接通电源后运放U1B的输出电压增加到使DZ1导通，通过R7稳定在3.6V附近，因为R3等于1/2R4，所以U1B的放大倍数为1.5，其输出电压是5.4V。U1B的放大倍数约为3s倍，根据公式A=（R6+R5）/R5，5.4V的基准电压大约能放大到超过15V，调节电位器R11可实现它的输出电压能从0~15V可调。电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流.

图6

本电源电路仿真图见图7，当输入220V的交流电时，电位器调到最大电阻时，输出端out的电压为15V,符合设计的要求。

图7

2.6.1.可调试三端集成稳压电源的设计基础

单相220V/50Hz交流电经过电源变压器、整流、滤波和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及各级电路的输出电压波形如图2.6. 1所示。

             Ui           U1               U2                    U3             UO

图2.6.1 直流稳压电源方框图

电源变压器是将电网220V的交流电压降低到适合大小后送入整流电路，整流电路再将交流脉动的直流电压的纹波加以滤除，得到平滑的直流电压。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，能维持输出直流电压的稳定。

1．桥式整流电路

利用二极管的单向导电特性，将交流电压变换成单向脉动直流电的电路，称为整流电路。如图2.6.2所示。

     

图2.6.2桥式整流电路                     图2.6.3桥式整流电路输出波形

图2.6.2中T为电源变压器，变压器的作用是将220V交流电压降低为后级电路所需的工作电压U2。

D1~D4为整流器件。整流电路的作用是将交流电V2变换成脉动的直流VD，他主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有1N4007、1N5148等，桥堆有RS210等。RL为整流电路的负载电阻，其两端的电压为整流输出电压。

该电路在V2的正负半周都有整流电流流过负载。因此，该电路又称为全波桥式整流电路。其输出电压的平均值可由下式求出

VO     其中，V2为变压器次边输出电压有效值。

相应地，二极管的平均电流

ID＝=0.45V2/RL

每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压

VRM= V2

在选用整流二极管时，其最大整流电流和最高反向电压应分别大于以上两式计算出的ID和VRM值。

如果是选用桥堆进行整流，则应注意最大工作电流和最大反压，反压值的计算同上式，但电流是指能够给负载的最大平均电流，应高于计算值。

2. 滤波电路

一般采用电容滤波电路。电路如图2.6.4所示。输出电压波形反映的是电路稳态的结果。

图2.6.4电容滤波电路

从图2.6.；4波形图中可以看出，要保持一定的输出电压或输出纹波小，其放电时间长数应足够大，应满足关系是

RLC (3～5)T/2=(3～5)/2f

式中T和f为电网电压的周期和频率，频率通常为50Hz。输出电压与输入电压一般可取

VO≈1.2V2

3.集成三端稳压器

集成三端稳压器具有体积小，外围元减少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。

常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电路为主，还有适当的过流、过热等保护电路。一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率也相对较大。在这里我们用可调式三端稳压器。

可调试三端稳压电路，其中LM117，LM337就是有代表性的产品，国内产品的前缀是W，即W117， W337。后两位数字17表示为正电压输出，37表示负电压输出。可调试三端稳压电路除了带有各种保护电路之外，还把采样放大电路也集成到芯片之中，内部电路的原理框图如图2.6.5虚线所示。它有三个引脚，分别接输入端、输出端和调整端。调整端是基准电压电路的公共端。内部用两个三级管构成复合管；基准电压电路为能隙基准电压电路，基准值UREF为1.25V，准确度和稳定度都非常高。R1和R2为外接取样电阻，调整端接在它们的连接点上。由于放大电路的两个输入端电位差近似等于零，所以R1两端电压近似等于UREF。

图2.6.5可调试三端稳压电路内部电路原理框图

当输出电压升高时，放大电路反相输入端的电位随之升高，其输出端（直接接在晶体管的基极）电位必然降低，使两只晶体管的UBE下降，从而抑制UO的上升；当输出电压降低时，各部分的变化与上述相反，因而输出电压UO稳定。输出电压为

