基于LM317的直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計

1、1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計課題任務(wù)設(shè)計一個連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源功能要求說明輸出電壓可調(diào)：Uo=+3V-+9V輸出最大電流：lomax=800mA輸出電壓變化量: U< 15mV穩(wěn)壓系數(shù)：Svw1.3 可調(diào)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(shè)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，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)

2、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)壓電源的基本原理圖 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)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勺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/P仁n，式中n是變壓器的效率。整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0HZ勺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，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

3、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(diào)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。133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(shè)變壓器副邊電壓為|山：其中為有效值。變壓之后，利用單向?qū)щ娫O管，把 50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流 電。在5|的正半周內(nèi)，二極管 D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；Uj的負半周內(nèi)，D2 D4 導(dǎo)通，D1、D3截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過負載電阻RL且方向是一致的。女口圖示。圖 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(nèi)導(dǎo)電，

4、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 電壓為氣刃Ug（U2是變壓器副邊電壓有效值）。單相橋式整流電路波形如圖示。fDl fD3 |D3D1| Dl D3| D2 JD4|Illi° D D3 iDj DJD Dj'D Dq 3 導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通圖 單相橋式整流電路波形RL兩端并聯(lián)一個電容量較大的電解電容 C, 由于濾波電容與負載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波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(fù)式濾波等。在整流電路的輸

5、出端，即負載電阻 構(gòu)成了電容濾波電路，如圖所示電路， 電路。7 |八 7 I 川 I /I I /> I dLI ! I / I 一 一 小 ！ I圖 單相橋式整流電容濾波電路RL從圖可以看出，當為正半周時,電源匕通過導(dǎo)通的二極管VD1 VD3向負載 供電，并同時向電容C充電（將電能存儲在電容里，如t1t2 ），輸出電壓鞏=% 琳山達峰值后山|減小，當UdJUg時，VD1 VD3提前截止，電容C通過RL放電，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Ud下降不多時Uj已開始下一個上升周期，當 出丸時，電源Uj又通過導(dǎo)通的VD2 VD4向 負載RL供電，同時

6、再給電容C充電（如t3t4 ），如此周而復(fù)始。電路進入穩(wěn)態(tài)工 作后，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U戈的峰值不變。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(shè)計要求連續(xù)可調(diào)，采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器L

7、M317。LM317共有三端，輸入端冊、輸出端悅、調(diào)整端AD。其內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調(diào)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。可調(diào)整輸出電壓低到，保證1.5A輸出電流，典型線性調(diào)整率 % 80dB紋波抑制比，輸出短路保護，過流、過熱保護，調(diào)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(diào)范圍為最大輸出電流為輸入與輸出工作壓差為U Ui Uo : 3V-40V輸出表達式為:Uo = （1 十特）UreF其中，Uref是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為。是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)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

8、最小，為Uref 即；當R2大于零時，Uo都大于Uref，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(diào)直流穩(wěn)壓電源的仿真分析直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)選擇(1)采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電源設(shè)計方案要求輸出電壓可調(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，常見主要有 CW317 CW337 LM317 LM337可調(diào)三端穩(wěn)壓器 LM317其特性參數(shù)為：Uo= 37V, lomaQ最小輸入輸出電壓差(Ui Uo) 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)前面的公式可得：Uo = 1.25

9、(1 + 亀取值R2= 240代入上式可得:Rimin = 336R1max=的電阻R1與一個2 K 的電位器RP串聯(lián)組成。LM317上安裝散熱片進行散熱。在multisim中采設(shè)計方案中R1選用一個330為得到額定的輸出電流，設(shè)計中在用的是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(zhì)小容量電容用來 抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。穩(wěn)壓部分的電容選擇為LM317輸入端電容C=輸出端電容 C=1UF,調(diào)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)LB

10、r= 1000V17V最大整流電流:IF = 1A> 0.8A(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+ (Ui Uo)min< Ui < Uomin + (Ui Uo)max即:9V+ 3V< Ui < 3V+ 40V 12VW Ui < 43V設(shè)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(guān)系為：(LI- 1.2)匕2 三L1- L2>變壓器次級電壓取值為:U2三 Uimin/則可得：U2 三 12V/= 11V12 > lo

11、max= 0.8A取I2 = 1A,變壓器次級輸出功率為：P2 三 1212= 11W變壓器的效率一般取n= 70%,則變壓器初級功率為：P1 三 P 2/n =為留有余地，設(shè)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(nèi)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(shè)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/I在multisim 中采用的是IB4B42。（4）

12、濾波電容設(shè)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1A時，電容選用1000uF。設(shè)計方案中選用2只電容 2200uF/ 25V并聯(lián)，分別為 C1 C2直流穩(wěn)壓電源的仿真結(jié)果與調(diào)試2.2.1 設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計方案采用的的是 multisim 版本進行的仿真操作，設(shè)計的原理圖如圖示。圖連續(xù)可調(diào)3 9V直流穩(wěn)壓電源2.2.2 輸出電壓的仿真調(diào)試電位器RP1滑到最小時，Uo=，仿真圖如圖示。圖 直流穩(wěn)壓電源最小輸出電壓電位器滑到58%寸，即卩RP=1160 , Uo=仿真圖如圖示。圖 直流穩(wěn)壓電源 9V 電壓輸出電路由于市場上沒

