线性直流稳压电源

实验题目：线性直流稳压电源

课程简要信息

课程名称：模拟电路

课程学时：64

项目学时：6+4

适用专业：电子信息工程

学生年级：二年级第一学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

1. 实验内容设计

(1) 围绕同一主题，设计四个实验项目

围绕同一个学习主题，设计四个不同的实验项目（基于稳压管稳压电源，晶体管串联型直流稳压电源，正负双输出线性直流稳压电源和输出电压可调的直流电源），四个项目即有不同，又循序渐进，融为一体。

(2) 围绕工程实践，实践任务各有侧重

依据项目自身内容，四个项目要求又有不同的工程实践侧重（参数设计，理论分析，布局连线，PCB设计），结合学生特长与兴趣，培养学生不同方面的实践能力。

(3) 完整理论体系（循序渐进，相互补充）

在实践指导过程和项目成果分享的过程中，共享四个项目的设计理念，建立直流稳压电源的设计和理论体系。

2）项目需完成的任务

模拟电路的直流电源，主要讲解线性电源的变压、整流、滤波和稳压四个部分，但我们更常设计的是稳压电路部分，设计能够抵抗电网电压和负载变化影响，满足电压和负载要求的稳压电路，因此项目实验着重于直流稳压部分。

(1)基于稳压管的直流稳压电源（参数设计）

由限流电阻和稳压管构成的线性直流稳压电源，为最简单的线性直流稳压电源，

但输出电压受稳压管稳压值所限，带载能力受稳压管最大最小工作电流所限。项目需要学生通过分析计算确定电路的参数，在洞洞板上完成直流电源的制作。

(2)晶体管串联型直流稳压电源（理论分析）

为了解决项目1的问题，提出改善的项目2的方案，晶体管串联型直流稳压电

源，因其具有能够输出大电流和输出电压连续可调，而得到广泛应用。本项目涉及模拟电路中的晶体管电流放大，负反馈控制等理论知识，项目需要学生掌握晶体管串联型直流稳压电源的工作原理，识别元器件，并现成的PCB板上完成组装焊接测试。

(3)正负电压输出的直流稳压电源（布局连线焊接）

随着集成稳压芯片的出现，利用集成稳压芯片搭建集成线性稳压电源成为新趋势，利用集成稳压芯片设计正负电压输出的直流稳压电源，识别元器件管脚，在洞洞板上进行布局连线，焊接测试。

(4)输出电压可调的直流电源（PCB设计制板）

随着我们对直流电源输出电压需求的多样性，利用可调直流稳压芯片制作项目4。同时为了改善线性集成稳压芯片的损耗，引入了低压差线性稳压器（LDO）。项目需要学生利用软件设计工具设计电路PCB，并联系制作PCB板，在PCB板上焊接调试。

实验过程及要求（限300字）

1. 依据自身学情，自由组队，申领实验项目任务

学生结合自身兴趣特长，学习调研，依据4个项目的实践任务不同侧重点，

4人1组自由组队，申领任务。

1）项目1：基于稳压管的直流稳压电源：任务侧重电路参数设计。

2）项目2：晶体管串联型直流稳压电源：任务侧重电路原理分析。

3）项目3：正负电压双输出的直流稳压电源：任务侧重器件布局连线焊接。

4）项目4：输出电压可调的直流稳压电源：任务侧重PCB设计及PCBA制作。

图1 任务申领，报名组队

2）项目任务：

4人1组，并选1名组长，组内研究讨论做好实践任务分配，学习EDA工具,先设计仿真，再进行组装焊接制作测试，掌握各项目实现方案工作原理，熟悉工作仪器使用。

1. 项目1：理解稳压管稳压电路的工作原理，依据项目指标结合器件手册，进

行逆序设计，计算器件参数，通过仿真验证优化，器件选型，在洞洞板上布局连线

焊接制作测试。

2. 项目2：通过仿真软件设计仿真验证测试，通过理解电压负反馈控制理论和

晶体管电流放大作用，掌握晶体管串联型稳压电路的组成及工作原理，在已有的PCB

板上进行焊接测试。

3. 项目3：研读器件手册，学会识别线性集成稳压芯片管脚，掌握集成稳压电

源芯片的应用及双电源输出的连接方式，并理解输入输出电容的作用。在洞洞板上

依据原理图进行器件布局和连线焊接制作。

4）项目4：设计仿真验证，器件选型，研读器件手册，学习Altium Designer，依据电路的原理图和PCB设计方法，设计PCB并制板，组装焊接测试。

3) 项目总结分享：

撰写项目设计总结报告，并通过分组成果汇报的方式，进行总结和分享，学习

讨论不同直流电源稳压电路的不同解决方案，构建完整线性直流稳压理论体系。

相关知识及背景（限150字）

1. 直流电源应用场景广泛，直流电源为模拟电路的技术应用，适合在实验实践中学习完成。直流电源知识内容包含稳压管稳压，晶体管电流放大，集成电路，和电压负反馈及深度负反馈等理论知识。