图2.6.6LM117/LM217/LM317的典型应用电路

图2.6.6所示电路为LM117/LM217/LM317的典型实用电路，根据所选型号的不同，其封装形式和引脚排列也会有区别，使用时要查阅使用手册才能确定具体接线方法。图11中所选型号为LM317BD2T，其调整端的引脚号为1。

这类可调稳压器的内部没有泄放电阻，要在外部加接R1来维持可调稳压器的正常工作，根据参数可知，LM317中，IOmin为10mA。输出端和调整端之间的基准电压最大为1.3V，由此可得

可实取R1=120Ω或120～240Ω之间。R2使用多圈电位器，

图2.6.6所示电路的输出电压为

                                              

LM117/217/317的UREF典型值为1.25V。确定最大输出电压UO后，即可确定R2。

当R2=0时，图11所示电路就变成了高稳定1.25V基准电压源，输出电流可达1.5A。可调电压范围1.2V～37V。

图2.6.8 稳压电路原理图

2.6.2 计算

     1）选电源电压器

     通常根据变压器的副边电压U2、电流I2和原边功率P1来选择电源变压器。

     （1）确定稳压电路的最低输入直流电压UImin

式中：为稳压器的最小输入、输出电压差，而LM317的的允许输入、输出电压查为3~40V，现取为3V；系数0.9是考虑电网电压可能波动10%。

      代入数据，计算得：

                       =40V

可取 UImin=40V.

     （2）确定电源变压器副边电压、电流及原边功率

                      V

可取U2=25V

                      A

可取1.1A。

    变压器副边功率P2 U2I2=30W.

     2）选择整流二极管及滤波电容

   （1）整流二极管的平均电流为：

                          ID=A

        二极管承受的最大反向电压：

                          URM=U2=16=22.6V

        因此，整流二极管可选1N4001，其最大整流电流为1A，最大反向电压为50V。

   （2）滤波电容的选择

    在桥式整流滤波电容中，

                           RL1C>

因此：

                               C> 

即

               C> uf

式中： =I2=1.1A。

    因此，取俩只2200uf/25V的电容并联做滤波电容。

    3）估算稳压器消耗

    当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

                      =1.1 1.1 16=19.36

所以稳压器承受的最大压差为：19.6-5 15V。

最大功耗为：

                    P=  =15 1.1=16.5W

因此，应该用散热功率16.5W的散热器。

4）确定其他电路原件参数

图2.6.8中，在LM317输入端与地之间有一只0.33uf的电容C3，目的是抑制高频干扰。

接在调整端和地之间的电容C4，可用来旁边Rp两端的纹波电压，当C4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。

LM317集成稳压器在没有容性负载的情况下可稳定工作，但输出端有500~1000pf的容性负载时，会产生自激振荡。为了抑制自激，在输出端并一只47uf的电容C5，C5还可改善电源的瞬态响应，以及进一步减小输出电压中的纹波电压。

2.6.3 集成稳压器的散热器设计

W317和W337系列三端固定式集成稳压器。它把基准电压、放大器．取样器和保护电路全部集成在2．1×2．4mm啪硅片上， 只有输入、输出、公共三个引出端， 能以最简方式接入电路，获得稳定的输W317及W 337系列产品属于功耗较大的集成稳压器， 作大电流输出时必须配上台适的散热器如果散热不良，芯片的结温超过125℃，稳压器内部的过热保护电路将对输出进行保护， 迅速将输出电流导致稳压器损坏。因此，正确设计散热器． 是使用三端稳压器的前提条件。

