稳压电源的研究毕业论文

1、稳压电源的研究摘 要直流稳压电源是各类电子设备的重要组成部分，为设备提供稳定的电压。目前，在大多数电子设备及仪器中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，最常用的是能将有效值为220V、频率为50Hz的交流电网的电压转换成一定幅值的稳定的直流电压。本文是基于Multisim仿真软件研究利用可调式稳压器LM317实现将220V的市电转变为1.25V12V可调性输出的直流稳压电源。整个电源电路主要由变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四大部分组成。该类电源具有体积小,稳定性好且性价比较高的优点。本文主要介绍稳压电源的原理及其具体实现步骤,并分析具体硬件电路的工作原理及具体实现方法。经反复仿真

2、,结果表明设计的电源具有灵活的可调性和良好的控制效果，此类电源可广泛运用于电子仪器、仪表及其他电子控制电路等实验场合。关键词:Multisim；变压器；整流电路；滤波电路；稳压电路AbstractDC regulated power supply is very important part which can support device to work steadily. Nowadays, almost every electric device must use DC regulated power supply. The way that can translate AC to DC

3、 was wide used in the life.This system which we design is based on Mutisim software. We use LM317 chip to design DC regulated power supply. This system consists of transformer, rectifier, filter and a voltage regulator. In this paper, we introduce the step of DC power supply design and analyze its p

4、rinciple. Thought analyzing many times, we found the result meet the demand. And this power is small and stable and cheap. Therefore, it can widely use in most electric devices.Key Words: Multisim; Transformer; Rectifier ;Filter circuit; Voltage regulator目 录摘要IAbstractII1 引言11.1稳压直流电源的研究背景11.2稳压电源发展

5、现状及前景11.2本文主要研究内容及结构安排22 直流稳压电源的实现原理23 稳压电源系统的研究33.1变压器33.2整流电路4半波整流4全波整流5桥式整流63.3滤波电路83.4稳压电路103.5过流保护133.6直流稳压电源原理图154 测试结果及分析154.1测试结果155 总结17参考文献18致谢191 引言1.1稳压直流电源的研究背景直流稳压电源一般由四大部分组成，它们分别是变压器部分，整流滤波部分，滤波部分以及稳压器部分。通过变压器把220V的市电变为电源所需要的低压交流电，然后经过整流器，把交流电变成直流电，但是这时候的直流电并不稳定，需要经过滤波后，再由稳压器稳压输出稳定的直流

6、电。本设计采用LM317芯片作为集成稳压电路的芯片，不仅电路简单，而且电压可以在1.25V12V内连续可调，而且它效率高，性能好，有较高的调整精度，各方面都适合设计的要求。本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机的外接电源，也可以用作手机电池的充电器，功率高点的还作为小型电视或其他家用电器的电源。直流稳压电源是电子技术常用的仪器之一，它现在广泛的应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行实验操作和科学研究必不可少的电子仪器。在日常的电子电路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。所以，稳压直流电源具有非常重要的研究意义。在日常生活中，很多家用电器或者IT产品都要用到稳压直流电源供电

7、。但是在实际生活中，我们的家庭用电都是用到220V的交流电网。这就需要通过变压，整流，滤波，稳压电路来将交流电转换成稳压的直流电，供家用电器使用。变压器可以将220V的交流电转换成适合用电器的低压交流电。整流器由二极管组成，用于滤去整流输出电压中的纹波。本文主要研究利用可调式稳压器LM317实现1.25V12V可调性输出的直流稳压电源。整个电源电路主要由变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四大部分组成。该类电源具有体积小,稳定性好且性价比较高的优点。该类电源具有灵活的可调性和良好的控制效果，此类电源可广泛运用于电子仪器、仪表及其他电子控制电路等实验场合。1.2稳压电源发展现状及前景在电子线路

8、的相关应用中,电源是其必不可的部分,电源系统质量的优劣和性能的可靠性直接决定着整个电子设备的质量，提供直流能量的就是直流稳压电源 ,在我们日常生活中很多地方都离不开电子设备，而电子产品的稳定性，可靠性和精度与直流稳压电源的性能是否良好有很大的关系。当今世界，科技水平相对以前，必然有巨大的改变，并且有了大提高，电源技术也随之发展,以前它还是一个不太复杂的电子线路，现已经发展成为具有强大功能的模块。人们对电源的质量、功能和性能要求也随之变得越来越高。因此设计性能高，并且能稳定工作的直流稳压电源是接下来的趋势。1.2本文主要研究内容及结构安排本文主要研究利用可调式稳压器LM317实现1.25V12V

