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LM317的直流稳压电源课程设计

时间:2014-01-06


1.1
1.2

课题任务
设计一个连续可调直流稳压电源

功能要求说明
① ② ③ ④ 输出电压可调:Uo=+3V~+9V 输出最大电流:Iomax=800mA 输出电压变化量:△U≤5mV 稳压系数:Sv≤0.003

1.3

可调直流稳压电源总体方案介绍及工作原理说明
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

1.3.1 直流稳压电源的设计思路
用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压; ② ③ ④ 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; 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 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

成份滤掉,保留其直流成份; 稳定直流电压输出,供给负载。

1.3.2 直流稳压电源的基本原理
+ U1 - U1

电 源 变压器
U2

+ U2 -

整 电

流 路

+ U3 - U3

滤 电

波 路
UI

+ UI -

稳 电

压 路
UO

+ UO -

图 1.1

直流稳压电源结构图和稳压过程

电源变压器:是降压变压器,它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电 路所需要的交流电压Ui。变压器的变比由变压器的副边按确定,变压器副边与原边 的功率比为P2/P1=η ,式中η 是变压器的效率。 整流电路:利用单向导电元件,将50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电。

滤波电路:可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除。滤波电路滤除 较大的波纹成分,输出波纹较小的直流电压UI。常用的整流滤波电路有全波整流滤 波、桥式整流滤波等。 稳压电路:稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化,会引 起其电流有较大变化这一特点,通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到 稳定输出电压的目的。

1.3.3

直流稳压电源的工作原理
: 1.1

交流电网 220V 的电压经过变压器降压之后,通过整流、滤波、稳压之后才可以 送到负载,设变压器副边电压为 其中 电。在 为有效值。 的正半周内,二极管 D1、D2 导通,D3、D4 截止; 的负半周内,D3、D4

变压之后,利用单向导电元件二极管,把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流 导通,D1、D2 截止。正负半周内部都有电流流过负载电阻 RL,且方向是一致的。如 图 1.2 示。

图 1.2

单相桥式整流电路

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 ( 是变压器副边电压有效值)。单相桥式整流电路波形如图1.3示。

1

图 1.3

单相桥式整流电路波形

整流之后的电流中还含有较多的交流成分。通过滤波电路可滤除整流电路输出 电压中的交流成分,使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波 和复式滤波等。 在整流电路的输出端,即负载电阻 RL 两端并联一个电容量较大的电解电容 C,则 构成了电容滤波电路,如图 1.4 所示电路,由于滤波电容与负载并联,也称为并联 滤波电路。

图 1.4 单相桥式整流电容滤波电路

从图 1.4 可以看出,当 ≈ ; 达峰值后

为正半周时, 电源 ≥

通过导通的二极管 VD1、VD3 向负 =

载 RL 供电, 并同时向电容 C 充电 (将电能存储在电容里, t1~t2) 输出电压 如 , 减小,当

时,VD1、VD3 提前截止,电容 C 通过 RL

放电, 输出电压缓慢下降 (如 t2~t3) 由于放电时间常数较大, , 电容放电速度很慢,
2



下降不多时

已开始下一个上升周期, 当



时, 电源

又通过导通的 VD2、

VD4 向负载 RL 供电,同时再给电容 C 充电(如 t3~t4) ,如此周而复始。电路进入 稳态工作后,负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形,与整流输出的脉 动直流(虚线)相比,滤波后输出的电压较为平滑。 显然,放电时间常数 RLC 越大、输出电压越平滑。若负载开路(RL=∞) ,电容 无放电回路,输出电压将保持为 的峰值不变。 滤波之后的电流还是很不稳定的,直流电压 Ui 受电网电压的波动和负载电流变 化的影响很难保证输出电流电压的稳定。所以必须在滤波电路和负载一直加上稳压 电路,才能保证输出直流电压的进一步稳定。 电路中可以采用稳压管稳压电路,晶体管稳压电路。这里采用集成稳压器稳压。 由于设计要求连续可调,采用三端可调式集成稳压器 LM317。 LM317 共有三端,输入端 、输出端 、调整端 。其内置有过载保护、安全

