项目2 可调式单电源直流稳压电路设计
直流稳压电源在现代人的工作、科研、生活、学习中扮演着极为重要的角色。本项目所介绍的可调式单电源直流稳压电路在固定式单电源直流稳压电路的基础上，具有电压可控、电压稳定度高等特点，其输出电压精确可测，可用于对电源精度要求比较高的设备或科研实验。
设计任务
设计一个可调的直流稳压电源，将市电转变为直流稳压+5V。
基本要求
能够提供可调的0～+5V直流稳压电源。
具有过流及短路保护功能。
系统组成
可调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，将其变为所需要的交流电压，以满足+5V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2-1所示。
图2-1 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2-2所示。整流电路输出端（out1端）输出波形，仿真结果如图2-3所示。
图2-2 整流电路原理图
图2-3 整流电路输出仿真结果
交流电压设定如图2-4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。
图2-4 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=1000μF用于电源滤波，其后并入电解电容C2=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=4.7μF用于减小电压纹波，而并入陶瓷电容C7=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）。滤波电路原理图如图2-5所示。
图2-5 滤波电路原理图
为了验证滤波电路的效果，以前端滤波电路（见图2-6）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2-7所示。
图2-6 前端滤波电路
图2-7 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C1改为100μF，输入信号依然为15V、50Hz的交流信号，如图2-8所示。利用软件图表功能仿真out1端输出波形，调节C1后的滤波电路输出仿真结果如图2-9所示。
图2-8 调节C1后的滤波电路
图2-9 调节C1后的滤波电路输出仿真结果
如图2-9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LM317T（输出电流为1.5A，输出电压可在1.25~37V之间连续调节），其输出电压由两个外接电阻R2、RV1决定，输出端和调整端之间的电压差为1.25V。在输出端同时并入二极管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。
电源信号由out1端输入至三端稳压器，利用RV1控制输出电压的大小，调节RV1电位器至位置1（2%）处，此时输出电压为2.12V，负载LED不点亮，电路仿真图如图2-10 所示。
图2-10 RV1处于位置1时的稳压电路仿真图
三端稳压器最易在输出脚（图2-10中2脚）电压高于输入脚（图2-10中3脚）电压时形成击穿而损坏，因此一般像图2-10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2脚电压会高于输入3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1脚电压进行泄放，使2脚到3脚电压限幅为0.7V，可有效保护三端稳压器不被反向击穿。
用示波器监视 RV1处于位置1时稳压电路空载输出端out2，结果如图2-11所示。
调节RV1，使其到达位置2（16%），则稳压电路输出端out2电压也会增大。此时输出电压约为6.37V，负载LED被点亮，如图2-12所示。
用示波器监视高挡位稳压电路输出，结果如图2-13所示。
图2-11 RV1处于位置1时的稳压电路空载输出显示
图2-12 RV1处于位置2时的稳压电路仿真图
图2-13 RV1处于位置2时的稳压电路空载输出显示
在三端稳压器输出端out2处接入2kΩ电阻与LED负载进行稳压测试，如图2-14所示。
图2-14 稳压电路负载输出仿真图（一）
加入2kΩ电阻与LED负载后，由三端稳压器输出的直流电压大小为6.37V，并可将LED点亮。用示波器监视稳压电路输出，结果如图2-15所示。
图2-15 稳压电路负载输出显示（一）
随后在三端稳压器输出端out2处加入5kΩ电阻与LED负载进行测试，如图2-16所示。
图2-16 稳压电路负载输出仿真图（二）
加入5kΩ电阻与LED负载后，由三端稳压器输出的直流电压大小为6.37V，并可将LED点亮。用示波器监视稳压电路当前输出，结果如图2-17所示。
图2-17 稳压电路负载输出显示（二）
综上所述，本项目所设计的可调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可调的直流电压。
可调式单电源直流稳压电路整体电路原理图如图2-18所示。
图2-18 可调式单电源直流稳压电路整体电路原理图
经过对电路板进行实际测试，输入15V交流电压，输出在1.48~14.84V之间可调，基本符合设计要求。
PCB版图
PCB版图如图2-19所示。
图2-19 PCB版图
实物测试
可调式单电源直流稳压电路实物图如图2-20所示，可调式单电源直流稳压电路测试图如图2-21所示。
图2-20 可调式单电源直流稳压电路实物图
图2-21 可调式单电源直流稳压电路测试图
思考与练习
（1） 在设计可调稳压电源电路时，如何实现电路可调功能?
答：使用电位器控制LM317T的1脚电压，从而控制LM317T的直流电压输出值，实现电路的可调功能。
（2） 电源电路中对输入电压有何要求?
答：为了使LM317T能够正常工作，输入电压必须保证为30V。
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。