直流可调恒流源设计说明

1、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课程设计的任务与要求11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。1.2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输入(AC): U=220V, f=50HZo(2) 输出电流稳定，在一定围可调。(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

2、数。 13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直流可调恒流源系统方案制定2.1方案提出方案一电网提供交流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

3、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。2.2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直流可调恒流源系统方案设计3.1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：r整 流滤波恒 流4AA(S八.O 1

4、负载图1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/Pl=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3-4图2強流电賂图(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3滤波电賂图稳压电路: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

5、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，由干整流滤波电路阻的存在，当负载变化时，阻上的电压将产生相反的变化，干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。LM317AH -V92G VOLTAGE-图4稳压电賂图(5) 镜像电流源：电源Vcc通过电阻R和VT1产生一个基准电流Iref,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。Ib = Ib2 = lb(3-1)Ic = Ic2 = Ic(3-2

6、)Ic Ic2 Iref 21b Iref 2(Ic2 / 0)(3-3)Ic2 Iref X 1(1 + 2 / /?)(3-4)当p2时，可得：Ic2 U Iref Vcc 一 Ubel十 R(3-5)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。图5債像电流源电路图3.2电賂参数的计算及元舉件的选择(1) 变压器副边电压2：要求输出电压围为1.25V-15V,所以S min = 1.25U t/pmax=15V(3-6)因为 Ui IJo max X (Ui Uo) min Uo min 5 (Ui Uo) max所以 16.2 W /2*S =

7、 4.5W(3-9)变压器选择220转20V的，输出功率10W的。(4) 整流电路中的二极管因为变压器的副边电压5 = 20V所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：1.142 = 22.83桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：lo2 = 75诅查资料选1B4B42整流堆，其参数为：反向击穿电=100- 600V22.83最大整流电流=1A125机4。121(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RJ(35)T/2式中，T为交流电源电压的周期。由上式可以解得C = (35)T/2电容进行充放电时，其电压可达到最大值约为1.42 = 22.83

8、1/,所以选择电容为 400“F,耐压值大于22.83的。(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1.25Vo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 = (l + /?3/7?i)xl.25V(3-10)在凡上并联一个10F电容C3,可以减少心上的波纹，但是，在输出开路时，C 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D；,提供一个放电回 路，D,D起保护作用。由于LM317工作时必须大于其最小工作电流5mA,所以一般Ry 240Q,在此令 /?i = 12

9、0Q,根据上式可以求出Rga1.6KC.(7) 镜像电流源：电源通过电阻R和V门产生一个基准电流厶，然后通过镜像电 流源在W2的集电极得到相应的厶2 ,作为提供给某个放大器的偏置电流。Ib Ib2 = Ih(3-11)Ic Ic2 Ic(3-12)Ic Ic2 Iref 21b Iref 2(/c2 / 0)(3-13)得：/2时，可得：Ic2 Q Iref VccUbe 4- R(3-15)3.3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) o仅 仅从公式本身看，Rl、R2的

10、电阻值可以随意设定。首先317稳压块的输出电压 变化围是Vo=1.25V37V (高输出电压的317稳压块如LM317HVA、 LM317HVK等，其输出电压变化围是Vo=1.25V45V),所以R2/R1的比值围只能是028.6。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 1.5mAo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5mAo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，31

11、7稳压块就可以输出稳定的直流电压。LM337的输出电压围是-1.2V至-37V,负载电流最大为0.42.2A。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置有过载保护、安全区保护等多种 保护电路。3-4系统養体电賂图图6系统養体电路图4直流可调恒流源系统仿真和调试4.1仿真软件介绍MultisimlO 简介Multisim工作界面B：幻 f*S(E) MOJ tBMlJS彌 raa15口 WWB)o色a耳a呂 WQEQ&霧習鼻占他m也“卜.“w玩件一e a % r图7 Multisim工作界面图美国国家仪器最新推出的Mu

12、ltisimlO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 Multisim 10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。Multisim 10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。Multisim 10运行环境的基本配置:操作系数：Windows XP Professiona

13、l Windows 2000 SP3 中央处理器：Pentium 4 Processor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：1024X768其优点如下：(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

14、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 Lab VIEW和SignMExpress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。4.2系统仿真实现Multisim 仿真伊万用耒-XMMl24 45 mALIHI VR2G TOLTAG-:U1 ：LM317AH I 图8系统仿克图R1封装图图9 PCB封装图4.3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

15、化与否时，电流呈线性变化4.4数据分析Ui/V234567Ui/V8.3712.2717.621.0524.4531.27理论电压电流关系为：I=4.54*Uio实验数据的线性关系为：I=4.5083*Ui,在误差 围，证明实验已成功。5总结5.1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。5.2收获体

16、会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。6參考文猷11康华光，电子技术基础（模拟部分）（第五版）M.髙等教育，2006.康华光，电于技术基础（数字部分）（第五版）M|.高等教育，2006.3 大钦，电子技术基础实验一一电于电路实验、设计、仿直（第二版）M4 卢结成，电于电路实验及应用课题设计M.中国科学技术大学.腳介华，电于技术课程设计指导岡.高等教育，1997.6 Wayne Tomasi.Advanced Electronic Communicati