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摘要：本文論述了一種基于LM7805和LM317的線性穩壓電源電路的軟硬件設計實現方法。設計采用電源變壓器得到整流濾波所需交流電壓，四個整流二極管構成的全波橋式整流電路以得到直流電壓、電容濾波電路消除或減小紋波、及由LM7805和LM317構成的穩壓電路來實現輸出固定5V/1A和輸出可調9~12V/1A。本次設計所實現的線性穩壓電源操作簡便，具有輸出電壓穩定、工作可靠、范圍可調、過流保護、成本較低等特點。
第1章 設計任務分析與設計方案選擇穩壓電源是各種電子電路的動力源，被人譽為電路的心臟。其是由降壓電路、整流濾波電路、過流保護電路和可調穩壓電路構成，能為負載提供穩定直流電源的電子裝置。具有輸出電壓穩定、工作可靠、范圍可調、過流保護、成本較低等特點，因此得到了廣泛的使用。
1.1 設計任務分析設計要求采用三端集成穩壓芯片完成具有以下技術指標的線性穩壓電源： （1）輸入交流電壓：市電220V、50Hz，電壓波動范圍±10%。（2）輸出直流電壓：雙路輸出，一路輸出固定5V/1A，一路為輸出可調9~12V/1A。（3）穩定系數： <0.5%。在負載電流、環境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即： 。（4）紋波電壓： <5mV。在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。（5）電源內阻： <0.15Ω。在額定電網電壓下，由于負載電流變化 引起輸出電壓變化ΔUo，則輸出電阻為 。（6）輸出具有過流截止式保護電路。1.2 設計方案擬定直流穩壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波電路及穩壓電路組成，基本框圖如圖2-1所示。  圖1-1 電路總原理框圖系統具體包括變壓器、整流濾波、過流保護、穩壓輸出電路等。各個功能模塊都設置必要的接口，可獨立設計，獨立調試，最后通過接口連接成一個統一系統，統一調試。 根據設計任務要求，輸出電路（整流濾波電路）采用橋式整流、電容濾波電路。電源電路只要由整流二極管構成的全波整流橋式整流，電容濾波電路構成的穩壓電路構成。自制穩壓電源通過整流濾波與可調穩壓電路，將交流電轉換為穩壓直流電，然后通過三端集成穩壓器LM7805、LM317獲得輸出電壓。 1.3 設計方案對比與選擇1.3.1 變壓器 鐵心變壓器 空心變壓器 鐵氧體芯變壓器 圖1-2變壓器的圖形符號 方案一：鐵心變壓器適用于低頻大功率電路，主要應用于音頻電路和電力系統。 方案二：空心變壓器，不含鐵心（或磁芯）的耦合線圈，主要應用于電子與通信工程和測量儀器中。 方案三：鐵氧體芯變壓器適用于高頻小功率電路，主要有通信電路和高頻開關， 綜合以上三種方案，選擇交流220V、50Hz的變壓器，電壓波動范圍±10%。根據壓差需2V以上，我們選取15V和8V的鐵心變壓器。故采用方案一。 1.3.2 整流電路 方案一：采用橋式整流電路，脈動性直流電頻率100hz，有利于濾波，整流效率高，使用正、負半周交流電；對變壓器要求低，不要求有抽頭，變壓器成本低，由四個二極管構成。具有成本低、使用方便的優點。 方案二：采用全波整流電路，要求電源變壓器的次級線圈設有中心抽頭，變壓器成本高，兩個二極管構成。使用麻煩且成本較高。 綜合以上兩種方案，橋式整流電路的低成本和高性能的優點，能夠滿足本電路的整流功能。故采用方案一。 1.3.3 濾波電路 方案一：電感濾波電路，屬于電流濾波，輸出電壓低；適用于大電流負載，體積大，成本高。 方案二：電容濾波電路，屬于電壓濾波，輸出電壓高；適用于小電流負載，電流越小濾波效果越好，外特性較軟，電路簡單、體積小、成本低。 綜合以上兩種方案，因為電容濾波的電路簡單，輸出電壓高，濾波效果好及低成本等優點。故采用方案二。 1.3.4 穩壓電路 方案一：采用三端穩壓集成電路LM7805輸出5V/1A和LM317輸出9~12V/1A。用三端穩壓IC7805來組成穩壓電源所需的外圍元件極少,輸入電壓7~36V，最大輸出電流1.5A，輸出電壓5V，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。LM317輸出電壓：1.25-37V且范圍可調，壓差高于2~3V，輸出電流：5mA-1.5A，芯片內部具有過熱、過流、短路保護電路。有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優點。 方案二：采用三端穩壓集成電路LM7815作為穩壓電路，不能同時輸出5V/1A和9~12V/1A兩路電壓，且所需外圍元件多，電路復雜，輸入壓差大發熱嚴重。 綜合以上兩種方案，因為電容濾波的電路簡單，輸出電壓高，濾波效果好及低成本等優點。故采用方案一。