下面介绍散热器的设计原理、方法和实例。

一．散热器的设计原理

散热器的材料一般可选用厚度为2IT1In的铝板(或铁板、铜板)。散热器的表面积应根据稳压器的功耗和热阻来计算。

1．功耗和热阻对稳压器工作的影响

为保证稳压器能正常工作并达到设计指标，首先要把稳压器工作时产生的热量及时散发掉 稳压器允许的最大功耗取决于芯片的最高结温，仅当芯片的工作温度低于最高结温时，稳压器才能正常工作。因此，稳压器的散热能力愈强，其芯片的结温愈低，所能承受的功率也愈大。

稳压器的散热能力取决于它的热阻所谓热阻，是用来表征各种材料的热传导性的物理量，一般用每单位功耗下材料的温升来表示，单位是“℃／W”。温升越高， 说明散热能力越差， 即热阻越大反之， 温升低则说明散热能力强， 即热阻小。

2．功耗与热阻的关系在热传导过程中， 功耗与热阻的一般关系式为：

                  

式中P—— 器件的功耗(W )}

△t一一器件芯片温度与环境温度之差(℃)；

R —一在△t温差下传导媒介的总热阻1℃／W )

对于不加散热器的半导体器件上式可写成；

式中P1----半导体器件的功耗（W）；

----半导体器件的结温；

----环境温度；

----从结到外壳的热阻；

----从外壳到器件表面的热阻；

----从期间表面到周围空气的热阻。

若用表示从结一直到周围空气的总热阻， 并且用表示从结到器件表面的热阻， 即器件本身的热阻， 则有关系式：

器件的功耗为：

半导体器件加上散热器之后， 总热阻将变成

见图1。设散热器对周围空气的热阻为， 因为器件现在是通过散热器与周围空气发生接触的．所以应当用来代替上式中的，如果忽略器件与散热器由于接触不良而造成的附加热阻，那末总热阻R e的表达式应为：

加散热器后器件的功耗变成：

                        

只要散热器的面积足够大， 即可使因此，P2>P1 。设计散热器时还应使P2小于器件的最大允许功耗Pm． 而大于器件的实际最大功耗P。， 这样稳压器在工作时就不会超出允许最高结温

将上式稍作变换， 即可得到的表达式：

       ⑤

在确定散热板面积时将要用到上式。

二．散热器的设计方法

W317采用塑料壳封装，其体积较小， 加足够的散热板后功耗最高可达10 W 。它的，分别为6℃/W和62.5℃/W。散热板的热阻与板的表面积S的关系曲线。如图3所示。图中绘出铝板与铁板的两条曲线． 板的厚度均为2 mm。由图可见． 在表面积与厚度相同的情况下， 铝板的热阻较小， 散热性能优于铁板。

    

设计散热器时可遵循以下步骤：

l.首先确定已知条件。

已知条件包括： (1)稳压器的设计功耗P2 ， 要求P。≤ PI ≤ PMIN  (2)允许的最高结温t1 一般取125℃； (3)最高环境温度tA ；(4) 稳压器的封装形式；(5) )所选用的散热板材料(板厚为2 mm)。          

  2. 根据封装形式． 从附表上查出器件的值。

  3. 利用⑤式求出散热板对空气的热阻。

4.根据值查图3的关系曲线，确定散热板的表面积S。实际面积可比S值略大些， 以增加散热的保险系数(因⑤ 式中未考虑器件与散热板接触不良造成的附加热阻)。

三．常见的散热器

图4为几种常用散热器的形状，分别为齿轮形、指状形和翼形，所加散热器面积大小的要求，参考大功率管产品手册上规定尺寸。除上述散热器商品外，还可用铝板自制平板散热器。

图4 散热器

第3章 电源的组装与测试

3.1 元器件

1.电解电容的引脚(C1,C3,C4)

   正负极引脚的判定：长脚为正极，短脚为负极，在电解电容的表面还印有负

标志。

   

应用时：正极→接直流高电位，负极→接直流低电位；容量，耐压应满足电路要求； 安装时：应将引脚拉直，直插入焊孔内，紧贴电路板.