2. 课程理论主要讲授变压整流和滤波，稳压部分通过实验实验实践学习理解掌握，实验设计实践四种主流线性直流稳压电源，实践项目培养学生电子电路设计调试能力，四个实践任务各有不同侧重，又循序渐进，不断深入，融为一体。

3）项目设计能够更刻理解线性直流电源及其技术内涵，掌握线性直流电源的工作原理和工程设计实践，学习电子项目设计，并且有利于进一步学习开关电源设计。

实验环境条件

1）实验仪器设备：万用表、示波器、焊接套装、基本电子元器件

2）设计软件工具：NI Multisim 、Altium Designer

教学目标与目的（限150字）

《模拟电路》课程的教学目标是掌握模拟电子技术必要的基本理论、基本知识、基本分析方法和基本技能，能够对各种功能电路的工作原理做定性分析，具有性能指标的工程计算能力，初步具有模拟电子项目的设计实践能力。

本实验利用所学理论知识设计并制造一款线性直流稳压电源，在设计实践过程中，经历电路设计仿真、参数计算优化，元器件选型、PCB制作，焊接组装调试和测试，让学生了解完整的工程项目实践过程，学习基础的模拟电路设计，并且通过不同项目的实现方案及其各自项目优缺点，理解针对不同的性能需求有不同性价比的实现方案。培养学生的工程实践创新能力，同时锻炼学生文档撰写能力和团结协作的职业素养。

教学设计与实施进程

本实验的每个项目都是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、仿真设计、参数优化、PCBA制作、调试测试、设计总结等过程。通过实验实践过程，理解掌握稳压电路的反馈调整，使其输出在电网电压波动和负载电流变化时保持稳定输出的原理。教学设计采用五星教学法：理解任务，聚焦问题；分析方案，激活旧知；设计仿真，示证新知；制作测试，应用新知；成果分享，融汇贯通。