第2章 硬件電路設計2.1 變壓電路變壓器的主要參數有：變壓比、額定功率、效率、空載電流、額定功率。電源變壓器Tr的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的 副邊與原邊的功率比為  ，式中η為變壓器的效率。 8V輸出電路采用單相橋式整流電路,由公式知，變壓器二次側電壓的有效值為 U2=Uo/0.9=8/0.9=13.3V 考慮到變壓器二次側繞組及管子上的壓降，其值大約要高出20%，即 13.3 ?1.2=16V 變壓器二次側電流的有效值為 I2=Io/0.9=1/0.9=1.1A 變壓器的變比為 n=220/16=13.75 變壓器的容量為 S=U2I2=16?1.1=17.6V·A 16V輸出電路采用單相橋式整流電路,由公式知，變壓器二次側電壓的有效值為 U2=Uo/0.9=16/0.9=26.6V 考慮到變壓器二次側繞組及管子上的壓降，其值大約要高出20%，即 26.6 ?1.2=32V 變壓器二次側電流的有效值為 I2=Io/0.9=1/0.9=1.1A 變壓器的變比為 n=220/32=6.875 變壓器的容量為 S=U2I2=26.6?1.1=29.26V·A 選擇交流220V、50Hz的變壓器，電壓波動范圍±10%。根據需要，我們選取了電壓容量分別為20 V·A和35V·A的變壓器。一個線圈匝數比為220：20，另一個線圈匝數比為220：8，帶中心抽頭，電路中心抽頭接地。8V為7805的輸入，另一個20V為317的輸入。降壓仿真波形如圖2-1所示。 圖2-1降壓仿真波形圖 2.2 整流電路整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。它是靠二極管的單向導電特性來實現的。 容性負載橋式整流電路如圖2-2所示，它的四個臂是由四只二極管組成的。 整流部分的設計 選取RS307整流橋。 u2為正半周時，a點電位高于b點電位，二極管D1、D3承受正向電壓而導通，D2、D4承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：a→D1→RL→D3→b；u2為負半周時，b點電位高于a點電位，二極管D2、D4承受正向電壓而導通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為：b→D2→RL→D4→a。 流過負載電阻RL的電流平均值為： 流經每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： 每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值，即： 流經每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： ID=0.5IO=0.5?1=0.5A 每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為U2的最大值，即： URM= U2M=  U2= ?13.3=9.5V URM= U2M= U2= ?26.6=19V 整流二極管選擇整流橋堆為2A/100V。原理圖、仿真波形如圖2-2、圖2-3所示。 圖2-2橋式整流電路圖2-3橋式整流電路仿真波形圖 2.3 濾波電路濾波電路通過電容將脈動直流電壓的紋波減小或濾除，輸出直流電壓Ui。一般濾波電容的設計原則是，取其放電時間常數RC是其充電周期的確2～5倍。對于橋式整流電路，濾波電容C的充電周期等于交流周期的一半，濾波電容C的容量應滿足 RLC≥（3~5）T/2，式中RL為負載電阻，根據設計要求，周期T為交流電壓的周期，為0.02S，取在3~5之內的3，則求出電容分別為C=220μF、470μF。 