直流可调恒流源设计

中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 0 页 共 13 页 2013 年 3 月 直流可调恒流源设计 学生 徐乐 指导教师 王留留 电气信息工程学院自动化专业 1 1 课程设计的任务与要求课程设计的任务与要求 1 11 1 课程设计的任务课程设计的任务 设计一个直流可调恒流源电路 通过调节线性电位器 产生可控恒定电流 当固定时产 生恒定电流 1 21 2 课程设计的要求课程设计的要求 设计一个简易可调恒流源产生电路 满足日常生活对恒定电流的需要 1 输入 AC U 220V f 50HZ 2 输出电流稳定 在一定范围可调 3 设计电路结构 选择电路元件 计算确定元件参数 画出实用原理电路图 4 自拟实验方法 步骤及数据表格 提出测试所需仪器及元器件的规格 数量 5 在 Multisim 软件上画出电路图 并仿真和调试 并测试其主要性能参数 1 31 3 课程设计的研究基础课程设计的研究基础 电子技术基础 模电部分 变压器 整流电路 滤波电路 稳压芯片 镜像电流源的工作原理 2 2 直流可调恒流源系统方案制定直流可调恒流源系统方案制定 2 12 1 方案提出方案提出 方案一 1 电网提供交流 220V 有效值 频率为 50Hz 的电压 要获得低压直流输出 首先必须采用 电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压 2 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 3 脉动大的直流电压经过滤波电路变成平滑 脉动小的直流电 即将交流成份滤掉 保 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 1 页 共 13 页 留其直流成份 4 滤波后的直流电压 再通过稳压经可调恒流源电路 便可得到可调的恒定直流电流输 出 供给负载 RL 方案二 1 将交流电 220v 电压转化为可调恒压源输出 包括降压器 整流电路 滤波稳压芯片 取样电路 2 电压电流转换电路 3 两电路整合 将 220v 电压转化为可调恒流源 2 22 2 方案论证方案论证 第一种方案是直接设计直流可调恒流源电路 只有一个电路 第二种方案是通过电压电流 转换电路 将两个电路整合 要设计的电路比较多 第一种方案比较简单 通过比较选择第 一种方案 3 3 直流可调恒流源系统方案设计直流可调恒流源系统方案设计 3 13 1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计 直流恒流电源是一种将 220V 交流电转换成恒流输出的直流电的装置 它需要变压 整流 滤波 恒流四个环节才能完成 一般由电源变压器 整流滤波稳压电路及恒流电路 所组成 基本框图如下 图图 1 1 系统框图系统框图 1 电源变压器 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 变 压器的变比由变压器的副边确定 变压器副边与原边的功率比为 P2 P1 n 式中 n 是变压 器的效率 2 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路 T 整 流 滤 波 恒 流 负 载 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 2 页 共 13 页 图图2 2 整流电路图整流电路图 3 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U1 常用的整流滤波电路有全波整流滤波 桥式整流 滤波等 图图3 3 滤波电路图滤波电路图 4 稳压电路 虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压 但是 一方 面 由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值 所以当电网电压波动时 输出 电压平均值将随之产生相应的波动 另一方面 由于整流滤波电路内阻的存在 当负载 变化时 内阻上的电压将产生相反的变化 于是输出电压平均值也将随之产生相反的变 化 因此 整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动 随着负载电阻的变化 而变化 为了获得稳定性好的直流电压 必须采取稳压措施 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 3 页 共 13 页 图图 4 4 稳压电路图稳压电路图 5 镜像电流源 1 电源 Vcc 通过电阻 R 和 VT1 产生一个基准电流 I ref 然后通过镜像电 流源在 VT2 的集电极得到相应的 Ic2 作为提供给某个放大器的偏置电流 3 1 bbbIII 21 3 2 