1）项目准备

（1）教师讲解四个实验项目，并阐述其联系与不同。

（2）具体讲解每个项目的主要实践工作和任务要求。

（3）项目实施进度，项目成果物和项目报告的要求。

2）学习研究

（1）掌握每种线性直流稳压电源实现方案及工作原理。

（2）理解稳压管稳压，晶体管电流放大，集成电路，电压负反馈原理及应用。

3. 学习读懂器件手册，学习仿真软件Multisim和PCB设计软件Altium Designer。

3）项目实践

1. 研读教材文献和核心器件的Datasheet来进行电路的设计和参数选择。

2. 应用现代工具进行电路设计仿真理解电路和参数优化，进行PCB设计。

3. 焊接，制作PCBA，调试测试满足指标要求，并掌握仪器设备的使用方法。

4. 总结共享，学习分享不同线性直流稳压源的不同解决方案及其优缺点。

4）实验项目实施过程

（1）项目1：稳压管稳压直流电源仿真实践成果

依据项目技术指标、结合器件手册，计算器件参数，设计仿真验证优化，

器件选型，在洞洞板上布局连线，焊接测试。

图2 稳压管稳压电路原理仿真 图3 稳压管稳压电路成果物

教师统一指导：

1. 熟悉仿真软件，看稳压管手册，逆序设计，依据负载和输入电压和输

出电压计算限流电阻大小。

2）电阻不仅有阻值，还有功率封装，了解不同封装电阻功率大小。

（2）项目2：晶体管串联型直流稳压电源仿真实践成果

依据项目技术指标、结合器件手册，计算器件参数，设计仿真验证优化，

器件选型，在洞洞板上布局连线，焊接测试。

图4 晶体管串联型稳压电路原理仿真 图5晶体管串联型稳压电路成果物

教师统一指导：

1. 原理图是电路的表达，在正确的基础上需美观规范，让仿真软件成

为设计验证分析电路得力助手。

2. 识别元器件，区分器件极性，研读器件手册，识别器件管脚，组装

焊接测试。

（3）项目3：正负电压输出的直流稳压电源实践成果

研读器件手册，理解实现方案，学会识别线性集成稳压芯片管脚，

依据原理图进行元器件布局和连线焊接，测试并理解稳压电源性能指标。

做事的失误中学习：硬件电路设计，上电前要自己检查，小心谨慎，并能

正确看待失误或失败。首次焊接，着急上电，连线错误，烧了！！

图6 正面布局 图7反面焊接

二次焊接，质量有了很明显的改善，赞！

图8 反面（焊接面） 图9正面（器件布局面）

教师统一指导：

讲解稳压电源性能指标；讲解三端集成稳压芯片损耗，建议加装散热片。

讲解电解电容(有极性大容值电容)和瓷片电容(无极性小容值电容）的作用。

（4）项目4：输出电压可调的直流稳压电源

研读低压差线性稳压（LDO）稳压芯片数据手册，设计输出电压可调的直流

稳压电源，并理解LDO的意义。

图10 输出电压可调的直流稳压电源仿真

图11 电源PCB图 图12 电源 PCB（3D）图

图13 电源成果物（正面） 图14 电源成果物（侧面）

图15 万用表测试值 图16 示波器测试波形

教师统一指导：

研读LDO芯片数据手册，理解反馈电路，制作电源，并理解推出LDO的意义。

电源属于功率传输产品，PCB设计注意线宽线距。

5）项目总结

（1）为了让学生学习技术文档的写作和提升实验报告质量，学生总结项目设计实施过程，撰写实验项目报告，学生提交的项目报告，教师批阅后返回给学生进行修改，修改后提交给老师再进行评阅给定成绩。

（2）项目组进行汇报，讲解各自的项目实践成果，理解不同线性直流稳压电源解决方案，4个实践项目，既有不同侧重，又循序渐进，构建完整线性直流稳压电源知识体系。项目组共享项目设计实践成果，交流讨论，彼此学习提升，教师点评。

图17 第2组分享 图18 第4组分享

6. 持续改进：

调查问卷: 实践项目结束后，让学生填写调查问卷，听取学生反馈意见，结

合项目实施情况，改进教学设计。

7. 拓展提升：开关电源

四个实验项目特性总结，让学生理解：实验四个项目是如何在模电理论的指导下

不断发展完善，掌握不同稳压电源实现方案。

线性电源纹波较低，但低效率，体积重量大，开关电源效率高，但纹波较大。

（1）开关电源的道：提高功率密度和效率

功率密度（单位体积内传输或者变换功率）和高效率，即提高传输功率和效率，降低体积和重量，降低损耗。

① 提高工作频率

高频：提高频率的目的，减少能量包的大小，从而减少用来存储和传输能量元件的体积和重量

② 开关工作模式

组成功率变换器只能用无损耗的元器件和用开关方式工作的功率元件，以此来降

低损耗，提升效率。

2. 三种基本电路

开关电源，依据电感的连接位置不同，有且只有三种基本拓扑结构：

Buck电路：Buck电路降压电路DC/DC变换中有广泛的应用。

BOOST电路：功率因数校正（PFC）中大放异彩。

Buck_Boost电路：基于其拓扑结构的隔离电路（Flyback)反激变换器在中小功率电源备受青睐。

图19 Buck电路 图20 BOOST电路 图21 Buck_Boost电路

8. 除了实践成果以外，希望学到什么？（课程思政，盐溶于水）

（1）在权衡中，做出自己的选择，在整体分配中能做出自己的礼让。

（2）在合作中，做出自己的贡献，在协作中向他人学习和帮助他人。

（3）在实践中，正确看待失误和烧板问题，并能在错误中学习进步。

（4）注重纸质阅读，相对视频更主动高效，学习前沿科技主要方式。

（5）学习研读核心器件的规格书（英文），会有效的指导项目设计。

（6）初学者，让仿真软件成为电路设计验证和分析电路的得力助手。

（7）精益求精，不断探索，对技术实践充满好奇，技术是力量是魅力！

实验原理及方案

1. 基于稳压管的直流稳压电源

大多数电子设备的直流电源是由电网电压转换而来的，直流稳压电源是能量的控制和转换电路，电路的输入一般为市电（220V/50Hz），输出为稳定的直流电压，通常由能利用的交流电，变为所需要的交流电的电源变压器变压电路，将变压器副边输出的交流电压变换成脉动的直流电压的整流电路，利用电容滤波电路将脉动电压中交流成分滤掉，输出较平滑的直流电压的滤波电路，通过稳压电路的稳压管的自动调整原理，使在电网电压波动和负载电流变化时保持输出电压稳定的稳压电路构成。