13、有 1158 的電位器出售，課題設(shè)計方案中采用 2K 的電位器代 替，最大輸出電壓可達到，設(shè)計符合要求，輸出電壓連續(xù)可調(diào)。2.2.3 穩(wěn)壓電源最大輸出電流調(diào)試仿真測試電路如下圖所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，其輸出電流 小于最大輸出電流 lomax，Pl = 5® = 9 X 0.7 = 63WL位器。測試時，先將Rl 20Io要取lo=，可算出Rl 12,工作時Rl上消耗的功率為故在仿真調(diào)試時Rl取額定功率為10W阻值為20的電,交流輸入電壓為220V,用萬用表測量的電壓指示 Uq o max， ?記1 o max ，然后慢慢調(diào)小Rl，直到Uo的值下降5%此時流經(jīng)Rl的電流就是

14、I 馬上調(diào)大Rl的值，Rl 20 時，以減小穩(wěn)壓器的功耗。Uo= Io =，仿真圖如圖示。圖直流穩(wěn)壓電源輸出電流測試圖Uo下降5%寸(),lo=0.7A，仿真圖如圖示。圖直流穩(wěn)壓電源最大輸出電流測試圖lo=0.456A，仿真測試圖仿真測試圖如圖示。由仿真測試圖可知，設(shè)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 二而ibio a. 71瀘i輸入電壓為220V時，電路輸出電壓Uo=，電路中的電流 如圖示。圖直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖1輸入電壓為269V時,Uo=，電路中的電流Io=0.456A ,

15、圖直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖2輸入電壓分別為220V和269V時負載上的電流基本不變，滿足 1。=0。穩(wěn)壓系數(shù) 0.1219. 溥C r “rSv = Q典 X 100% = 0,009，Sv < two3，仿真結(jié)果滿足設(shè)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(shè)計要求。該設(shè) 計電路圖可行，能滿足設(shè)計方案性能指標。3可調(diào)直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)的設(shè)計直流穩(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(shè)計方案中采用輸出電壓12V,功率20W的勺變壓器。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

16、險絲設(shè)計中選用的是允許通過的最大電流為 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(shè)計采用的是單相橋式整流電路，選用的整流橋堆為：DCW08M其內(nèi)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2200UF/ 25V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(shè)計采用的穩(wěn)壓芯片為 LM317T實現(xiàn)穩(wěn)壓。LM317為三端輸出元

17、件。有輸入端 UI，輸出端UO以及調(diào)整端ADJ,其作用是在輸入電壓UI輸入適當?shù)碾妷?，從輸?端U0得到設(shè)計所需的穩(wěn)定電壓。設(shè)計電路中，調(diào)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(diào)節(jié)；輸入端處 的無極性電容C ()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 C0( 1UF用于改善負載效應(yīng)起穩(wěn)壓作用，調(diào)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(shè)計中采用了散熱片，用于保護芯片且

18、為得到額定輸出電流。直流穩(wěn)壓電源電路原理圖和 PCB圖設(shè)計電路的電路原理圖如下圖示。電路圖來源P rotel 99 SE 。圖 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖設(shè)計電路的電路PCB圖如下圖示。電路圖來源Protel 99 SE 。3.3 直流穩(wěn)壓電源電路元器件清單表元器件清單兀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1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LM317T1個4 直流穩(wěn)壓電源

19、的設(shè)計結(jié)論及誤差分析、教學(xué)建議4.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論及使用說明4.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)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(diào)式集成穩(wěn)壓芯片LM317337系列。其中78XXLM317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(shè)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 選用整流橋堆，單相橋式整流，

20、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(diào)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。可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)電位器得到在 3-9V內(nèi)所需要電 壓。直流穩(wěn)壓電源的硬件調(diào)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，則說明整流電路

21、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(diào)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(jié)果和理論值相比較，若輸出電壓滿 足設(shè)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。直流穩(wěn)壓電源的誤差分析1)2)3)電路中測量值出現(xiàn)誤差其原因可以分為以下幾個部分： 電路安裝的元器件本身阻值存在的誤差； 元件在通電后消耗能量產(chǎn)生的誤差； 測量過程中存在的讀數(shù)和測量儀器本身存在的誤差。結(jié)束語此次課程設(shè)計，讓我知道了如何去設(shè)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)壓芯片能在比較大

22、的范圍內(nèi)調(diào)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(fù)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(shè)計的誤差更少，在設(shè)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(shè)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(yīng)該如何 去設(shè)計，從電路的哪個部分開始設(shè)計，怎樣去達到符合性能指標的電路，為以后的 畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。課程設(shè)計所用的兩種軟件multisim和protel 99SE都是第一次使用，為課程設(shè) 計本身增加了一定的難度，在查閱資料和通過同學(xué)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(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表生成 PCB雖然對軟件操作有了初步了解，但是我們要學(xué)習(xí) 的還有很多！通過圖書館借閱資料和網(wǎng)上查詢，