 注：其有效期大约三年左右，以后C值会下降。

☆ 使用电容器注意事项

  (1)电解电容器的正、负极不能接反。当电压高于2V时，若电解电容器上的电压极性接反，则氧化层将裂解，电解质显著发热，导致形成气体而可能引起爆炸。

  (2)电路工作电压不能高于电容器额定电压。根据电路工作电压的有效值，计算出峰值电压，峰值电压不能高于电容器额定电压。否则引起爆炸。

  (3)铝电解电容器滤波时应并联一个0.1-1uF的独石电容，因为铝电解电容器的固有电感大，高频滤波效果差，所以应并联一个0.1-1uF的电容，滤除高频分量。铝电解电容器当温度低于-20℃时，容量将随温度的下降而急剧地减小，损耗则急剧上升；当温度超过+40℃时漏电流迅速增加。使用时应注意温度范围。

  (4)试验用的大容量电容器，当试验电压较高时，做完试验要及时放电。因为其自身放电较慢，防止触模时遭电击。

2.电阻

☆ 注意电阻的类型,阻值和额定功率,不要装错位置。

☆ 焊接时有两种方式：

不多用            常用

          

         

注：若不是色环电阻，应将标有电阻值的一面朝上。

☆  使用电阻注意事项

    （1）阻值及允许偏差

    所选电阻器的电阻值应接近应用电路中计算值的一个标称值，应优先选用标准系列的电阻器。一般电路使用的电阻器允许偏差为±5％-±10％。精密仪器及特殊电路中使用的电阻器，应选用精密电阻器。

    （2）功率

    电阻的额定功率应大于电阻的实际功率，否则电阻容易被烧毁。额定功率应为实际功率的1.5-3倍。线绕电阻器的功率较大，电流噪声小，耐高温，但体积较大。普通线绕电阻器常用于低频电路或电源电路中作为限流电阻器、分压电阻器、泄放电阻器或大功率管的偏压电阻器。精度较高的线绕电阻器多用

于固定衰减器、电阻箱、计算机及各种精密电子仪器中。

    （3）电压

    电阻在电路中两端的电压应小于电阻的最大工作电压，否则电阻将发生电击穿，导致电阻损坏。

    （4）湿度、温度

当环境温度高于额定温度时，应降负荷使用，当环境湿度较大时，应选用耐湿性好的玻璃釉电阻器。

    （5）频率

    高频电路应选用分布电感和分布电容小的非线绕电阻器，如碳膜电阻器、金属膜电阻器和金属氧化膜电阻器等。

    （6）噪声

    高增益小信号放大电路应选用低噪声电阻器，如金属膜电阻器、碳膜电阻器和线绕电阻器，而不能使用噪声较大的合成碳膜电阻器和有机实心电阻器。

3.整流桥

☆ 应用时注意其允许通过的最大电流和允许外接的最高反压。

   规格:0.5A,1A,1.5A,2A,3A,5A,10A,20A,35A,50A.

   耐压:25V,50V,100V,200V,300V,400V,500V,600V,800V,1000V

☆ 全桥好坏的判别

   将万用表置R×10k挡，交换表笔分别测l、2（交流）之间的电阻，若示值均为无穷大．则说明四只管子没有短路的。万用表置R×1k挡，测量3、4（+、-）间的正向电阻，一般为8-I0k。若测得的正向电阻小于5k或大于l0k，则桥中的二极管可能有损坏的。

注：整流桥是四个二极管的小规模集成电路，小巧方便，占用空间小，但功率不可能过高，适用于对功率要求不高的小型用电设备。对于大功率用电设备，常采用四个二极管组成的桥型整流电路，该电路应用范围更为广泛，本实验中也可用该电路进行整流。

