基于LM317的直流穩(wěn)壓電源課程設計

1、1 可調直流穩(wěn)壓電源電路設計 1.1 課題任務設計一個連續(xù)可調直流穩(wěn)壓電源1.2 功能要求說明 輸出電壓可調：Uo=+3V+9V 輸出最大電流：Iomax=800mA 輸出電壓變化量：U15mV 穩(wěn)壓系數(shù)：Sv0.0031.3 可調直流穩(wěn)壓電源總體方案介紹及工作原理說明1.3.1 直流穩(wěn)壓電源的設計思路 電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓； 降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大； 脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份； 濾波后的直流電壓

2、，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載。1.3.2 直流穩(wěn)壓電源的基本原理穩(wěn) 壓電 路濾 波電 路整 流 電 路電 源變壓器 U1 U2 U3 UI UO U1 U2 U3 UI UO圖1.1 直流穩(wěn)壓電源結構圖和穩(wěn)壓過程電源變壓器：是降壓變壓器，它的作用是將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的變比由變壓器的副邊按確定，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=，式中是變壓器的效率。整流電路：利用單向導電元件，將50HZ的正弦交流電變換成脈動的直流電。濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分濾除。濾波電路濾除較大的波紋成分

3、，輸出波紋較小的直流電壓UI。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。1.3.3 直流穩(wěn)壓電源的工作原理交流電網(wǎng)220V的電壓經(jīng)過變壓器降壓之后，通過整流、濾波、穩(wěn)壓之后才可以送到負載，設變壓器副邊電壓為U2： U2=2U1sint 1.1其中U2為有效值。變壓之后，利用單向導電元件二極管，把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。在U2的正半周內，二極管D1、D3導通，D2、D4截止；U2的負半周內，D2、D4導通，D1、

4、D3截止。正負半周內部都有電流流過負載電阻RL，且方向是一致的。如圖1.2示。 圖1.2 單相橋式整流電路在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為2U2 (U2是變壓器副邊電壓有效值)。單相橋式整流電路波形如圖1.3示。圖1.3 單相橋式整流電路波形整流之后的電流中還含有較多的交流成分。通過濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑。常見的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波等。 在整流電路的輸出端，即負載電阻RL兩端并聯(lián)一個電容量較大的電解電容C，則構成了電容濾波電

5、路，如圖1.4所示電路，由于濾波電容與負載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波電路。圖1.4 單相橋式整流電容濾波電路從圖1.4可以看出，當U2為正半周時, 電源U2通過導通的二極管VD1、VD3向負載RL供電，并同時向電容C充電（將電能存儲在電容里，如t1t2），輸出電壓U0UC U2；U0達峰值后U2減小，當U0U2時，VD1、VD3提前截止，電容C通過RL放電，輸出電壓緩慢下降（如t2t3），由于放電時間常數(shù)較大，電容放電速度很慢，當UC下降不多時U2已開始下一個上升周期，當U2U0時，電源U2又通過導通的VD2、VD4向負載RL供電，同時再給電容C充電（如t3t4），如此周而復始。電路進入穩(wěn)態(tài)工作后，

6、負載上得到如圖中實線所示的近似鋸齒的電壓波形，與整流輸出的脈動直流（虛線）相比，濾波后輸出的電壓較為平滑。顯然，放電時間常數(shù)RLC越大、輸出電壓越平滑。若負載開路（RL=），電容無放電回路，輸出電壓將保持為U2的峰值不變。濾波之后的電流還是很不穩(wěn)定的，直流電壓Ui受電網(wǎng)電壓的波動和負載電流變化的影響很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須在濾波電路和負載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進一步穩(wěn)定。電路中可以采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，晶體管穩(wěn)壓電路。這里采用集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。由于設計要求連續(xù)可調，采用三端可調式集成穩(wěn)壓器LM317。 LM317共有三端，輸入端Ui、輸出端U0、調整端ADJ。其內置有

7、過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓高得多的紋波抑制比?？烧{整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A輸出電流，典型線性調整率0.01%，80dB紋波抑制比，輸出短路保護，過流、過熱保護，調整管安全工作區(qū)保護，標準三極管封裝。LM317其特性參數(shù)：可調范圍為1.25V-7V最大輸出電流為1.5A輸入與輸出工作壓差為：3V-40V輸出表達式為：UO=(1+R1R2)UREF 1.2其中，是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓。改變R2的值，Uo的值即可改變。當R2短路時，Uo最小，為即1.25V；當R2大于零時

