项目3 固定式双电源直流稳压电路设计
日常生活中恒压源很常见，蓄电池、干电池是直流恒压电源，而220V交流电则可认为是一种交流恒压电源，因为它们的输出电压是基本不变的，是不随输出电流的大小而大幅变化的。本项目所介绍的固定式双电源直流稳压电路，可将交流电源转变为要求的直流电源，具有操作方便、电压稳定度高等特点，其输出电压精确可测。
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±15V。
基本要求
能够提供稳定的±15V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
固定式双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，将其变为所需要的交流电压，以满足±15V电源输出的需要。
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3-1所示。
图3-1 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3-2所示。整流电路输出用示波器监视，仿真结果如图3-3所示。
图3-2 整流电路原理图
图3-3 整流电路输出仿真结果
交流电压设定如图3-4所示，为了模仿市电经降压后的输入电压，将电压输入设置为50V，频率设置为50Hz。
图3-4 交流电压设定
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UO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C1=C3=1000μF用于电源滤波，其后并入电解电容C2=C4=4.7μF用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容C5=C6=4.7μF用于减小电压纹波，而并入陶瓷电容C7=C8=100nF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3-5所示。
图3-5 滤波电路
为了验证滤波电路的效果，以前端滤波电路（见图3-6）为例进行分析。
前端滤波电路输出用示波器监视，仿真结果如图3-7所示。
图3-6 前端滤波电路
图3-7 前端滤波电路输出仿真结果
若将C1调节为100μF，如图3-8所示，则会导致电路输出端out1与out2输出电压大小不等。在滤波电路输出端out1与out2处加入探针，用图表显示其输出仿真结果，如图3-9所示。
图3-8 调节C1后的滤波电路
图3-9 调节C1后滤波电路输出仿真结果
如图3-9所示，滤波电路中电容的大小除影响电路的滤波效果外，还影响电桥的整流输出。若上下电路滤波效果不同，则不会输出大小相等的直流电压有效值，即不会输出大小相等的直流正负电压。
可见滤波电路在出现干扰时能够保证电路的稳定工作，从而输出稳定的电压，这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7815、7915，在输出端同时并入二极管D5、D6（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。输出端out3、out4分别可输出+15V与-15V电压，并驱动LED发光，稳压电路空载输出仿真图如图3-10所示。
图3-10 稳压电路空载输出仿真图
用图表功能记录稳压电路空载输出，如图3-11所示。
如图3-11所示，三端稳压器7815、7915可输出稳定的±15V直流电压。
图3-11 稳压电路输出仿真结果
注意
为了使三端稳压器7815、7915能够正常工作，输入电压必须保证为18V。7815、7915正常工作时输入、输出之间的电压差必须在3V以上。为此，使用7815、7915时输入电压应在18V以上，最大输入电压不超过35V。
在三端稳压器7815、7915输出端out3、out4处接入2kΩ电阻与LED负载进行测试，如图3-12所示。稳压电路输出为两个稳定的±15V电压，如图3-13所示。
图3-12 稳压电路负载输出仿真图（一）
图3-13 稳压电路负载输出显示（一）
在三端稳压器7815、7915输出端out3、out4处接入10kΩ电阻与LED负载进行测试，如图3-14所示。稳压电路输出为两个稳定的±15V电压，如图3-15 所示。
图3-14 稳压电路负载输出仿真图（二）
图3-15 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双电源直流稳压电路能够在负载变化的情况下提供稳定的±15V直流稳压电源，满足设计指标。
固定式双电源直流稳压电路整体电路原理图如图3-16所示。
对电路板进行实际测试，正电压输出为14.84V，负电压输出为-14.77V，设计要求输出双电源±15V电压，实测基本符合设计要求。
图3-16 固定式双电源直流稳压电路整体电路原理图
PCB版图
PCB版图如图3-17所示。
图3-17 PCB版图
实物测试
固定式双电源直流稳压电路实物图如图3-18所示，固定式双电源直流稳压电路测试图如图3-19所示。
图3-18 固定式双电源直流稳压电路实物图
图3-19 固定式双电源直流稳压电路测试图
思考与练习
（1）电源电路中对输入电压有何要求?
答：为了使三端稳压器7815、7915能够正常工作，输入电压必须保证为18V。7815、7915正常工作时输入、输出之间的电压差必须在3V以上。为此，使用7815、7915时输入电压应在18V以上，最大输入电压不超过35V。
（2）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
需在三端稳压器上安装散热器。一般半导体集成电路所能承受的消耗功率与器件尺寸大小成正比。当不加散热器时7815允许功耗约为1.5W。若考虑输出短路的情况，功耗会增至2.1W，为提高三端稳压器的承受能力，长时间供电时需使用散热器。