区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压高得多的纹波 抑制比。可调整输出电压低到 1.2V,保证 1.5A 输出电流,典型线性调整率 0.01%, 80dB 纹波抑制比,输出短路保护,过流、过热保护,调整管安全工作区保护,标准 三极管封装。 LM317 其特性参数: 可调范围为 1.25V-7V 最大输出电流为 1.5A 输入与输出工作压差为 ?U ? Ui ? Uo :3V-40V 输出表达式为: 1.2 其中, U REF 是集成稳压器件的输出电压,为 1.25V。1.25 是集成稳压块输出端 与调整端之间的固有参考电压。改变 R2 的值,Uo 的值即可改变。当 R2 短路时,Uo 最小,为 U REF 即 1.25V;当 R2 大于零时,Uo 都大于 U REF ,最大可达 37V。由此,滤 波后的电流经过稳压器后就可以得到所需要的直流电供给负载了。

2

可调直流稳压电源的仿真分析
3

2.1

直流稳压电源的参数选择
设计方案要求输出电压可调,所以选择三端可调式集成稳压器,可调式集成稳

(1)采用 LM317 可调式三端稳压器构成稳压电源
压器,常见主要有 CW317、CW337、LM317、LM337。可调三端稳压器 LM317,其特性 参数为:Uo=1.2~37V,Iomax=1.5A 最小输入输出电压差(Ui-Uo)min 为 3V,最 大输入输出电压差为(Ui-Uo)max 为 40V,均满足性能指标要求。根据前面的公式 1.2 可得:

取值 R1=240 ? 代入上式可得: R2min=336 ? R2max=1.49K ? 设计方案中 R2 选用一个 330 ? 的电阻 R2 与一个 2 K ? 的电位器 RP 串联组成。 为得到额定的输出电流,设计中在 LM317 上安装散热片进行散热。在 multisim 中采 用的是 LM317H。由于滤波电路中采用了大容量的有极性电容,而大容量电解电容有 一定的绕制电感分布电感,易引起自激振荡,形成高频干扰,所以稳压器的输入、 输出端并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应,抑制高频干扰。稳压部分的电容 选择为 LM317 输入端电容 C=0.1UF,输出端电容 CO=1UF,调整端电容 C3=10UF。 保护用二极管为 IN4007,其反向击穿电为: UBR=1000V 17V 最大整流电流: IF=1A>0.8A (2)选用电源变压器 根据变压器的次级输出功率 P2 来选用变压器,LM317 的输入电压 Ui 的范围为: Uomax+(Ui-Uo)min≤Ui≤Uomin+(Ui-Uo)max 即: 9V+3V≤Ui≤3V+40V 12V≤Ui≤43V 设计方案选用单相桥式整流方式可使得变压器的利用率较高。变压器次级电压 U2 与稳压器输入电压 Ui 的关系为: 2.2
4

2.1

变压器次级电压取值为: U2≧Uimin/1.1 则可得: U2≧12V/1.1=11V I2>Iomax=0.8A 取 I2=1A,变压器次级输出功率为: P2≧I2U2=11W 变压器的效率一般取 η =70℅,则变压器初级功率为: P1≧P2/η =15.7W 为留有余地, 设计方案中选取输出电压为 12V, 功率为 20W 的变压器。 multisim 在 中采用的是 TS-PQ4-20。 (3)单相桥式整流电路 桥式整流电路的特点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电 压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了 充分利用,效率较高。因此,设计方案采用单相桥式整流电路,实物制作中选用的 整流桥堆为:DCW08M。在 multisim 中采用的是 IB4B42。 (4)滤波电容 设计要求中输出最大电流 Iomax=800mA,滤波电容电容量 C 根据负载电流选用, 其经验数据为,负载电流为 0.5~1A 时,电容选用 1000uF。设计方案中选用 2 只电 容 2200uF∕25V 并联,分别为 C1、C2。