8、，Uo都大于，最大可達37V。由此，濾波后的電流經(jīng)過穩(wěn)壓器后就可以得到所需要的直流電供給負載了。2 可調直流穩(wěn)壓電源的仿真分析 2.1 直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)選擇（1）采用LM317可調式三端穩(wěn)壓器構成穩(wěn)壓電源設計方案要求輸出電壓可調，所以選擇三端可調式集成穩(wěn)壓器，可調式集成穩(wěn)壓器，常見主要有CW317、CW337、LM317、LM337?？烧{三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數(shù)為：Uo1.237V，Iomax1.5A最小輸入輸出電壓差（UiUo）min為3V，最大輸入輸出電壓差為（Ui-Uo）max為40V，均滿足性能指標要求。根據(jù)前面的公式1.2可得：UO=1.25(1+R1R2)取值R2240代

9、入上式可得：R1min336R1max1.49K設計方案中R1選用一個330的電阻R1與一個2 K的電位器RP串聯(lián)組成。為得到額定的輸出電流，設計中在LM317上安裝散熱片進行散熱。在multisim中采用的是LM317H。由于濾波電路中采用了大容量的有極性電容，而大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端并入瓷介質小容量電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。穩(wěn)壓部分的電容選擇為LM317輸入端電容C=0.1UF，輸出端電容CO=1UF，調整端電容C3=10UF。保護用二極管為IN4007，其反向擊穿電為：（查資料得）UBR1000V17V最大

10、整流電流：IF1A0.8A（2）選用電源變壓器根據(jù)變壓器的次級輸出功率P2來選用變壓器，LM317的輸入電壓Ui的范圍為：Uomax(UiUo)minUiUomin(UiUo)max 2.1即：9V3VUi3V40V12VUi43V設計方案選用單相橋式整流方式可使得變壓器的利用率較高。變壓器次級電壓U2與穩(wěn)壓器輸入電壓Ui的關系為：Uimin(1.11.2)U2Uimax(1.11.2） 2.2 變壓器次級電壓取值為：U2Uimin1.1則可得：U212V1.111VI2Iomax0.8A取I21A，變壓器次級輸出功率為：P2I2U211W變壓器的效率一般取70，則變壓器初級功率為：P1P21

11、5.7W為留有余地，設計方案中選取輸出電壓為12V，功率為20W的變壓器。在multisim中采用的是TS-PQ4-20。（3）單相橋式整流電路橋式整流電路的特點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分利用，效率較高。因此，設計方案采用單相橋式整流電路，實物制作中選用的整流橋堆為：DCW08M。在multisim中采用的是IB4B42。 （4）濾波電容設計要求中輸出最大電流Iomax=800mA，濾波電容電容量C根據(jù)負載電流選用，其經(jīng)驗數(shù)據(jù)為，負載電流為0.51A時，電容選用1000uF。設計方案中選用2只電

12、容2200uF25V并聯(lián)，分別為C1、C2。2.2 直流穩(wěn)壓電源的仿真結果與調試2.2.1設計的直流穩(wěn)壓電源原理圖設計方案采用的的是multisim 10.0版本進行的仿真操作，設計的原理圖如圖2.1示。圖2.1 連續(xù)可調39V直流穩(wěn)壓電源2.2.2 輸出電壓的仿真調試電位器RP1滑到最小時，Uo=3.005V，仿真圖如圖2.2示。圖2.2 直流穩(wěn)壓電源最小輸出電壓電位器滑到58%時，即RP=1160，Uo=9.142V，仿真圖如圖2.3示。圖2.3 直流穩(wěn)壓電源9V電壓輸出電路由于市場上沒有1158的電位器出售，課題設計方案中采用2K的電位器代替，最大輸出電壓可達到13.523V，設計符合要