對于穩定輸出5V濾波電容選擇220μF，對于輸出可調電壓前級濾波電容選470μF濾低頻，二級選0.1uf以濾高頻。原理圖如圖2-4所示。 電容器耐壓值必須超過脈動電壓峰值，因此要選在變壓器次級電壓 U2的 倍以上。另外，還要考慮輸入電壓的變化范圍，必須按最高輸入電壓計算。這里還應該明確一點，通常所說的變壓器次級電壓U2是指額定值時的電壓。如果電流減小或空載時，U2將會升高。這是因為繞線電阻的電壓降減小的緣故，這個因素也應該考慮進去。選取的電容考慮到整流后的電壓和輸出電壓耐壓值要達到20V（5V輸出）和40V（9~12V輸出）。這里還有另外一個原因，經過變壓后的電壓想要到達能夠輸出穩定電壓的目的，理論上是14V和27V左右，但考慮到經萬用表測量時的考慮是在濾波前的電壓，是U* ，大約為20V和40V。電容濾波電路及波形如圖2-5所示。 圖2-4 濾波電路原理圖圖2-5電容濾波電路及波形 2.4 過流保護電路由過流取樣電阻  和延時電路（由  、  組成），晶閘管（SCR）及電子開關電路組成截止式過流保護電路。當穩壓器輸出電流超過額定值的50%，即1.5A時，使過流取樣電阻  上的電壓降能使晶閘管觸發導通，從而使晶閘管  降至0.8~1.0V，經電阻  和  分壓后使三極管的  降至0.2V以下，即低于硅管的死區電壓（0.5V），使三極管  、  同時截止而切斷穩壓電路，從而起到過流保護的作用。 當電源進入保護狀態后，只要按一下復位按鈕AN后,晶閘管SCR又截止,電源重新恢復正常輸出；也可以重新開啟電源而恢復正常輸出。原理圖如圖2-6所示。 圖2-6基于晶閘管的截止型過流保護電路原理圖 2.5穩壓電路 穩壓電路的作用就是穩定輸出電壓。穩壓器把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。它利用調節流過穩壓管自身的電流大小（端電壓基本不變）來滿足負載電流的變化，并與限流電阻配合將電流的變化轉換成電壓的變化，以適應電網電壓的波動。電網電壓不變時，負載電流的變化范圍就是穩壓管電流的調節范圍。負載不變時，要保證管子的功耗不超過允許的最大管耗。 78XX系列串聯型線性固定電壓輸出集成穩壓器正電壓輸出，LM317輸出電壓可調。根據實驗要求采用三端穩壓器LM7805輸出5V直流電壓，LM317輸出9~12V可調電壓。因LM317的輸出端與調整之間的電壓恒定為1.25V，所以取樣電阻  接在輸出端與調整之間，產生取樣電流5.2mA，通過取樣電阻  和  產生降壓，而  ，合理選擇  和  的阻值分別為1.46KΩ、570Ω即可輸出9~12V可調電壓。原理圖如圖2-7所示。 圖2-7穩壓電路原理圖 5V輸出，9~12V可調電壓輸出原理圖分別如圖2-8、圖2-9所示，兩路穩壓輸出仿真圖如圖2-10、2-11所示。 圖2-8LM7805輸出5V電路 圖2-9 LM317輸出9~12V電路 圖2-10LM7805輸出固定5V仿真測試圖
圖2-11 LM317輸出9~12V仿真測試圖
第3章 原理圖繪制及PCB設計穩壓電源一種典型的模擬電路，由降壓電路、整流濾波電路、過流保護電路和可調穩壓電路構成，其中包含三端穩壓集成電路和外圍器件，繪制原理圖時一般的步驟如下： （1）新建工程； （2）新建原理圖文件（schematic）； （3）在新建的原理圖文件里面查找所需元器件，在圖紙上放置好電路設計需要的各種元件并對它們的屬性進行設置； （4）放置繪制原理圖所需要的線，電源端口等； （5）選擇放置“線”，用鼠標左鍵點擊器件一端，然后拖動鼠標左鍵連接到另一個器件一端，就可以把兩個器件聯系到一起。最后就完成繪制。 線性穩壓電源的原理圖如圖3-1所示。 圖3-1線性穩壓電源原理圖 原理圖繪制完成后，可以按以下步驟繪制PCB圖： （1）根據原理圖生成報表，導入到PCB文件中。 （2）設置線寬為15mil~30，選用20mil布線，設置焊盤尺寸為：80mil*80mil（x*y），孔徑為30~40mil，這里選用35mil。安全間距為默認的10mil。 （3）設置PCB板的布局（這是很重要的一步，一定要很仔細）。 （4）在底層布線（這次布線主要是布一些較短的線）。 （5）在頂層布線（這次主要是補一些較長的線）。 （6）根據之前的布局，定義PCB板的大小。 （7）附上銅層（選用網格形式）。 線性穩壓電源電路的PCB圖如圖3-2所示。 