2.2 直流稳压电源的仿真结果与调试
2.2.1 设计的直流稳压电源原理图
设计方案采用的的是 multisim 10.0 版本进行的仿真操作,设计的原理图如图 2.1 示。

5

图 2.1

连续可调 3—9V 直流稳压电源

2.2.2 输出电压的仿真调试
电位器 RP1 滑到最小时,Uo=3.005V,仿真图如图 2.2 示。

图 2.2

直流稳压电源最小输出电压

电位器滑到 58%时,即 RP=1160 ? ,Uo=9.142V,仿真图如图 2.3 示。

6

图 2.3

直流稳压电源 9V 电压输出电路

由于市场上没有 1158 ? 的电位器出售,课题设计方案中采用 2K ? 的电位器代 替,最大输出电压可达到 13.523V,设计符合要求,输出电压连续可调。

2.2.3 稳压电源最大输出电流调试
仿真测试电路如下图 2.4 所示。一般情况下,稳压器正常工作时,其输出电流 Io 要小于最大输出电流 Iomax,取 Io=0.7A,可算出 RL ? 12? ,工作时 R L 上消耗的功 率为 的电位器。 测试时,先将 RL ? 20? ,交流输入电压为 220V,用万用表测量的电压指示 Uo。 然后慢慢调小 R L , 直到 Uo 的值下降 5%。 此时流经 R L 的电流就是 I o max , 记下 I o max 后, 马上调大 R L 的值,以减小稳压器的功耗。
RL ? 20? 时,Uo=9.115V,Io=455.735mA,仿真图如图 2.4 示。

。 故在仿真调试时 R L 取额定功率为 10W, 阻值为 20?

图 2.4

直流稳压电源输出电流测试图
7

Uo 下降 5%时(8.68V) ,Io=0.7A,仿真图如图 2.5 示。

图 2.5

直流稳压电源最大输出电流测试图

由仿真测试图可知,设计电路符合要求,其最大输出电流满足指标。

2.2.4 稳压系数的仿真测试
稳压系数是输出电压和输入电压的相对变化之比,用来表征稳压性能。其公式 为: 2.3 输入电压为 220V 时,电路输出电压 Uo=9.115V,电路中的电流 Io=0.456A,仿真 测试图如图 2.6 示。

图 2.6

直流稳压电源稳压系数测试图 1

8

输入电压为 269V 时, Uo=9.121V,电路中的电流 Io=0.456A,仿真测试图如图 2.7 示。

图 2.7

直流稳压电源稳压系数测试图 2

输入电压分别为 220V 和 269V 时负载上的电流基本不变, 满足△IO=0。 稳压系数 , ,仿真结果满足设计要求。

综上所述,电路的输出电压,最大输出电流,稳压系数均符合设计要求。该设 计电路图可行,能满足设计方案性能指标。

9

3

可调直流稳压电源硬件系统的设计

3.1

直流稳压电源硬件系统各模块功能简要介绍

3.1.1 变压电路
(1)变压器 设计方案中采用输出电压 12V,功率 20W 的变压器。其作用是把 220V 的交流电 经过变压器降压后获得 12V 的输出电压,实现后续电路正常的工作。 (2)保险丝 设计中选用的是允许通过的最大电流为 1A 的保险丝,其作用是保护电路中的元 器件,以防电路中出现电流过大而烧坏器件。

3.1.2 整流滤波电路
设计采用的是单相桥式整流电路,选用的整流桥堆为:DCW08M,其内部是由四 只整流二极管接成电桥形式。其作用是把降压后的交流电变换成直流电。 滤波电路由两只 2200UF∕25V 的电容并联组成。其作用是滤去整流输出电压中 的纹波。在电源供给的电压升高时,把部分能量存储起来,在电源电压降低时,把 电场能量释放出来,得到较为平滑的负载电压,有平波的作用。

