连续可调输出稳压电源设计（程序+任务书+答辩稿+说明书）

任务书学生姓名学号班级专业设计题目连续可调输出稳压电源设计指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注设计（论文）内容：17805集成稳压器电路端输出电压Uo固定：+5V.2LM317集成稳压器电路端输出电压Uo可调：1.2V30V3LM337集成稳压器电路端输出电压Uo可调：-1.2V-30V4明白其各个单元电路的工作原理。5准确计算或估算电路参数，正确选择电路元件与设备，给出元件、设备明细表。6撰写设计论文，要求准确阐述电路选择依据，反映计算方法、元件、设备选择等设计过程，字数不少于6000字。进度安排：第2-3周：查找资料，选择参考方案；第4周：进行电路理论设计，草绘电路原理图，初步形成论文框架；第5周：准确计算或估算电路参数，列出元件、设备明细表；第6-7周：进行电路仿真验证，并完成论文初稿；第8周：进行实物电路的安装与简单测试；第9周：毕业设计半期检查（要求完成论文初稿，完成电子制作）；第10-11周：实物电路的性能测试及电路改善；第12-13周：绘制电路原理图（A4），撰写、完善毕业论文；第14-15周：按指导教师要求修改论文，按学院要求调整好论文格式，打印答辩论文；第16周：完成答辩PPT，并准备答辩；第17-18周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1华成英模拟电子技术基本教程清华大学出版社，200622孙建成模拟电子技术化学工业出版社，200263华永平模拟电子线路理论、实验与仿真电子工业出版社，200534朱定华、吴建新模拟电子技术清华大学出版社、北京交通大学出版社，20052审批意见教研室负责人：年月日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。，I摘要本设计是用三端稳压器LM317、LM337、7085设计一个连续可调输出稳压电源电路和一个固定输出+5V电源电路。用作电子技术实验的电源板；电路具有正负连续可调双直流电输出，可配合双电源运算放大电路做实验用；具有一个+5V单路固定输出，可配合数字电路和单片机电路做实验用；电源具有过载保护功能。其输出连续可调正电压为+1.25V+30V，输出连续可调负电压为1.25V30V；固定输出电压为+5V。关键词直流电源；三端稳压器；稳压电路II目录摘要.1第1章绪论.21.1直流稳压电源的组成.21.2直流稳压电源的分类.21.3直流稳压电源的技术指标.21.3.1特性指标.21.3.2质量指标.3第2章电源电路框图及各单元电路设计.42.1电源电路框图.42.2各单元电路设计.42.2.1变压器的设计.42.2.2整流电路与滤波电路的设计.52.2.3稳压电路的设计.7第3章电路参数的计算与元件的选择.113.1集成稳压器的选择.113.2滤波电路中滤波电容的选择.113.3整流电路中的二极管的选择.123.4变压器的选择.12第4章整机工作原理及仿真结果验证.144.1整机工作原理.144.2仿真结果验证.14结论.17参考文献.18附录1电路原理图.19附录2元器件明细表.20第0页第1章绪论1.1直流稳压电源的组成在当今社会由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电，小功率的稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。1.2直流稳压电源的分类稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着头脑，不知道从哪里入手。其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系，只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。1.3直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。1.3.1特性指标1输出电压范围：符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。第1页2最大输入输出电压差：该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。3最小输入输出电压差：该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入输出之间的电压差值。4输出负载电流范围：输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。1.3.2质量指标1电压调整率SV：电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压Vo稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。2电流调整率SI：电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。3纹波抑制比SR：纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。4温度稳定性K：集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（TminTiTmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。第2页第2章电源电路框图及各单元电路设计2.1电源电路框图本设计介绍的是小功率（1000W以下）直流电源，它由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成，电源变压器将电网交流电变换到所需的数值，经整流电路转变成单向脉动的直流，再经滤波电路滤去交流成分，使输出直流电压比较平滑。但是，此电压仍随电网电压波动、负载变动及温度变化而变化，为此需要稳压电路维持输出电压稳定。如图2-1所示。整机电路分为以下几个部分：1变压器：将高压交流电转化成低压交流电（也有相反方向的）。2整流电路：将交流电转化为直流电。3滤波电路：滤除整流输出的剩余交流成分，最后输出稳定的直流电压。4稳压电路：采用某些措施，使输出的直流电压在电源发生波动或负载变化时保持稳定。图2-1连续可调输出稳压电源电路方框结构图2.2各单元电路设计2.2.1变压器的设计图2-2-1变压器电路符号在本设计中所采用的是中心抽头式变压器。