可调稳压源课程设计

1、The University of South China 电子技术 课程设计说明书设计题目： 可调直流稳压源 专 业： 建筑电气与智能化专业 年 级： 2012级 学 号： 姓 名： 指导教师： 2014年6月15日 电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、设计目的1.掌握稳压源设计流程；2.掌握稳压源的基本组成。二、设计内容及要求1、采用可调式三端稳压器LM317设计一个稳压电源，能得到-3-12V连续可调的直流电压，输出电流；2、弄清纹波电压、电压调整率、电流调整率的概念；3、计算变压器的副边功率、整流管承受的反向峰值电压、稳压器的功耗（根

2、据此功耗，选择合适的散热器）； 4、发挥：设计一个当输入电压在220V交流时，输出-3-12V的直流稳压电源。 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）,器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写。4课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容16月3日-6月4日查找资料、调研26月5日-6月6日总体方案设计36月7日-6月10日电路设计（画电路图、参数

3、计算）46月11日-6月15日撰写设计说明书（含答辩） 目 录引言 11 直流稳压源介绍12 方案设计与论证22.1 整流电路方案选择 22.2 滤波电路方案选择 22.3 稳压电路方案选择 33 单元电路设计与参数计算及元器件的选择33.1 电源变压器 33.2 整流电路 33.3 滤波电路 43.4 稳压电路 63.5 电源质量指标 84 总原理图与元器件清单 95 安装与试调 106 制作实物电路 117 心得体会 11参考文献 12引言在电子电路和电气设备中，一般都需要电压稳定的直流电源供电，这些直流电源除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电转化为直流电的直流稳压电

4、源。直流稳压电源可分为开关电源和线性电源。开关电源最大的优点是效率高、体积小，缺点是精度低、稳定性差、噪声大；直流线性稳压电源最大的优点是稳定性好、精度高、噪声小，缺点是效率低、体积大。因此，对于电源稳定性要求不高的一般情况供电和输出大功率电源，可选用开关电源。对于电源精度、噪声要求高的场合必须选用线性电源，比如电压基准期，高精度的测量仪器等等。1 直流稳压源的简介稳压电路的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。直流稳压电源一般有电源稳压器、整

5、流电路、滤波电路和稳压电路4个基本部分组成，其原理框图乳下图1所示。电网供给的交流电压u1(220v,50Hz)经电源变压器降压后得到符合电路需要的交流电压u2；然后整流电路换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3；再用滤波器滤去其交流分量，就得到比较平直的直流电源ui。但这样的直流输出电压还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出的直流电压更加稳定。 图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程2 方案设计与论证2.1 整流方案的选择方案一：单相半波整流电路：单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或

6、者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vi，变压器的利用率低。 方案二：单相全波整流电路：使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。 方案三：单相桥式整流电路：使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。2.2 滤

7、波电路方案选择滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电路两端并联电容C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容，电感组合而成的各钟复式滤波电路。由于电抗元件有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，当电源电压降低是，就把电场能量释放出来，使负载电压较为平滑，级电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它能把能量储存起来，而当电流减小时，又把磁场能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。 图2 三种滤波原理图方案一：电容输入式滤波(C型滤波)原理如图2（a）所示在桥式整流

8、电路和负载间并入一个电容器C。特点：二极管的导电角小于180度，流过二极管的瞬时电流很大 ，电容输入式滤波用于小功率电源中，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，但输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。方案二：电感输入式滤波电路（倒L型滤波电路）原理如图2（b）所示在桥式整流电路和负载间串入一个电感器L。特点：整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），无峰值电流输出较为平坦；但由于铁芯的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。方案三：型滤波电路原理如图2（c）所示 特点：输出电压较高，波形较为平滑，但带负载能力较差，功耗

9、较大，由于带有铁芯的电感线圈体积大，价格高，因此，用电阻R来代替电感L构成RC-型滤波器，只要适当选择R和C的参数，在负载两端就可以获得脉动极小的直流电压。这种滤波电路体积小，重量轻，在小功率电子设备中被广泛采用。综合3种方案的优缺点:决定选用方案一。2.3 稳压电路方案选择方案一：串联型晶体稳压电路 图3 串联型晶体稳压管电路原理图稳压部分为串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管T1）；比较放大器T2、R7；取样电路R1、R2、RW，基准电压DW、R3和过流保护电路T3管及电阻R4、R5、R6等组成。 整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为： 当电网电

10、压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经T2放大后送至调整管T1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。   由于在稳压电路中，调整管与负载串联，因此流过它的电流与负载电流一样大。当输出电流过大或发生短路时，调整管会因电流过大或电压过高而损坏，所以需要对调整管加以保护。在电路中，晶体管T3、R4、R5、R6组成减流型保护电路。当此电路在开始起保护作用时，输出电流减小，输出电压降低。故障排除后电路应能自动恢复正常工作。在调试时，若保护提前作用，应减少R