3.1.3 稳压电路
(1)集成三端稳压器 LM317 设计采用的稳压芯片为 LM317T,实现稳压。LM317 为三端输出元件。有输入端 UI,输出端 UO,以及调整端 ADJ,其作用是在输入电压 UI 输入适当的电压,从输出 端 UO 得到设计所需的稳定电压。设计电路中,调整端处的电阻 R2(330 ? ) 、电位器 RP(2K ? )与输出端电阻 R1(240 ? )实现电路中输出电压的连续调节;输入端处 的无极性电容 C(0.1UF)其作用是防止电路自激振荡减小电压波动、输出端有极性 电容 CO(1UF)用于改善负载效应起稳压作用,调整端的有极性电容 C3(10),其作 用是有效去除电路中的纹波。 (2)保护二极管 IN4007 芯片处的两只二极管 IN4007 起保护作用,为稳压器接反时与逆偏置保护用二极 管。 (3)散热装置 设计中采用了散热片,用于保护芯片且为得到额定输出电流。

10

3.2

直流稳压电源电路原理图和 PCB 图
设计电路的电路原理图如下图 3.1 示。电路图来源 protel 99 SE。

图 3.1

直流稳压电源电路原理图

设计电路的电路 PCB 图如下图 3.2 示。电路图来源 protel 99 SE。

图 3.2

直流稳压电源电路 PCB 图

11

3.3 直流稳压电源电路元器件清单
表 3.1 元器件清单

元件标号 T FUSE D C1、C2 C CO C3 R1 R2 RP D1、D2 LM317T

名 称 变压器 保险丝 整流桥堆 极性电容 无极性电容 极性电容 极性电容 电阻 电阻 电位器 二极管 三端稳压器

型号与规格 12V 1A DC W08M 2200UF 0.1UF 1UF 10UF 240 ? 330 ? 2K ? IN4007 LM317T









1个 1根 1个 2只 1只 1只 1只 1只 1只 1只 2只 1个

12

4

直流稳压电源的设计结论及误差分析、教学建议

4.1 直流稳压电源的设计结论及使用说明
4.1.1 直流稳压电源的设计结论
直流稳压电源电路的设计电路都是经过四个步骤:变压、整流、滤波、稳压。 在这四个步骤当中,由输出电压的要求来决定稳压电路的选择,如选用稳压管稳压 还是用集成芯片稳压。稳压器可分为三端固定式集成稳压器如 78XX、79XX 系列;三 端可调式集成稳压芯片 LM317、 系列。 337 其中 78XX、 LM317 系列为正电压输出, 79XX、 LM337 系列为负电压输出。决定了稳压部分电路后,由设计要求的输出电压来考虑变 压器的选择,由最大输出电流来考虑整流二极管、滤波电容的选择。整流部分一般 选用整流桥堆,单相桥式整流,可使得变压器的利用率较高。

4.1.2 直流稳压电源的使用说明
引入 220V 交流电后,经过变压、整流、滤波、稳压后得到的直流电可直接供给 负载使用。调节稳压部分的电位器,电位器滑到最小时,输出电压为 3V,电位器滑 到最大时,输出电压为 13V 左右。可以根据需要调节电位器得到在 3-9V 内所需要电 压。

4.2

直流稳压电源的硬件调试
按 PCB 图所示,制作好电路板。安装时,先安装比较小的元件。首先安装整流

电路,再安装稳压电路,最后再装上电路(电容) 、保险丝等。检查无误后,再将电 源变压器与整流滤波电路连接,通电后,用万用表检查整流后输出 LM317 输入端电 压 Ui 的极性,若 Ui 的极性为负,则说明整流电路没有接对,此时若接入稳压电路, 就会损坏集成稳压器。然后接通电源,调节 RP 使之为不同的阻值,同时用万用表测 量负载 RL 两端的电压并进行记录。将测试所得结果和理论值相比较,若输出电压满 足设计指标,说明稳压电源中各级电路都能正常工作,然后再进行各项指标的测试。