4.二极管

二极管：IN4001,IN4007

外型：  -                     +            +                      -

               ↑

           有标志的为负极

应用时：引脚都应弯成直角。

注：用数字万用表的二极管挡检测二极管，将数字万用表挡位开关放置在二极管挡，然后将二极管的负极与数字万用表的黑表笔相接，正极与红表笔相接，此时显示屏上即可显示二极管正向压降值。不同材料的二极管，其正向压降值不同：锗二极管为0.1～0.3V，硅二极管为0.4～0.7V。

    用数字万用表的二极管挡检测二极管时，若表笔接反（正极与黑表笔相接，负极与红表笔相接），则屏幕上会显示“OL”或者“超载”（在二极管正常的情况下），该数值为二极管的反向压降。

5.三端可调稳压器

应用注意事项:

（1）在装入电路前，一定要清楚各端子的作用，避免接错。 

（2）稳压器的输入端要尽量靠近滤波电容C1，以免线路受分布参数影响，引起输入端的高频自激。 

（3）紧靠输出端②脚，否则输出电流在引线上的压降改变R1上的电压，使其偏离1.25V，影响输出电压稳定。 

（4）使用时．对要求加散热装置的，必须加装符合要求尺寸的散热装置。

 （5）严禁超负荷使用。 

 （6）为确保输出电压的稳定性，应保证最小输入输出压差，为确保安全，又要注意最大输入输出压差不超出规定范围。 

 （7）安装焊接要牢固可靠，避免有大的接触电阻而造成压降和过热。

3.2 安装与调试

1.在元件引脚弯曲后，焊接前元件引脚镀锡(松香锡)；

2.元件的引脚与PCB板插孔应基本一致；              

3.插接集成电路时首先应认清方向，不要插反，注意管脚不能弯曲。

4.平放的原件应紧贴电路板； 

5.用烙铁焊接时：应将烙铁对准应焊的焊盘，放置一段时间后拿起，不要点焊，更应防止与别的焊盘短接。

3.2.1电源的指标及调试方法

1、稳压电源指标

   1) UO=1.5V～12V

   2) IO=0～1A

   3) 输出波纹电压<5mV,电压调整率≤3％

   4) 稳压系数小于5×10-3

   5) 输出电阻小于0.1Ω

   6) 电流调整率≤1％

2、电源指标及测量方法

   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。 

（1）稳压系数Su

   在负载电阻，环境温度保持不变的情况下，输入输出电压的相对变化之比，即:

（2）电压调整率

   输入电压相对变化±10 ％时的输出电压相对变化量，即：

        

注：稳压系数与电压调整率,二者测其一即可。

（3）测量方法

接线图

  

测量方法

    将U1=220V、198V、242V,测UI(滤波电容C1=1000µF)两端的电压→可得下表(RL保持不变，RL取120Ω)选△UI～△UO其中的一组计算Su。

U1	UI	UO	△UI	△UO
220V	UIO	UOO	UIO-UImin	UOO-UOmin
198V	UImin	UOmin
242V	UImax	UOmax	UImax- UIO	UOmax- UOO

3、纹波电压

 波纹电压:是指叠加在输出电压UO上的交流分量。

1)测量方法

 方法1：

               

      

   

注：测UO的变化部分的峰峰值△UOPP，△UOPP一般为毫伏级。

    方法2：用交流毫伏表测量,但因不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。

2) 波纹电压的危害

  ①容易在用电设备中(即负载)产生有害的谐波；如电视机上会出现水纹状干扰(又叫网纹)。

  ②较大的纹波电压会造成负载的浪涌电流/电压，可能烧坏用电设备。

  ③会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作。

  ⑤会带来噪声，使图像和音响质量下降。

3) 抑制纹波电压的方法

  ①在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波整流或桥式整流(或三相整流)，不用半波整流。

  ②加大滤波电容(C1)或采用LC滤波器。

  ③采用较好的稳压器(三端),采用模拟电源，而不用开关电源。

  ④合理布线，或在LM317的前后并接电容0.1µF～0.3µF。

4、输出电阻

  在输出电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比，

                                  变化RL的值

具体数据如下：

	UO	IO	ΔUO	ΔIO
120Ω	Uomin	IOmax	大-小	大-小
240Ω	UOmax	IOmin

3.2.2 稳压电源的调试

1、含义

   在电路安装结束后,为实现电路指标而进行的“测量→判断→调整→再测量”。即包括两个部分:

