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基于可调式稳压器LM317的直流稳压电源课程设计

时间:2012-07-03

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电子技术课程设计总结报告
题 目:可调直流稳压电源
李寒,王艺,朱捷 电子信息工程系 2010 级电子信息工程专业 1 班 张熙 学生姓名: 系 别:

专业年级: 指导教师:

2012 年 6 月

基于可调式稳压器 LM317的直流稳压电源

作品简述:已实现输入220v/50hz 交流电输出恒定可调1.25-10(或22)v 直流电.但由于各种
原因导致附加功能(数码管显示)无法实现,下面将具体介绍电路实现过程,芯片功能及问题原 因. TAG: 可调式稳压器 LM317直流稳压电源 摘要:该设计主要利用可调式稳压器 LM317实现直流稳压电源的正负输出可调性。整个电源主 要由变压器、整流电路、滤波电路,以及稳压电路几部分组成。其体积小,稳定性好且性价比 较高。主要介绍其具体实现及原理,并分析具体硬件电路的工作原理及具体实现方法。结合单 片机原理以及其他相关集成电路模块的相关原理实现了直流稳压电源的显示等具体功能。经反 复实验,结果表明其具有灵活的可调性,控制效果良好。该电源可广泛运用于电力电子、仪表、 控制等实验场合。 关键词:可调式稳压器;直流稳压电源;整流电路;滤波电路

1、引言: 在电子线路的相关应用中,电源是其必不可少的部分,电源系统质量的优劣和性能的可靠性直 接决定着整个电子设备的质量。直流稳压电源作为直流能量的提供者,在各种电子设备中有着 极其重要的地位,它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子 技术的日益发展,电源技术也得到了很大的发展,它从过去一个不太复杂的电子线路发展到今 天具有较强功能的模块。人们对电源的质量、功能和性能要求也随之变得越来越高。本文介绍 一种以可调式稳压器为核心组成的正负输出可调的直流稳压电源。该电源主要由电源变压器、 单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等部分所组成。单向交流电经过这几部分电路后即可 转换成正负输出可调的稳定直流电压。在本电源设计中,不仅制作了实用的稳压电源,更是结 合单片机原理、汇编语言等学科,提高电源的性能和功能,使电源设备功能更加完善,使用方 便,显示直观。初步实现了电子产品的体积小、功能多、性能高、价格低、智能化等方面的功 能。

2、电路所用核心元器件 (1)LM317简介 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商 均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。 LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V,负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区 保护等多种保护电路。 通常 LM317 不需要外接电容,除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连 线超过 6 英寸(约 15 厘米) 。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比 标准三端稳压电路高的多的纹波抑制比。LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到 一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过 LM317 的极限 就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源 输出。 317稳压块存在一个最小稳定工作电流的问题,可以通过设定 R1和 R2阻值的大小,而使317稳压 块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流, 从而保证317稳压块在空载时能够稳定地 工作。此时,只要保证 Vo/(R1+R2)≥1.5mA,就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。 上式中的1.5mA 为317稳压块的最小稳定工作电流。当然,只要能保证317稳压块在空载时能够 稳定地工作,Vo/(R1+R2)的值也可以设定为大于1.5mA 的任意值。 经计算可知 R1的最大取值为 R1≈0.83KΩ。又因为 R2/R1的最大值为28.6。所以 R2的最大取值为 R2≈23.74KΩ。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时,必须保证 R1≥0.83KΩ, R2≤23.74KΩ 两个不等式同时成立,才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。 当然在317稳压块的输出端并联泄流电阻 R,也可以为317稳压块提供最小稳定工作电流。但是, 由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化,如果要保证317稳压块在输出电压为1.25V 时,其输出电流大于其最小稳定工作电流,则在317稳压块的输出电压为37V 时,流过泄流电阻

的电流就太大了,这样不仅浪费了电能,而且增加了317稳压块的负担,不是一种妥当的办法。 3、直流稳压电源的实现原理 本设计电路主要采用三端可调式集成稳压器 LM317,构成正负输出可调的稳压电源电路。本电 源电路的原理框图如图1所示,其主要由变压器、整流、滤波、稳压、等部分所组成。