如图2-2-1所示，变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线TU1U2220V50Hz24V24V交流电源变压器稳压电路滤波电路整流电路负载第3页圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损。铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。2.2.2整流电路与滤波电路的设计VD1VD4VD2VD3T+C图2-2-2整流滤波电路U1U2220V50HzRL整流电路的作用是利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。整流电路常采用二极管单相桥式整流电路，电路如图2-2-2所示。在u2的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；u2的负半周内，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图2-2-3所示。滤波电路的作用是可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。在本设计中选择的是电容滤波电路。如图2-2-4所示。工作原理：假定在t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，VD1、VD3导通，C被充电，因此uo=uCu2，在u2达到最大值时，uo也达到最大值，第4页见图2-5中a点，然后u2下降，此时uCu2，VD1、VD3截止，电容C向负载电阻R、L放电，由于放电时间常数=RLC一般较大，电容电压uC按指数规律缓慢下降。当uo(uC)下降到图2-5中b点后，u2uC，VD2、VD4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充、放电过程。图2-2-3单相桥式整流电路的输出波形图2-2-4电容滤波电路的输出波形第5页2.2.3稳压电路的设计稳压电路的作用是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。在本设计中采用的是可调输出三端稳压器LM317、LM337和固定输出三端稳压器7805。17805的功能及应用电路图三端稳压集成电路7805是常用的稳压三端芯片，最大输出电流分别为1.5A，0.5A，0.1A；7805输入电压7V15V是正常工作范围，7805最高输入电压是35V左右。最低必须高于5V，稳压后输出5V固定电压。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V。要使三端可调集成稳压器工作在最佳状态下，使其输出端的纹波处于最小的情况下，可分别在电路的输入端、输出端及稳压器的调整端接上滤波电容器，图中二极管为三端可调集成稳压器的保护二极管，当三端稳压器输入端、输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而保护三端可调集成稳压器。7805应用电路图如图2-2-5所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。当输出电压较大时，7805应配上散热板。图2-2-57805应用电路2LM317的功能及应用电路图LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A，输入电压与输7805C1C2ViVoD第6页出电压差的允许范围为：UIUo=3V40V。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。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317的输入电压为30多伏，输出电压1.5V32V，电流1.5A。不过在用的时候要注意功耗问题注意散热问题。LM317有三个引脚一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压，输出引脚接负载，电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚另一个接可调电阻（几k）接于地输入和输出引脚对地要接滤波电容。要使三端可调集成稳压器工作在最佳状态下，使其输出端的纹波处于最小的情况下，可分别在电路的输入端、输出端及稳压器的调整端接上滤波电容器，图中二极管为三端可调集成稳压器的保护二极管，当三端稳压器输入端、输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而保护三端可调集成稳压器。LM317应用电路图如图2-2-6所示。图2-2-6LM317应用电路3LM337的功能及应用电路图LM337是LM317的负电压版本，LM337是比较常见的降压型线性稳压器，目前市面上有很多家有提供同型号性能相近的产品。LM337的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为0.5A5A。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。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器高得多的纹波抑制比。特性简介：LM317C1C2ViVoRPRinoutADJ+D第7页典型线性调整率0.01%；典型负载调整率0.1%；80dB纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护；输入输出最小压差降为0.2V。要使三端可调集成稳压器工作在最佳状态下，使其输出端的纹波处于最小的情况下，可分别在电路的输入端、输出端及稳压器的调整端接上滤波电容器，图中二极管为三端可调集成稳压器的保护二极管，当三端稳压器输入端、输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而保护三端可调集成稳压器。LM337应用电路图如图2-2-7所示。图2-2-7LM337应用电路稳压电路是为了使整流滤波的输出电压更加稳定，必须加接稳压电路。连续可调稳压电路通常由调整电路、基准电压源和保护电路3部分组成。其中调整电路由稳压管的ADJ端下面的可调电阻组成；基准电压源VP由稳压管的输入端的UI组成；保护电路由二极管组成，当三端稳压器输入端、输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而保护三端可调集成稳压器。