   1)测试↘

   2)调整↗

2、调试前的直观检查

     电路安装完毕，通常不宜急于通电，先要认真检查一下。

   检查元、器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，相邻焊点有无短路,有无漏焊，二极管、三极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误。

   通电观察:方法:”视,听,嗅,触”。

   接通电源，观察有无异常现象：

        有无冒烟；

        有无异味；

        手摸元器件有无过热(烫手),特别是LM317散热板是否发烫。

   如果出现异常，应立即切断电源，待排除故障后才能再通电。

3、由前向后测量

  ①交流电压测量

    交流电源电压＝220V±10℅，变化范围(242V,198V)(均为有效值)。

    变压器次级:是否为15V (有效值)。

    如U2≠15V,变压器有问题。

  ②直流电压测量 

    注意：电压表表笔的极性。

    a)整流滤波后的电压：约为18V左右?

    b)LM317的引脚2和引脚1之间电压UO’= 1.25V?  (若不等则LM317有问题)。

    c)UO = 12V ?，对电位器RP1、RP2进行调整，若不等于12V则LM317有问题。

    d)调整范围: (1.5V-12V)； 调RP1=1.5KΩ实现粗调，调 RP2=200Ω实现细调。

    e) 输出电流调整: 改变RL的值，RL= 120Ω→IO=100mA左右；

                                 RL=240Ω→ IO=50mA左右。

3.3测试与仿真

3.3.1调试仪器

  1.万用表；

  2.示波器；

  3.交流毫伏表；

  4.1W的可调电阻或1/2W的(120Ω,240Ω) 固定电阻；

  5.自耦调压器。

3.3.2测量与仿真

1.进行理论设计、选择元器件。

2.连接、调试电路，测量技术指标，如不满足设计要求，调整参数，直至满足要求为止。

3.分别用示波器观察整流部分（断开滤波和稳压电路，直接连接负载电阻）输出波形、测量其平均值；再测量滤波后的波形和平均值（断开稳压电路，直接连接负载电阻）；最后测量稳压后的波形和电压值，检验是否符合理论设计的要求。结果记录在表1中。

表1 整流滤波测试数据

	u2（有效值） （V）	Uo（平均值，V）
		测量值	理论值	误差（%）	波形
全波整流实验
整流滤波实验
稳压电路实验

4.测量稳压系数Sr及电压调整率Su：保持RL不变（RL=20Ω），变压器原边保持220Ｖ不变，用万用表测量次边u2实际值，再调节变压器原边电压，使次边电压分别0.9u2、和1.1u2端，用万用表测量u2实际值。同时测量稳压电路的输入电压Ui和输出电压Uo的变化。再计算稳压系数及电压调整率，结果记录在表2中。

表2 稳压系数及电压调整率测试数据（计算Sr和Su时Ui和Uo均取中间值）

u1（有效值）	0.9 u2	u2	u2	1.1 u2
Ui（V）
Uo（V）
两次测定的Ui之差ΔUi（V）
两次测定的Uo之差ΔUo（V）
Sr
Su

5.测量输出电阻Ro及电流调整率Si：保持负载RL不变（20Ω），保持变压器原边电压为220Ｖ，测量输出电压Uo，然后断开RL，测量输出电压Uo的变化。再计算输出电阻及电流调整率。结果记录在表3中。