4、电路工作原理分析 (1)电源变压器 由于电源变压器的副边电压有效值将决定后面电路的需要,所以在此应选择输出电压有效值为 12V 的电源变压器。 (2)整流部分 该设计采用单相桥式整流电路(桥式 KBP307)。其由四只二极管组成,其构成原则就是 保证在变压器副边电压 u:的整个周期内,负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目 的,需要在 Uz 的正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变,设变压器副边两端分 别为 a 和 b,则 a 为“+”b 为“一”时应有电流流出 a 点,a 为“一”b 为“+”时应有电流流入 a 点;相 反,a 为“+”b 为“一”时应有电流流入 b 点,因而 a 和 b 点均应接两只二极管,以引导电流,具 体电路原理如图2所示。

如果桥式整流电路变压器副边中点接地,就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。根据桥 式整流电路的工作原理,当 a 点为“+”b 点为“一”时,Dl、D3导通,D2、D4截止,U01=U2,U02= 一 U2;而当 b 点为“+”a 点为“一”时,D2、D4导通,D1、D3截止,U01=一 U2,U02=U2,这样两个 负载上就分别获得正、负电压。 若设变压器副边电压 u2=U2sinwt,U2为其有效值。当 u2为正半周时,电流由 a 点流出,经 Dl、 RL、D3流入 b 点,因而负载电阻 RL 上的电压等于变压器副边电压,即 uo=u2,D2和 D4管承受的 反向电压为一 u2。当 u2为负半周时,电流由 b 点流出,经 D2、RL、D4流入 a 点,负载电阻 RL 上的电压等于一 u2,即 uo=一 u2,D1、D3承受的反向电压为 u2。这样,由于 D1、D3和 D2、D4 两对二极管交替导通,致使负载电阻 RL 上在 u2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变, 则输出电压 uo=| U2sinwt|。 (2)滤波电路 经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。可利用电容的“通交流,隔直流” 的特性,在电路中并人两个并联电容作为电容滤波 器,滤去其中的交流成分。 电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一 个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意 电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。如果将两

个滤波电容相连接,且连接点接地,就可同时得到输出电压平滑 的正负电源。 在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压相等。而当其上 升到峰值后开始下降,电容便通过负载电阻放电,其电压也开始下降,趋势与电容两端电压基 本相同。但是由于电容按指数规律放电,所以当其下降到一定数值后,电容将继续通过负载放 电,电容两端电压按指数规律缓慢下降。 总之,在电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器电阻和二极管的导通电阻,其数 值很小,因而时间常数很小。电容放电时,回路电阻为 RL,放电时间常数 R。 通常远大于充 。C 电的时间常数。因此滤波效果取决于放电时间。电容愈大,负载电阻愈大,滤波后输出电压愈 平滑, 并且其平均值愈大。 换言之, 当滤波电容容量一定时, 若负载电阻减小(即负载电流增大), 则时间常数 RLC 减小,放电速度加快,输出电压平均值即下降,且脉动变大。故在此选择一个 滤波电容2200。输出电压的平均值 U 似蝴与放电时间常数 RLC 有关。RLC 越大,电容器放电速 度越慢,则输出电压所包含的纹波成分越小,U 驭㈣越大。为获得平滑的输出电压,一般取放 电时间常数为:

式中:T 为交流电的周期,在滤波电路放电时间常数满足上式的关系时,可用下式对输出电压 的平均值约为电容两端电压的1.2倍。滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算 时,其波形近似为锯齿波,此时脉动系数 S 可按下式近似估算,其中 T 为电网电压的周期。

当滤波电容选定后,输出电压平均值 U0和输出电流平均值 I0的关系称为输出特性,脉动系数 S 和输出电流平均值 I0的关系称为滤波特性。电容滤波电路如图3(1) 。输出特性和滤波特性如 图3(2)所示。