圖3-2 線性穩壓電源電路PCB圖 第4章 硬件實物焊接調試4.1 線性穩壓電路的裝配與焊接 1、裝配焊接要點： （1）元器件在整個板面的排列要均勻、整齊、緊湊。單元電路之間的引線應盡可能短，引出線的數目盡可能少。 （2）元器件不要占滿整個板面，注意板的四周要留有一定的空間。位于印制板邊緣的器件，距離板的邊緣應該大于2 mm。 （3）每個元器件的引腳要單獨占一個焊盤，不允許引腳相碰。 （4）對于通孔安裝，無論單面板還是雙面板，元器件一般只能布設在板的元件面上，不能布設在焊接面。 （5）相鄰的兩個元件之間，要保持一定的間距，不免元件之間的碰接。 （6）元器件的布設不得立體交叉和重疊上下交叉，避免元器件外殼相碰。 拿到萬能板后，就可以進行焊接、裝配與調試工作。 2、元器件的檢查與整形 （1）檢查元件型號、數量是否與清單一致。 （2）對主要元器件（如變壓器、整流二極管、濾波電容、LM7805等）進行參數測定。 （3）按照電路圖在萬能板上合理布局元件；使用工具對相關元件進行整形。 3、焊接 ?焊接要按照從低到高的順序，依次進行。焊點要有光滑整齊的外觀，足夠的機械強度以及可靠的電氣連接。 4、裝配 ? 注意： （1）三端穩壓器的輸入、輸出和公共端一定要識別清楚，特別是公共端不能開路，若開路很可能導致負載損壞。 （2）整流二極管的引腳極性不能接反，否則將損壞元器件。 5、調試 （1）檢查電源插頭是否短路。 ? （2）各輸出對地是否短路。 若上述兩步均可通過，即可進行通電檢查。逐級測量各點參數是否符合設計要求。   固定5V輸出實物圖正反面如圖4-1、圖4-2所示。9~12V可調輸出實物如圖4-3、圖4-4所示。 圖4-1 5V電路板反面圖4-2 5V電路板正面 圖4-39~12V電路板反面圖4-49~12V電路板正面 4.2 線性穩壓電路的調試、運行、測試 4.2.1 5V輸出各項性能指標測試 （1）穩壓系數S（電壓調整率）的測量 穩壓系數定義為：當負載保持不變時輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量之比， 即： ，RL=常數。 取RL＝100Ω，按表4-1改變整流電路輸入電壓 (模擬電網電壓波動)，分別測出相應的穩壓器輸入電壓 及輸出直流電壓 ，記入表4-1。 表4-1 穩壓系數測量表 | |  （V）
| （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S 0.5% | | | |
（2）電源內阻Ro的測量 電源內阻 Ro定義為：當輸入電壓 (穩壓電路輸入)保持不變，由于負載變化而引起的輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比，即  =常數取 ＝9V，改變負載 RL，使 RL為5KΩ和100Ω，測量相應的  、 值，記入表4-2。 表4-2 電源內阻測量表
（3）測量電源的紋波系數： 紋波系數是指直流穩壓電源的直流輸出電壓U上所疊加的交流分量的總有效值與直流分量的比值。 測量方法：先用直流電壓表測量出直流電壓 ，再用交流毫伏表（或其他儀器）測出紋波電壓Δ 。則紋波系數Υ為：Υ=Δ / 。紋波系數測量如表4-3所示。紋波仿真波形如圖4-5所示。 表4-3紋波系數測量表 | Δ | | | | | | |
圖4-5紋波測試仿真波形 5V固定輸出波形如圖4-6所示。 圖4-6固定5V輸出波形 4.2.2 9~12V輸出各項性能指標測試 （1）穩壓系數S（電壓調整率）的測量 穩壓系數定義為：當負載保持不變時輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量之比， 即: ，RL=常數。 取RL＝1000Ω，按表4-4改變整流電路輸入電壓 (模擬電網電壓波動)，分別測出相應的穩壓器輸入電壓及輸出直流電壓，記入表4-4。 表4-4穩壓系數測量表 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
（2）電源內阻Ro的測量 電源內阻 Ro定義為：當輸入電壓 (穩壓電路輸入)保持不變，由于負載變化而引起的輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比，即 =常數 取 ＝20V，改變負載 RL，使 RL為1KΩ和1000KΩ，測量相應的 、 值，記入表4-5。 表4-5電源內阻測量表