13、求，輸出電壓連續(xù)可調。2.2.3 穩(wěn)壓電源最大輸出電流調試仿真測試電路如下圖2.4所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，其輸出電流Io要小于最大輸出電流Iomax，取Io=0.7A，可算出,工作時上消耗的功率為PL=U0I0=9×0.7=6.3W。故在仿真調試時取額定功率為10W，阻值為的電位器。測試時，先將,交流輸入電壓為220V，用萬用表測量的電壓指示Uo。然后慢慢調小，直到Uo的值下降5%。此時流經(jīng)的電流就是，記下后，馬上調大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。時，Uo=9.115V，Io455.735mA，仿真圖如圖2.4示。圖2.4 直流穩(wěn)壓電源輸出電流測試圖Uo下降5%時（8.68V

14、），Io=0.7A，仿真圖如圖2.5示。圖2.5 直流穩(wěn)壓電源最大輸出電流測試圖 由仿真測試圖可知，設計電路符合要求，其最大輸出電流滿足指標。2.2.4 穩(wěn)壓系數(shù)的仿真測試穩(wěn)壓系數(shù)是輸出電壓和輸入電壓的相對變化之比，用來表征穩(wěn)壓性能。其公式為： SV=U0U0UiUi|I0=0，T=0 2.3 輸入電壓為220V時，電路輸出電壓Uo=9.115V,電路中的電流Io=0.456A，仿真測試圖如圖2.6示。圖2.6 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖1 輸入電壓為269V時, Uo=9.121V，電路中的電流 Io=0.456A，仿真測試圖如圖2.7示。圖2.7 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖2輸入電壓分別為

15、220V和269V時負載上的電流基本不變，滿足IO=0。穩(wěn)壓系數(shù)SV=（9.121-9.115）9.115（269-220）220×100%=0.0029，SV0.003，仿真結果滿足設計要求。綜上所述，電路的輸出電壓，最大輸出電流，穩(wěn)壓系數(shù)均符合設計要求。該設計電路圖可行，能滿足設計方案性能指標。3 可調直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)的設計 3.1 直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹3.1.1 變壓電路（1）變壓器設計方案中采用輸出電壓12V，功率20W的變壓器。其作用是把220V的交流電經(jīng)過變壓器降壓后獲得12V的輸出電壓，實現(xiàn)后續(xù)電路正常的工作。（2）保險絲設計中選用的是允許通過的最

16、大電流為1A的保險絲，其作用是保護電路中的元器件，以防電路中出現(xiàn)電流過大而燒壞器件。3.1.2 整流濾波電路設計采用的是單相橋式整流電路，選用的整流橋堆為：DCW08M，其內部是由四只整流二極管接成電橋形式。其作用是把降壓后的交流電變換成直流電。濾波電路由兩只2200UF25V的電容并聯(lián)組成。其作用是濾去整流輸出電壓中的紋波。在電源供給的電壓升高時，把部分能量存儲起來，在電源電壓降低時，把電場能量釋放出來，得到較為平滑的負載電壓，有平波的作用。3.1.3 穩(wěn)壓電路（1）集成三端穩(wěn)壓器LM317設計采用的穩(wěn)壓芯片為LM317T，實現(xiàn)穩(wěn)壓。LM317為三端輸出元件。有輸入端UI，輸出端UO，以及調

17、整端ADJ，其作用是在輸入電壓UI輸入適當?shù)碾妷?，從輸出端UO得到設計所需的穩(wěn)定電壓。設計電路中，調整端處的電阻R2（330）、電位器RP（2K）與輸出端電阻R1（240）實現(xiàn)電路中輸出電壓的連續(xù)調節(jié)；輸入端處的無極性電容C（0.1UF）其作用是防止電路自激振蕩減小電壓波動、輸出端有極性電容CO（1UF）用于改善負載效應起穩(wěn)壓作用，調整端的有極性電容C3(10)，其作用是有效去除電路中的紋波。（2）保護二極管IN4007芯片處的兩只二極管IN4007起保護作用，為穩(wěn)壓器接反時與逆偏置保護用二極管。（3）散熱裝置設計中采用了散熱片，用于保護芯片且為得到額定輸出電流。3.2 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖

18、和PCB圖設計電路的電路原理圖如下圖3.1示。電路圖來源protel 99 SE。圖3.1 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖設計電路的電路PCB圖如下圖3.2示。電路圖來源protel 99 SE。圖3.2 直流穩(wěn)壓電源電路PCB圖3.3 直流穩(wěn)壓電源電路元器件清單表3.1元器件清單元件標號名 稱型號與規(guī)格數(shù) 量備 注T變壓器12V1個FUSE保險絲1A1根D整流橋堆DC W08M1個C1、C2極性電容2200UF2只C無極性電容0.1UF1只CO極性電容1UF1只C3極性電容10UF1只R1電阻2401只R2電阻3301只RP電位器2K1只D1、D2二極管IN40072只LM317T三端穩(wěn)壓器LM31

