LM317的直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計

1、1.1 課題任務(wù)設(shè)計一個連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1.2 功能要求說明 輸出電壓可調(diào)：uo=+3v+9v 輸出最大電流：iomax=800ma 輸出電壓變化量：u5mv 穩(wěn)壓系數(shù)：sv0.0031.3 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)壓，便可得到基

2、本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)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(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?qū)щ娫?，?0hz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，輸出波紋較小的直流電壓ui。常

3、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(diǎn)，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(dá)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(fù)載，設(shè)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?qū)щ娫O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(nèi)，二極管d1、d2導(dǎo)通，d3、d4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，d3、d4導(dǎo)通，d1、d2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流

4、過負(fù)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(nèi)導(dǎo)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(fù)式濾波等。 在整流電路的輸出端，即負(fù)載電阻rl兩端并聯(lián)一個電容量較大的電解電容c，則構(gòu)成了電容濾波電路，如圖1.4所示電路，由于濾波

5、電容與負(fù)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(dāng)u2為正半周時, 電源u2通過導(dǎo)通的二極管vd1、vd3向負(fù)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(dá)峰值后u2減小，當(dāng)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(dāng)uc下降不多時u2已開始下一個上升周期，當(dāng)u2u0時，電源u2又通過導(dǎo)通的vd2、vd4向負(fù)載rl供電，同時再給電容c充電（如t3t4），如此周而復(fù)始。電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，負(fù)載上得到如圖中實(shí)線所示的近似鋸

6、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(fù)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(fù)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(fù)載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進(jìn)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lm317。 lm317共有三端，輸入端ui、輸出端u0、調(diào)整端adj。其內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電

7、路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓高得多的紋波抑制比。可調(diào)整輸出電壓低到1.2v，保證1.5a輸出電流，典型線性調(diào)整率0.01%，80db紋波抑制比，輸出短路保護(hù)，過流、過熱保護(hù)，調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)三極管封裝。lm317其特性參數(shù)：可調(diào)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(dá)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(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(dāng)r2短路時，uo最小，為即1.25v；當(dāng)r2大于零時，uo都大于，最大可達(dá)37v。由

8、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(fù)載了。2 可調(diào)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(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：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(biāo)要求。根據(jù)前面的公式1.2可得：uo=1.25(1+r1r2)取值r1240代入上式可得：r2min336r2

9、max1.49k設(shè)計方案中r2選用一個330的電阻r2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(shè)計中在lm317上安裝散熱片進(jìn)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(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=0.1uf，輸出端電容co=1uf，調(diào)整端電容c3=10uf。保護(hù)用二極管為in4007，其反向擊穿電為：ubr1000v17v最大整流電流：if1a0.8a（2）選用電源變壓

10、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(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：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：p1p215.7w為留有余地，設(shè)計方案中選取輸出電壓為

11、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(diǎn)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(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)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(shí)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(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(fù)載電流選用，其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，負(fù)載電流為0.51a時，電容選用1000uf。設(shè)計方案中選用2只電容2200uf25v并聯(lián)，分別為c1、c2。

12、2.2 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 10.0版本進(jìn)行的仿真操作，設(shè)計的原理圖如圖2.1示。圖2.1 連續(xù)可調(diào)39v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=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(shè)計方案中采用2k的電位器代替，最大輸出電壓可達(dá)到13.523v，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

13、大輸出電流調(diào)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=90.7=6.3w。故在仿真調(diào)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(diào)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(diào)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），io=0.7a，仿真圖如圖2.5示。圖2.5 直流穩(wěn)

14、壓電源最大輸出電流測試圖 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(biāo)。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220v和269v時負(fù)載上的電流基本不變，滿足io=0。

15、穩(wěn)壓系數(shù)sv=（9.121-9.115）9.115（269-220）220100%=0.0029，sv0.003，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(biāo)。3 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(shí)現(xiàn)后續(xù)電路正常的工作。（2）保險絲設(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(hù)電路中的元器件，以防電路中出現(xiàn)電流

16、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(fù)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(shí)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(diào)整端adj，其作用是在輸入電壓ui輸入適當(dāng)?shù)碾妷海瑥妮敵龆藆o得到設(shè)

17、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(shí)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（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(fù)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(hù)二極管in4007芯片處的兩只二極管in4007起保護(hù)作用，為穩(wěn)壓器接反時與逆偏置保護(hù)用二極管。（3）散熱裝置設(shè)計中采用了散熱片，用于保護(hù)芯片且為得到額定輸出電流。3.2 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖和pcb圖設(shè)計電路的電路原理圖如下圖3.1示。電路圖來源protel

18、 99 se。圖3.1 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(biāo)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lm317t1個4 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論及誤差分析、教學(xué)建議 4.1 直流

19、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(dāng)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lm317、337系列。其中78xx、lm317系列為正電壓輸出，79xx、lm337系列為負(fù)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，可使得變壓器的利用率較高。4.1.2直流穩(wěn)壓電

20、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(fù)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。4.2 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(fù)，則說明整流電路沒有接對，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

21、，調(diào)節(jié)rp使之為不同的阻值，同時用萬用表測量負(fù)載rl兩端的電壓并進(jìn)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(biāo)，說明穩(wěn)壓電源中各級電路都能正常工作，然后再進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)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(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

22、，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(jìn)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(dá)到符合性能指標(biāo)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 10.0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(yùn)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，完成