（3）測量電源的紋波系數： 紋波系數是指直流穩壓電源的直流輸出電壓U上所疊加的交流分量的總有效值與直流分量的比值。 測量方法：先用直流電壓表測量出直流電壓 ，再用交流毫伏表（或其他儀器）測出紋波電壓Δ 。則紋波系數Υ為：Υ=Δ / 。紋波系數測量如表4-3所示。紋波仿真波形如圖4-6所示。 表4-6紋波系數測量表 | Δ | | | | |
圖4-7紋波測試仿真波形 9~12V輸出可調電壓如圖4-8所示。 圖4-8 9~12V可調輸出測試 4.3 實物調試問題分析與解決 （1）由于負載接錯地方，導致接上電源后，出現有負載被燒壞。于是檢查電路原理圖，發現了這個錯誤。所以就將此負載重新焊接。電路將能正常工作。 （2）當調試幾次后，焊接不嚴密導致虛焊，發生斷路現象，導致無電壓輸出，無顯示。后經檢查電路發現錯誤并改正，電壓表（示波器）顯示部分顯示正常。 （3）由于滑動變阻器有問題，導致無論如何都調不出5歐的電阻，最后換了一個滑動變阻器，就解決了這個問題。 （4）三端集成穩壓芯片LM7805發熱嚴重，增加散熱片及快速測量減少通電時間。 總 結線性直流穩壓電源在日常生活中的應用是非常廣泛的，其性能的穩定性是保證設備正常運行的重要前提，所以設計出高性能、高指標的穩壓電源具有重要意義。 本次主要設計線性穩壓電源的降壓模塊、整流濾波電路、穩壓電路、過流保護電路，測試輸出電壓、輸出電流、穩定系數、紋波電壓、電源內阻等參數，技術指標達到設計要求有輸出電壓兩路分別為固定5V/1A，9~12V/1A，穩定系數 <0.5%，紋波電壓 <5mV，電源內阻： <0.15Ω。沒到到要求的有：過流保護電路的靈敏度有待提高，達到一定電流不能立馬動作。 在電路圖的設計過程當中，各個部分器件及其參數的選擇都需要認真思考選擇，并需要熟練掌握選用器件的管腳分配等。元器件參數的選擇也經歷了由不合適到合適的過程。同時因為需要在multisim軟件中繪制電路圖并進行仿真，所以需要對該軟件非常熟悉以節省時間。硬件的制作按照流程來操作難度并不是很大，在安裝焊接電路這一方面花費的時間并不多。在調試過程中也遇到了種種困難，比如輸出電壓不穩定，輸出電流過小，芯片散熱效果不好……通過仿真優化電路，減小負載大小，增加散熱片以及在通風處測試，這些問題也都被一一克服。而正是從這些錯誤當中我獲得了真理；不斷改錯，則不斷領悟，不斷獲取。 主要完成工作： （1）系統硬件設計包括降壓電路、整流濾波電路、穩壓電路、過流保護電路組成的線性穩壓電源電路。合理選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩壓芯片設計直流穩壓電源。 （2）系統軟件設計由查閱相關電源類文獻，在multisim畫出電路圖，進行仿真驗證及調試，然后在altium designer新建一個包含原理圖和PCB的工程，畫出原理圖并導入到PCB兩部分組成。 （3）完成系統的焊接、組裝、調試、測量。掌握直流穩壓電路的調試及主要技術指標的測試方法，系統的轉換效率、散熱、提高效率及長期工作安全性和可靠性等諸因素的考慮 本次設計尚有幾處地方需要完善： - 芯片散熱效果不好導致輸出電流小。
- 過流保護電路的靈敏度有待提高。
附錄附錄1、元器件清單 附表1-1 元器件清單
 附錄2、實物照片 附圖2-1 5V電路板反面 附圖2-2 5V電路板正面 附圖2-39~12V電路板反面附圖2-4 9~12V電路板正面
附錄3、仿真電路圖 附圖3-1 5V固定輸出仿真圖
附圖3-2 9~12V可調輸出仿真圖 附錄4、仿真測試 附圖4-15V輸出電壓及紋波電壓仿真
附圖4-2 9~12V可調電壓輸出及紋波電壓仿真
附表4-1穩壓系數仿真測試 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
附表4-2電源內阻仿真測試
附錄5、實物測試 附圖5-1 5V穩定輸出測試 附圖5-2 9~12V可調輸出測試 附表5-1 穩壓系數實物測試 | | （V） | （V） | （V） | ΔUi | ΔUo | S | 要求 | 符合要求 | | | | | | | S0.5% | | | |
附表5-2 電源內阻實物測試
附錄6、原理圖和PCB 附圖5-1線性穩壓電源電路總原理圖
附圖5-2線性穩壓電源電路PCB
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