cccIII 21 3 3 22221 crefbrefccIIIIII 3 4 21 1 2 refcII 当 2 时 可得 3 5 RUVIIbeccrefc 12 由于输出恒流 Ic2 和基准电流基本相同他们如同镜像的关系所以这种恒流电路称为镜像电流 源 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 4 页 共 13 页 图图 5 5 镜像电流源电路图镜像电流源电路图 3 23 2 电路参数的计算及元器件的选择电路参数的计算及元器件的选择 1 变压器副边电压 2U 要求输出电压范围为 1 25V 15V 所以VUo25 1 min VUo15max 因为 3 6 minmax oioiUUUU maxmin oioiUUUU 其中 VUUoi2 1 minmax VUU oi37 maxmin 所以 16 238 25 iU 此范围可选 VUi24 根据 3 7 2 2 1 1 1 UUi 可得变压的副边电压202 1 2 iUU 2 变压器副边电流 2I 3 8 max2 2 5 1 oII mAIo150max 所以mAmAI2251505 12 3 选择变压器的功率 变压器的输出功率 3 9 WUIPo5 4 22 变压器选择 220 转 20V 的 输出功率 10W 的 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 5 页 共 13 页 4 整流电路中的二极管 因为变压器的副边电压VU202 所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为 VU83 2214 1 2 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为 mAIo752 max 查资料选 1B4B42 整流堆 其参数为 反向击穿电83 22600100 VU 最大整流电流 2 mAAIF1251 5 滤波电容的选择 为得到较平滑的负载电压 要对整流后的波形进行滤波 一般取式中 T2 5 3 TRLC 为交流电源电压的周期 由上式可以解得 电容进行充放电时 2 5 3 TC uFRL800 其电压可达到最大值约为 所以选择电容为 耐压值大于 22 83 的 VU83 224 12 uF400 6 三端集成稳压器电路 LM317 组成的基准电压源电路 电容 C4 用于消除输出电压中的高频噪音 取 500nF 的电容 输出端和调整端之间的电压值为 1 25V 输出电流可达 1 5A 由于调整 端的电流可忽略不计 输出电压为 3 10 VRRUo25 1 1 13 在上并联一个 10 F 电容 可以减少上的波纹 但是 在输出开路时 C3R3C3R 将向稳压器调整管发射结反偏 为了保护稳压器 可加二极管 提供一个放电回3D 路 起保护作用 3 1D3D 由于LM317工作时必须大于其最小工作电流5mA 所以一般 在此令 2401R 1201R 根据上式可以求出 KR6 1max3 7 镜像电流源 电源 通过电阻 R 和产生一个基准电流 然后通过镜像电流源在ccV1TV refI 的集电极得到相应的 作为提供给某个放大器的偏置电流 2TV2cI 3 11 bbbIII 21 3 12 cccIII 21 3 13 22221 crefbrefccIIIIII 得 3 14 21 1 2 refcII 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 6 页 共 13 页 当 2 时 可得 3 15 RUVIIbeccrefc 12 3 33 3 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块 是一种使用方便 应用广泛的集成稳压 块 稳压电源的输出电压可用下式计算 Vo 1 25 1 R2 R1 仅仅从公式本身看 R1 R2 的电阻值可以随意设定 首先 317 稳压块的输出电压变化范围是 Vo 1 25V 37V 高输出电压的 317 稳压块如 LM317HVA LM317HVK 等 其输出电压变化范围是 Vo 1 25V 45V 所以 R2 R1 的比值范围只能是 0 28 6 其次是 317 稳压块都有一个最 小稳定工作电流 有的资料称为最小输出电流 也有的资料称为最小泄放电流 最小稳定工 作电流的值一般为 1 5mA 由于 317 稳压块的生产厂家不同 型号不同 其最小稳定工作电 流也不相同 但一般不大于 5mA 当 317 稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时 317 稳压块就不能正常工作 当 317 稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时 317 稳压块就可以输出稳定的直流电压 LM337 的输出电压范围是 1 2V 至 