4.3

直流稳压电源的误差分析
电路中测量值出现误差其原因可以分为以下几个部分:

(1)电路安装的元器件本身阻值存在的误差; (2)元件在通电后消耗能量产生的误差; (3)测量过程中存在的读数和测量仪器本身存在的误差。

13

结束语
此次课程设计,让我知道了如何去设计并制作一般的直流稳压电源电路,懂得 了不同系列的稳压器有不一样的性能。 LM 系列的稳压芯片能在比较大的范围内调节电压, 它的稳压电路也相对 78 系列 的稳压电路要复杂一些,与 LM 系列的稳压芯片连接的电阻和电位器的参数选定,有 固定的计算公式。为了能使电路设计的误差更少,在设计出电路图后进行仿真。仿 真也还是有一定的误差。这次的课程设计从题目的选定到最后硬件的完成、性能测 试都让我受益匪浅,不但懂得了一些电路元件的性能、作用,同时知道了应该如何 去设计,从电路的哪个部分开始设计,怎样去达到符合性能指标的电路,为以后的 毕业设计奠定了基础。 课程设计所用的两种软件 multisim 10.0 和 protel 99SE 都是第一次使用,为 课程设计本身增加了一定的难度,在查阅资料和通过同学的帮助下得以能够初步运 用这两种软件了。知道了如何在 multisim 中测量电路的波形和输出电压等,知道了 如何去把电路原理图导入网络表生成 PCB。虽然对软件操作有了初步了解,但是我们 要学习的还有很多!通过图书馆借阅资料和网上查询,完成了直流稳压电源电路的 设计。而制作实物和对实物进行焊接和测量则再一次检验了自己对电路本身和电路 元器件的了解。本次的课程设计让我明白了不仅仅要学好专业知识,还要懂得如何 运用计算机软件来操作! 本次的设计让我受益匪浅,让我更进一步的了解自己的不足之处,更进一步的 巩固的所学过的知识。只有把理论知识运用在实践中,才会真正发挥作用,也只有 通过实践才能把知识运用的现实中。准备越充分,实验越顺利,在实验中总是会出 现各种状况而导致实验失败,在检查设计电路的过程中,分析测量电路产生错误的 原因,一步步检查电路的各个器件的连接和电压是否正常,测量值是比理论值大了 还是小了,大了应该如何改变电路,小了又应该如何去改变等等。在检查错误并改 正电路的过程中对电路的理解和掌握更近一步! 通过这次对直流稳压电源实物的两次制作,使自己对其更深层次的了解了,在 实验过程中学习到了许多课堂上无法学到的知识,收获颇多。也只有通过动手从零 开始制作才明白自己对很多电路知识的缺乏很严重!完成制作直流稳压电源加深了 我对知识的了解,并有所巩固,在此基础上得到了升华。本次课程设计收获多多!

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参考文献
[1] 康华光,陈大钦,张林.电子技术基础 模拟部分(第五版) .北京:高等教育出 版社,2006.1(2011.11 重印) [2] 何希才,姜余祥.新型稳压电源及其应用.北京:国防工业出版社,2002.1 [3] 郭勇,董志刚.protel 99 SE 印制电路板设计教程.北京:机械工业出版社, 2004.6

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本次模拟电子技术课程设计制作直流稳压电源获益匪浅,感谢各位老师对我们 课本理论知识的教学和实验课程的指导。感谢学校对我们各方面的大力支持,同时 为我们提供实验室来进行电路的测量操作和支持鼓励学生加强动手制作设计电路的 能力!

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附 录A
实物制作照片

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