图22 基于稳压管稳压的直流电源

2. 晶体管串联型直流稳压电源（最简单的方案，需要在此基础上丰富扩展）

稳压管稳压电路不适用于负载电流较大且输出电压可调的场合，但是在它的基础上利用晶体管的电流放大作用就可获得较强的带负载能力，引入电压负反馈就可以使输出电压稳定，采用放大倍数可调的放大环节就可使得输出电压可调。

图23 晶体管串联型直流稳压电源

3. 正负电压双输出的直流电源（基于三端稳压集成电路）

随着半导体集成技术的发展，集成稳压器应运而生，最简单的集成稳压电路只有三端，分别是输入端，接地端和输出端，简称三端稳压器。常见的三端稳压器有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列，因其所需外围元件少，使用灵活，价格低廉等优点而获得广发应用。

图24 正负电压输出的直流电源

4. 输出电压可调的直流电源（基于可调LDO）

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路

的最简单形式，而且兼有低压差和具备输出电压可调的特点，只需两个外部电阻器即可设置输出电压，此稳压器稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1），

非常易于使用。但需要注意R1和R2并不是随意设定的，要保证最小工作电流。

图25 输出电压可调的直流电源

5）开关电源

开关电源减小体积重量的原理：从输入源连续地获取能量，用无损的开关管把能量截成一个一个能量包，然后通过储能元件（电容和电感）进行传输。从观测者的角度看，可以看到一个连续的输入和一个类似的连续输出（高频下），但在中间阶段，是把连续的输入截断成更容易处理的能量包来完成这种输入输出。提高频率的目的，减少能量包的大小，从而减少用来存储和传输能量元件的尺寸。

开关电源效率高的原因其一：在于其使用了开关管，工作在导通和截至状态，而不是放大状态。其二：是电容和电感的有效共同使用。电感和电容被归类为电抗元件，因其具有独特的储能作用，而阻性元件会消耗能量而不是储存能量。

开关电源输出输入电压关系：电感之伏秒平衡原则，平衡状态下的伏秒平衡，可推出输入输出电压制约关系，其是感性走向理性之路。

实验报告要求

实验报告是深入理解，总结，反思，凝练和提高的过程。实验报告分项目方案、设计仿真、项目成果、创新与收获，项目展望进行论述，论述完整，逻辑条理清晰，格式规范，需要反映以下工作：

1. 学习研究

2. 实现方案论证

3. 电路设计仿真

4. 参数优化与器件选择

5. 电路制作与焊接

6. 电路调试与测试过程

7. 实验结果总结

图26 实验报告截图（一） 图27 实验报告截图（二）

考核要求与方法（限300字）

项目实践考核由设计仿真+项目实践+总结分享三部分构成，需提供项目设计仿

真源文件和项目实施过程及成果物完成质量与项目总结分享文档及其情况进行考核。

1）实验设计：电路方案的合理性，电路设计仿真的正确性，器件参数选择是否合适，仿真结果是否正确。

2）实验质量：器件布局，线路连接，PCB制作，焊接质量，调试测试方法是否正

确。实验项目完成进度，功能与性能指标完成程度，成果物是否精巧等总体质量。

3）总结分享：实验报告内容是否完整丰富，报告格式规范性与完整性，实践成果分享总结是否到位。

实验成绩：项目成绩×结合个人实践工作及贡献值(教师评价50%+组内自评50%)进行评定。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1. 四个实践任务各有不同，又循序渐进，融为一体

四个实验项目，从稳压管稳压开始，循序渐进过渡到串联型稳压电路，基于集成稳压芯片的稳压电路和低压差线性稳压电路（LDO），四个项目实践，即统一培养学生的电子电路设计和实践能力，每个项目工程实践能力培养又各有侧重，同时四个项目又构成一个完整的知识理论体系。

2）体会模电理论的魅力，又感受模电实践的威力

实验项目涉及稳压管稳压，基本调整管的串联型稳压电路与集成稳压芯片，涉及晶体管放大电路，负反馈控制理论的理解和应用等理论内容。在理论指导下，性能逐渐提高，器件不断发展，体会理论指导设计的魅力，同时感受电路实现电能控制变换的威力,

对技术实践充满好奇，不断探索，相信技术是一种力量！

3）统一的变压整流滤波讲解，不同的稳压电路实践，开关电源拓展

线性直流稳压电源为模拟电路的技术应用，包含变压器变压、整流电路、滤波电路和稳压电路。变压和滤波电路部分进行统一讲解，实验着重研究实践线性直流电源的稳压电路，即设计实现满足输出要求的直流电源控制与变换电路，并做开关电源拓展引导。