37V 负载电流最大为 0 4 2 2A 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 LM337 内置有过载保护 安全区保护等多种保护电路 4 3 43 4 系统整体电路图系统整体电路图 图图 6 6 系统整体电路图系统整体电路图 4 4 直流可调恒流源系统仿真和调试直流可调恒流源系统仿真和调试 4 14 1 仿真软件介绍仿真软件介绍 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 7 页 共 13 页 Multisim10 简介 Multisim 工作界面 图图 7 7 Multisim 工作界面图工作界面图 美国国家仪器有限公司最新推出的 Multisim10 软件为广大工程师提供了一个直观的原 理图捕获和交互之仿真平台 NI Multisim10 软件将功能强大的 SPICE 仿真和原理图捕获集成 在高度直观的 PC 电子实验室中 并结合了专业的印制电路板设计工具 Multisim10 可以实现原理图的捕获 电路分析 电路仿真 仿真仪器测试 射频分析 电片机等高级应用 其数量众多的元件数据库 标准化的仿真一起测试 直观的捕获界面 简洁明了的操作 强大的分析测试 可信的测试结果 为众多电子工程设计人员缩短开发研 发的时间 强化电路实验教学立下了汗马功劳 Multisim10 运行环境的基本配置 操作系数 Windows XP Professional Windows 2000 SP3 中央处理器 Pentium 4 Processor 内存 至少 512MB 硬盘 至少 1 5G 空闲空间 光盘驱动 CD ROM 显示器分辨率 1024 768 其优点如下 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 8 页 共 13 页 1 通过直观的电路图捕捉环境 轻松设计电路 2 通过交互式 SPICE 仿真 迅速了解电路行为 3 借助高级电路分析 理解基本设计特征 4 通过一个工具链 无缝地集成电路设计和虚拟测试 5 通过改进 整合设计流程 减少建模错误并缩短上市时间 NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真 能够快速 轻松 高效地对 电路进行设计和验证 凭借 NI Multisim 您可以立即创建具有完整组件库的电路图 并 利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为 借助专业的高级SPICE 分析和虚拟仪器 您 能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证 从而缩短建模循环 与NI LabVIEW 和 SignalExpress 软件的集成 完善了具有强大技术的设计流程 从而能够比较具有模拟 数据的实现建模测量 4 24 2 系统仿真实现系统仿真实现 Multisim 仿真 图图 8 8 系统仿真图系统仿真图 封装图 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 9 页 共 13 页 图图 9 9 PCBPCB 封装图封装图 4 34 3 系统测试系统测试 实验现象 1 滑动变阻器电阻不变 负载变化时 观测到电流不变 滑动变阻器电阻变化 负载变化与否时 电流呈线性变化 4 44 4 数据分析数据分析 Ui V234567 Ui V8 3712 2717 621 0524 4531 27 理论电压电流关系为 I 4 54 Ui 实验数据的线性关系为 I 4 5083 Ui 在误差范围内 证明实验已成功 5 5 总结总结 5 15 1 设计小结设计小结 在实验之前要根据实验要求 确定好基本方案 参阅与实验有关的文献 了解实验原理 确定好需要哪些元器件 绘制好框图和电路图 计算每一部分的元件参数 在仿真电路图中 设置好参数 通过仿真 观测数据 调试使元件数值达到要求 比较实际实验结果和理论的 结果 分析误差原因 找出解决的方法 尽可能地减小误差 得出实验结果与理论值相似的 数据 5 25 2 收获体会收获体会 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 10 页 共 13 页 通过这次的课程设计 我了解了直流可调恒流源电路的组成和工作原理 通过 计算参数 选择合适的元器件来设计电路 此次课程设计用到了模拟电路的知识 将书本上 的知识真正地用到实际电路设计中 此外我还学习了此次课程设计用到的两个仿真软件 Multisim 仿真软件和 Altium Designer 仿真软件直观的捕获界面 简洁明了的操作 强大 的分析测试帮助我很顺利地完成实验 6 6 参考文献参考文献 1 康华光 电子技术基础 模拟部分 第五版 M 高等教育出版社 2006 2 康华光 电子技术基础 数字部分 第五版 M 高等教育出