11、6值；若保护作用迟后，则应增大R6之值。.方案二：集成稳压器型稳压电路 图4 集成稳压器型稳压电路原理图采用三端集成稳压器电路，用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。综合2种方案的优缺点:决定选用方案二，电路较为简单器件容易购买。3 单元电路设计与参数计算及元器件的选择31 电源变压器电源变压器将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电

12、源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率 副边功率 效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。由于LM317（LM337）的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值，故LM317(LM337)的输入电压范围为： 即 ， 取 变压器

13、副边电流： ，取，因此，变压器副边输出功率：由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为的变压器。3.2 整流电路整流电路采用桥式整流电路，电路如图5所示。在u2的正半周内，二极管D1、D4导通，D2、D3截止；u2的负半周内，D2、D3导通，D1、D4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6所示。 图5 整流电路图 图6 整流输出波形在桥流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。所以选择MDA2501整

14、流桥硅。MDA2501整流桥硅的参数：整流元件：半桥功率特性：大功率频率特性：高频交流输入电压：21（V）直流输出电压：21（V）直流输出电流：1（A）正向峰值电压：1212（V）反向重复峰值电压：12（V）反向重复峰值电流：1212（mA）绝缘电压：1212（V）工作结温：1212（）效率：112（%）3.3 滤波电路在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流： （I2是变压器副边电流的有效值。） 电容滤波电

15、路 采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。 在整流电路的输出端，即负载电阻两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图7所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。图7单相桥式整流电容滤波电路从图7可以看出，当u2为正半周时, 电源u2通过导通的二极管VD1、VD3向负载供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1t2），输出电压；达峰值后减小，当时，VD1、VD3提前截止，电容C通过放电，输出电压缓慢下降（如t2t3），由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，当下降不多时已开始下

16、一个上升周期，当时，电源u2又通过导通的VD2、VD4向负载供电，同时再给电容C充电（如t3t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压平滑多了。显然，放电时间常数C越大、输出电压越平滑。若负载开路（=），电容无放电回路，输出电压将保持为u2的峰值不变。输出电压的估算 显然，电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数=C有关，应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当 =C（35）T /2=0.05s时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即 在已知负载电阻的情况下，根据式子选择滤波电容C的容量，即 C（3

17、5） T /21000uF 若容量偏小，输出电压Uo将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。所以选择2200uF的电解电容滤波。3.4 稳压电路 在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：,直流输出电流：（是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。稳压电路原理电路见图8 图 8 稳压电路原理图选择集成三端稳压器

18、因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和lM337系列的引脚功能相同，这里我们采用的是LM337K,管脚图和典型电路如图9. 图9 LM317和LM337引脚图 图10 LM317内部结构图LM317其特性参数：输出电压：

19、1.25-37V DC； 输出电流：5mA-1.5A；芯片内部具有过热、过流、短路保护电路；最大输入-输出电压差：40V DC，最小输入-输出电压差：3V DC；使用环境温度：-10-+85 。存储环境温度：-65-+150 。LM337其特性参数：输出电压可调范围：-1.25V-37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差：340V能满足设计要求,故选用LM317和LM337组成稳压电路。 图11 稳压电路原理图输出电压计算公式 （1） （2）有（1）（2）可得： ， 则 的阻值不是标称值，取标称阻值470。我们一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。3.5 稳压

20、电源的质量指标1）稳压系数输出电压和输入电压相对变化量之比 基本满足要求2）纹波电压谐波电压的总的有效值 满足要求3） 电流调整率 指负载电流从零变到最大时，输出电压的相对变化之比，即 4 总原理图及元器件清单 图12 总电路原理图 表2 元器件清单元件序列型号元件参数值数量备注T1变压器24V1实际输入电压大于12VD1 D2 D3 D4 二极管1N4001，1A4也可用MDA2501电解电容2.2mF/50V1电解电容220uF/50V1电阻1501电阻9001电位器4701U三稳压器LM337、LM317可调范围1.25V37V15 安装与调试(使用Mutisim调试)按PCB图所示，制

21、作好电路板。安装时，先安装比较小的元件，所以先安装整流电路，再安装稳压电路，最后再装上滤波电路（电容）。安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用万用表检查整流后输出LM317输入端电压UI的极性，若UI的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路， 就会损坏集成稳压器。然后接通电源，调节RW的值，若输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。仿真原理图如下： 图13 仿真原理图（a） 图14仿真原理图（b） 图15 仿真结果图（1） 图15 仿真结果图（2）6 制作电路实物根据仿真的原理图在电路板上安装个元器件依次连线焊接固定，通电用万用表测量输出电压是否符合标准。 7 心得体会经过两个星期的努力，终于完成的这个设计。拿到这个题目后，感觉不难，这些就是动动手而已的，看似简单的题目，做起来还真有些难。找资料、设计电路、画图花了差不多