为使输出电压Vo稳定，基准电压VP作输入信号，稳压过程就是电压串联负反馈稳定输出电压的过程。稳压管的输出端与调整端之间设定了一个较小的1.25V参考电压UREF，此电压加于给定电阻R两端，当此电压确定不变时，会有一个恒定电流I通过输出调整电阻RP，并给出输出电压；所以在设计稳压器时，可以适当选配R和RP的数值来得到所需要的电压。不过在选配中一定要使IADJ尽可能小，也就是说I相对于人IADJ尽可能大(IADJ一般约在50A100A之间)，这样可在负载变化时保证输出电压恒定不变。要使三端可调集成稳压器工作在最佳状态下，使其输出端的纹波处于最小的情况下，可分别在电路的输入端、输出端及稳压器的调整端接上滤波电容器。图中，二极管为三端可调集LM337C1C2RRPADJinoutVi+VoD第8页成稳压器的保护二极管，当三端稳压器输入端、输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而保护三端可调集成稳压器。稳压电路如图2-2-8所示。图2-2-8稳压电路第9页第3章电路参数的计算与元件的选择3.1集成稳压器的选择集成稳压器选用7805、LM317、LM337。其中7805输出电压为：5V，最大输出电流为0.5A，在所确定的电路图中取C1=0.33F，C2=0.1F；LM317输出电压范围为：1.2V37V，最大输出电流Iomax为1.5A；LM337输出电压范围为：1.2V37V，最大输出电流Iomax为1.5A。在所确定的稳压电源电路图中取C3=0.1F，C5=10F，C7=1F，二极管用IN4007。为保证空载时也能正常工作，要求R1上的电流I1不小于5mA。所以：250/.1/1IUREF根据标称值取R1=240。R1和R3组成输出电压调节电路，输出电压：)/(25.13o可求得：R3=5.5k，根据标称值取R3=5.7k。3.2滤波电路中滤波电容的选择根据：V30UVImA50P31VS和公式：常数常数oITIvU0可求得：V67.1035.0vIpoIS第10页所以，滤波电容：F=4790F04791.67.125802max0IIcUTtC电容的耐压要大于V，故滤波电容C取容量为4700F，32耐压为50V的电解电容。3.3整流电路中的二极管的选择由于：V42.302URMA8.max0IIN4007的反向击穿电压URM50V，额定工作电流ID=1AI0max，故整流二极管选用IN4007。3.4变压器的选择根据性能指标要求：V25.1minoUV30ax由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值：VminoI输入电压与输出电压差的最大值：V40axoIU故LM317的输入电压范围为：maxminminmax)()(oIoIoIoU即30V+3V1.25V+40VIU33V41.25VV301.Im2in取V。302U变压器副边电流：第11页A8.0max2oI取A，因此，变压器副边输出功率：12IW243.2UIP由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率：7.0W9.7.0/21所以所选变压器的型号为：220V/50Hz，输出双绕组AC为24V。第12页第4章整机工作原理及仿真结果验证4.1整机工作原理原理图如附录2所示，首先将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。再将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。再通过滤波电路把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。7805稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UIUo2V。稳压器的静态电流Io=8mA。当Uo=5V18V时，UI的最大值UImax=35V；当Uo=18V24V时，UI的最大值UImax=40V。可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的LM317三端稳压器；有输出负电压的LM337三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2V37V，最大输出电流Iomax=1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UIUo=3V40V。4.2仿真结果验证本设计采用的是软件Mulitisim10.0来进行的仿真，首先按照连续可调输出稳压电源原理图在Mulitisim10.0仿真软件中连接原理图，在连接原理图的过程中注意元件的参数设置。在Mulitisim10.0仿真软件中连接好原理图后，设置好参数，经过电气规则检测无误，然后用万用表或电压表检测各输出端输出电压。其电路图如图4-1示。第13页图4-1仿真电路图1输出最小电压仿真结果：a）变压器的测量值b）三端稳压器7805的测量值c）三端稳压器LM317的测量值d）三端稳压器LM337的测量值图4-2仿真仪表数据结果第14页如图4-2所示，图a）电压表的测量值为可调电阻最小时的变压器测量值47.96V，与实际变压器的输出值误差为0.08%。图b）电压表的测量值为可调电阻最小时的三端稳压器7805测量值5.006V，与实际三端稳压器7805的输出值误差为0.1%。图c）电压表的测量值为可调电阻最小时的三端稳压器LM317测量值1.358V，与实际三端稳压器LM317的输出值误差为8%。图d）电压表的测量值为可调电阻最小时的三端稳压器LM337测量值4.473V，与实际三端稳压器LM337的输出值误差为58%。2输出最大电压仿真结果：a)变压器的测量值b)三端稳压器7805的测量值c)三端稳压器LM317的测量值d)三端稳压器LM337的测量值图4-3仿真仪表数据结果如图4-3所示，图a）电压表的测量值为可调电阻最大时的变压器测量值47.947V，与实际变压器的测量值误差为0.1%，图b）电压表的测量值为可调电阻最大时的三端稳压器7805测量值5.005V，与实际三端稳压器7805的输出值误差为0.1%。图c）电压表的测量值为可调电阻最大时的三端稳压器LM317输出值30.592V，与实际三端稳压器LM317的输出值误差为1%。图d）电压表的测量值为可调电阻最大时的三端稳压器LM337测量值31.6