19、7T1個4 直流穩(wěn)壓電源的設計結論及誤差分析、教學建議 4.1 直流穩(wěn)壓電源的設計結論及使用說明4.1.1直流穩(wěn)壓電源的設計結論直流穩(wěn)壓電源電路的設計電路都是經(jīng)過四個步驟：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。在這四個步驟當中，由輸出電壓的要求來決定穩(wěn)壓電路的選擇，如選用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓還是用集成芯片穩(wěn)壓。穩(wěn)壓器可分為三端固定式集成穩(wěn)壓器如78XX、79XX系列；三端可調式集成穩(wěn)壓芯片LM317、337系列。其中78XX、LM317系列為正電壓輸出，79XX、LM337系列為負電壓輸出。決定了穩(wěn)壓部分電路后，由設計要求的輸出電壓來考慮變壓器的選擇，由最大輸出電流來考慮整流二極管、濾波電容的選擇。整流部分一般選用整

20、流橋堆，單相橋式整流，可使得變壓器的利用率較高。4.1.2直流穩(wěn)壓電源的使用說明 引入220V交流電后，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的直流電可直接供給負載使用。調節(jié)穩(wěn)壓部分的電位器，電位器滑到最小時，輸出電壓為3V，電位器滑到最大時，輸出電壓為13V左右?？梢愿鶕?jù)需要調節(jié)電位器得到在3-9V內所需要電壓。4.2 直流穩(wěn)壓電源的硬件調試按PCB圖所示，制作好電路板。安裝時，先安裝比較小的元件。首先安裝整流電路，再安裝穩(wěn)壓電路，最后再裝上電路（電容）、保險絲等。檢查無誤后，再將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用萬用表檢查整流后輸出LM317輸入端電壓Ui的極性，若Ui的極性為負，則說明整

21、流電路沒有接對，此時若接入穩(wěn)壓電路，就會損壞集成穩(wěn)壓器。然后接通電源，調節(jié)RP使之為不同的阻值，同時用萬用表測量負載RL兩端的電壓并進行記錄。將測試所得結果和理論值相比較，若輸出電壓滿足設計指標，說明穩(wěn)壓電源中各級電路都能正常工作，然后再進行各項指標的測試。4.3 直流穩(wěn)壓電源的誤差分析電路中測量值出現(xiàn)誤差其原因可以分為以下幾個部分：（1）電路安裝的元器件本身阻值存在的誤差；（2）元件在通電后消耗能量產(chǎn)生的誤差；（3）測量過程中存在的讀數(shù)和測量儀器本身存在的誤差。結束語此次課程設計，讓我知道了如何去設計并制作一般的直流穩(wěn)壓電源電路，懂得了不同系列的穩(wěn)壓器有不一樣的性能。LM系列的穩(wěn)壓芯片能在比

22、較大的范圍內調節(jié)電壓，它的穩(wěn)壓電路也相對78系列的穩(wěn)壓電路要復雜一些，與LM系列的穩(wěn)壓芯片連接的電阻和電位器的參數(shù)選定，有固定的計算公式。為了能使電路設計的誤差更少，在設計出電路圖后進行仿真。仿真也還是有一定的誤差。這次的課程設計從題目的選定到最后硬件的完成、性能測試都讓我受益匪淺，不但懂得了一些電路元件的性能、作用，同時知道了應該如何去設計，從電路的哪個部分開始設計，怎樣去達到符合性能指標的電路，為以后的畢業(yè)設計奠定了基礎。課程設計所用的兩種軟件multisim 10.0和protel 99SE都是第一次使用，為課程設計本身增加了一定的難度，在查閱資料和通過同學的幫助下得以能夠初步運用這兩種軟件了。知道了如何在multisim 中測量電路的波形和輸出電壓等，知道了如何去把電路原理圖導入網(wǎng)絡表生成PCB。雖然對軟件操作有了初步了解，但是我們要學習的還有很多！通過圖書館借閱資料和網(wǎng)上查詢，