表3输出电阻及电流调整率测试数据（计算Si时Uo取连接RL时的值）

RL（Ω）	20	∞（开路）
Uo（V）
ΔUo（V）
Ro（Ω）
Si

6.测量稳压电源的纹波系数：接入负载电阻RL，用示波器测量稳压电路输入电压Ui中的交流分量udi和输出电压Uo中的交流分量udo，记录波形，计算纹波系数。

3.3.3电路的误差分析

测试中存在较多的误差，综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:

1. 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;

2. 电流表内阻串入回路造成的误差;

3. 测得纹波电压时示波器造成的误差;

4. 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;

可以通过以下的方法去改进此电路:

5. 减小接触点的微小电阻;

6. 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;

7. 测得纹波时示波器采用手动同步;

8. 采用更高精确度的仪器去检测;

3.3.4电路设计所出现问题

本设计在电路的选择方面是多样式的，选择一个合适简单的电路很重要。在设计过程中出现缺乏完整性的规划，使得线路错综复杂，杂乱不堪，除了影响美观之外，一旦产生问题，要找出问题的所在也是相当地费时费力，且也造成了容易短路的现象，这些都是需要改进的地方。

电路板制作出来后的下一步就是调试了，调试实际上是对设计出来的电路的一个验证。调试受到的制约有各方面的因素，稍微粗心大意些都会影响结果。在调试之前必须对所有导线用万用表检验过是否有线路不通的情况出现。刚调试时在保证线路都是导通后接上电源输出电源不可调，检查了好几天，把所有元件上的工作参数都测试了一遍之后，确定所有元件都没坏后才断定是线路板不导通的问题。

第四章  结论

直流稳压电源在人们的生活和生产中的地位也越来越重要，许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。而这其中相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电源, 而是需要稳定的直流电源，因此对直流电源的性能、体积、重量等的要求也不断提高，再加上当今世界能源贫乏，于是对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；同时，电子设备种类的不断增加，使得其对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。所以可调式的稳压电源应用更加广泛。

本文研究的就是可调直流稳压电源的设计和组装，在设计中仍有许多需要改进和完善的地方，也有许多可以扩展的地方。这次毕业设计给我的感受很深刻。

设计的过程也是学习的过程，以前的学习多重于理论方面，而且知识面不够宽，通过这次毕业设计，使我第一次系统全面的回顾了大学所有的课程：模拟电路、数字电路、高频电路等等 。从中我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。再有学会了怎样查阅资料和利用工具书。由于一个人不可能什么都学过，什么都懂，更加不可能一学就通，因此，当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料。

经过这次系统的毕业设计，我大致地了解了对这一课题进行系统研究、设计及制作的全过程。这些认识使我在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。在往后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识补充最新的知识。毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度，而且培养了吃苦耐劳的精神以及严谨的作风，这些对我以后的工作都非常有帮助的。

致  谢

本论文的设计到完成都一直得到了梅仲云老师的悉心帮助和指导。从论文的开题、项目确立、器件选择、功能设计等方面都深深体会到梅老师严谨的治学态度和兢兢业业的工作态度。他渊博的知识使我受益匪浅，接触到了不少先进的技术和知识，获得的了不少实践经验。不管对于生活还是学习，这些知识在我的人生道路中都将是笔巨大的财富，它们将在我以后的工作和学习中发挥巨大的作用。在此衷心感谢王老师对我的关心和指导！

在设计期间感谢帮助过我的同学，在我电路制作过程中曾出现过许多问题，是他们帮我找出错误，加以纠正，在此向他们表达我的感激之情。

感谢我的母校—西安欧亚学院给了我更进一步学习的机会，使我在知识理论和实践经验上得到提高。

最后，我还要深深的感谢我的家人，是他们对我生活学习的关心激励我奋发向上；是他们的辛勤劳作供我完成学业。

感谢所有帮助和关心支持我的人!

参考文献

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[5]顾宝良,模拟集成电路原理与实用电路[M]，北京,人民邮电出版社 2008

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