图3(1)电容滤波电路图

图3(2)输出特性级滤波特性 曲线表明,电容愈大电路带负载的能力愈强,滤波效果愈好;电流平均值愈大(即负载电阻的 RL 愈小),电压平均值愈低,S 的值愈大。为减小输出电压的脉动成分,采用的滤波电容器的容 值越大越好,交流电源的频率越高越好。目前在计算机、电视机等电子设备中采用了高频整流 电源,它的滤波电容的容量就比50赫兹工频交流电的滤波电容小得多。 (3)稳压部分 集成串联型稳压电路有三个引脚,分别为输入端,输出端和公共端,因而称为三端稳压器。按 功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路;前者的输出电压不能进行调节,为固定值;后 者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。便于实时控制,此设计采用可调式三端稳 压器 LM317。 LM317可调式三端稳压器有三个引出端,分别为输入端、输出端和电压调整端(简称调整端)。调 整端是基准电压电路的公共端,其典型值为1.25V。其典型线性调整率为0.01%,负载调整率 为0.1%,80dB 的纹波抑制比,其工作温度范围为 o℃至+125℃。 LM317可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选

择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线上产生误差电压。 为了减小电位器上的纹波电压,可在其上并联了一个 lo 的电容,由于电容容量较大,一旦输入 端断开,电容将从稳蘸器输出端向稳压器放电,易使稳压器损坏,因此在稳压器的输入端和输 出端之间跨接一个二极管,并置在输出短路时,曦套将向稳压器调熬端放电,并使调整管发射 结反偏,为了保护稳压器,故加一个二极管。利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应,以 防止电路产生壹激振荡,其容量较小,一般小于1,故在此选择0.1。

图4 LM317的基本应用电路

图5 LM317稳压电源电路。LM317输出电流为1.5A,输出电压可在1.25-37V 之间连续调节,其 输出电压由两只外接电阻 R1、 RP1决定,输出端和调整端之间的电压差为1.25V,这个电压将 产生几毫安的电流,经 R1、RP1到地,在 RP1上分得的电压加到调整端,通过改变 RP1就能改变 输出电压。注意,为了得到稳定的输出电压,流经 R1的电流小于3.5mA。LM317在不加散热器时

最大功耗为2W,加上200× 200× 4mm3散热板时其最大功耗可达15W。VD1(IN4002)为保护二极管, 防止稳压器输出端短路而损坏 IC.VD2(IN4002)用于防止输入短路而损坏集成电路。安装时注意 电容 C2应靠近 IC 的输入端,C3应靠近 IC 的输出端,这样能更好地抑制纹波。 5、设计步骤及电路元件选择 电路参数计算如下: 大部分元件的选择都有弹性。IC 选用 LM317或与其功能相同的其它型号(如 KA317等,可向 售货员咨询)。二极管选1N4001-1N4007均可,因为这里涉及到的电压比较小。 一般当整流输出电流大时, 必须用电解电容滤波稳压;输出电流小时, 用一般电容或电解 电容滤波都可以,如果对直流输出电压有纹波系数要求或者为了防止高频噪音,用电解电容和 小容量无极性电容并联使用效果较好。小容量电容可滤掉脉动直流中的高次谐波,电解电容滤 掉大幅值的低频成分,稳压范围宽、效果好。稳压范围宽、效果好。整流滤波电路对电容器的 容量和耐压值要求不是太高,一般根据输出电流大小估算电容器的容量, 输出电流大,容量就 大; 电流小,容量就小。但是, 容量太大会降低输出电压值,太小则会导致电压脉动大、不 稳定。 故 C1选择耐压大于16V、容量470-2200μF 的电解电容均可。C2选用普通的磁片电容即可,容 量为10× 104=100000PF=0.1μF。C3的选择类似于 C1,电阻选用1/8W 的小型电阻。 图5是由 LM317三端可调双电源稳压电路,正输出电压是可调的。电路中的 VREF=V31(或 V21)=1.2V, R1和 R2=(120~240)Ω,为保证空载情况下输出电压稳定, R1和 R2不宜高于240Ω。 R2 和 R2的大小根据输出电压调节范围确定。 变压器的选择。输出电压为1.25-12V,最大电流可达100mA,因此变压器的功率必须为6W 以 上,输出电压为两个12V 的变压器。 6.附加功能

数码管显示输出电压值:

电路图: 1.由于输出电压只有到12v,所以选择20v 量程. 2.ICL7107安装电压表头时的一些要点:按照测量=±199.9mV 来说明。 (1).辨认引脚:芯片的第一脚,是正放芯片,面对型号字符,然后,在芯片的左下方为第一脚。 也可以把芯片的缺口朝左放置,左下角也就是第一脚了。 许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。 知道了第一脚之后,按照反时针方向去走,依次是第 2至第 40引脚。 (1脚与 40脚遥遥相对) 。 (2).牢记关键点的电压:芯片第一脚是供电,正确电压是 DC5V。第 36脚是基准电压,正确数 值是 100mV,第 26引脚是负电源引脚,正确电压数值是负的,在 -3V 至 -5V 都认为正常, 但是不能是正电压,也不能是零电压。芯片第 31引脚是信号输入引脚,可以输入 ±199.9mV 的电压。在一开始,可以把它接地,造成"0"信号输入,以方便测试。 (3).注意芯片 27,28,29引脚的元件数值,它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络,这三个元件 属于芯片工作的积分网络,不能使用磁片电容。芯片的 33和 34脚接的 104电容也不能使用磁 片电容。 (4).注意接地引脚:芯片的电源地是 21脚,模拟地是 32脚,信号地是 30脚,基准地是 35脚, 通常使用情况下,这 4个引脚都接地,在一些有特殊要求的应用中(例如测量电阻或者比例测 量) 30脚或 35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。 , -- 本文不讨论特殊要求应用。 (5).负电压产生电路:负电压电源可以从电路外部直接使用 7905等芯片来提供,但是这要求供 电需要正负电源,通常采用简单方法,利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常用的方法是

利用 ICL7660或者 NE555等电路来得到,这样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管, 两只电阻,一个电感来进行信号放大,把芯片 38脚的振荡信号串接一个 20K-56K 的电阻连接 到三极管"B"极,在三极管"C"极串接一个电阻(为了保护)和一个电感(提高交流放大倍数) , 在正常工作时,三极管的"C"极电压为 2.4V- 2.8V 为最好。这样,在三极管的"C"极有放大的 交流信号,把这个信号通过 2只 4u7电容和 2支 1N4148二极管,构成倍压整流电路,可以得到 负电压供给 ICL7107的 26脚使用。这个电压,最好是在 -3.2V 到 -4.2V 之间。 (6).如果上面的所有连接和电压数值都是正常的,也没有"短路"或者"开路"故障,那么,电路 就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1档,我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mv 三种电压来,把它们依次输入到 ICL7107的第 31脚,数码管应该对应分别 显示 50.0,100.0,190.0的数值,允许有 2-3个字的误差。如果差别太大,可以微调一下 36 脚的电压。 7.购买的原件清单: 电阻(欧姆) :24K*2 100K*4 470k*2 200*2 电位器:2K*4 1k*2 二极管:IN4007*15 电解电容:2200uf*4 470uf*4 22uf*4 0.47uf*4 1uf*4 0.1Uf*4 100pf*4 无极性电容:104*4 熔断器含插座:1A*4 散热片:若干 插头:*2 集成电路:LM317*2 ICL7107*2 显示管:MAN6710*4(没买到,用代替品,结果导致问题所在) 输入220v 输出15v AC 变压器 焊接用导线:若干 PCB 板:120*80mm 开关:点按式*4 普通按式开关*6 8.出现问题: 数码管无法显示输出电压值,检查电路无连线问题,最后发现 ic7107使用共阳极数码管,而由于 采购原件的数码管是共阴极,所以导致无法显示.由于时间限制和原件无法短期内取得,所以显 示功能无法实现,但基本原理正确. 9.解决方案: 更换数码管,未完成. 10、总结 本系统主要以三端可调式集成稳压器 LM317为核心部件,并结合荜片瓿等原理。该电源具有 输出电压范围宽,输出电流大,性能稳定等优点。能较好地进行数字亿的信息显示及智能控制, 不仅提高了稳压电源的综合性能,而且能防止负载短路、过载。通过其体设计及实际测试,充 分证明了该系统设计方案的可行性程有效性,各项性能指标均达到了预期的要求,广泛适用于

各种电子类研究及实验室,积极推进各种电子行业的技术与质量管理事业的快速发展。


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