9、可调性输出的直流稳压电源。整个电源电路主要由变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路四大部分组成。具体内容分为五节：第一节引言主要介绍了本课题的背景及研究意义、国内外现状及前景。第二节主要介绍了直流稳压电源实现的原理。第三节是本文的重点，分别依次介绍稳压电源系统中的四大模块，接着将所有模块连接在一起，完成稳压电源系统的设计。第四节根据设计的稳压电源系统，分三组测试，说明稳压电源的可调性。第五节总结本次设计。2 直流稳压电源的实现原理本设计电路主要采用三端可调式集成稳压器LM317设计的1.25V到12V输出可调的直流稳压电源。使用时,只需调节电源电压调节器,即可得到所需的电压,使用方便,适应范围

10、较广。变压器整流电路滤波电路稳压电路市电220V012V直流电源本电源电路的原理框图如图2-1所示 ,其主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分所组成。图2-1 直流稳压电路系统图u u u u u 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 图2-2 直流稳压电路的波形变化图直流稳压电源的电路组成：（1）变压器电路：变压器作用就是降压，它将电网220V交流电压变换成我们所需要的交流电压，然后将此电压送给整流电路。变压器在选择的时候，根据所需电压和220的比值进行选择变压器的变比。（2）整流电路：整流电路是利用二极管的单向导电性，组成桥式整流电路，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流

11、电。（3）滤波电路：滤波电路是将整流电路输出电压中的交流成分加以滤除，但不是全部滤除，是大部分的交流成分得以滤除，从而得到相对比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的不太稳定的直流电压变得稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化，通常可以用一些晶体管组成的电路进行稳压，也可以利用一些集成芯片加上一些外围电路来实现稳压。3 稳压电源系统的研究3.1变压器变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压，这部分电路非常简单，常见的变压器的结构如图3-1所示。变压器的其入输出电压波形变化如图3-2所示，其中U1是输入信号的电压，U2是输出信号的电压，它们之

12、间有一个比例关系，这个比例关系是根据变压器的主副线圈匝数的比值得到的，也即为主副线圈匝数之比等于主副电压之比。 图3-1 变压器 U1 U2 0 t 0 t图3-2 变压器电路波形变化3.2整流电路电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种，下面将分别介绍这三种整流电路。半波整流半波整流是利用二极管的单向导电性实现的，其电路如图3-1所示。当输入信号处于正半周时，二极管处于导通状态，输出信号波形和输入信号波形几乎完全相同；当输入信号处于下半周时，二极管处于反向截止状态，这时没有输出信号，其输入输出波形如图3-2所示。图3-1 半波整流电路图3-2 半波整流电路波形如上图

13、波形所示，其中，红色为输入电压波形，蓝色为输出电压波形，从图中可以看出，半波整流电路将有一半的波形输出，一般的波形被截止，这将会导致有一半的能量被浪费掉了，电流利用率比较低，因此不适合在电源中使用。全波整流将上述的半波整流电流进行调整，就可以实现全波整流，如图3-3所示。全波整流电路可以看成是两个半波整流的合成，变压器次级线圈中间要引出一个抽头，这样把次级线圈分成两个对称的线圈。图3-3 全波整流电路由全波整流电路得到的信号，既有正半周的信号，也有负半周的信号，它将输入信号的正负半周的信号全部都整成正半周信号，实现的整流的作用，其输入输出信号如图3-4所示，其中红色波形为输入信号，蓝色波形为输

14、出信号。图3-4 全波整流电路波形从全波整流电路原理图可以看出，全波整流电路需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这将会带来制作上的麻烦。此外，这种电路中的二极管承受的最大反向电压是变压器次级电压的两倍，因此必须选择能承受较高电压的二极管，这又将导致设计成本增加。3.2.3桥式整流桥式整流电路是使用最多的一种电路，桥式整流器是利用四个二极管，依次连接，构成桥式形状，当输入信号为正半周时，其中对称的两只二极管导通，得到正的输出；当输入信号为负半周时，另外两只二极管导通，这样就可以将输入信号的正负半周的信号全不输出。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。图3-5 桥式整流电路桥式整

15、流电路的工作原理如下：当变压器的次级线圈电压为正半周时，对V1、V3加正向电压，V1、V3导通，电路中构成次级线圈、V1、R1、V3通电回路，在R1上形成上正下负的半波整流电压，次级线圈上电压为负半周时，V2、V4导通。电路中构成次级线圈、V2、R1、V4通电回路，也在R1上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，就可以在R1上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的，如图3-6所示，从图中还不难看出，桥式电路比全波整流电路小一半。图3-6 桥式整流电路波形二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系：整流输出电压平值： （3-1）二极管平均电流： （3-2）二极管最大反向压

16、： （3-3）桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。3.3滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。所以我们需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。对于滤波电路的选择有两种方案：方案一：采用电感滤波电路。由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，在电流减小时，能量就会被释放出来，这就让负载电流比较平滑，有平波的作用。在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，会发生电磁干扰。一般的情况下只

17、适用于大电流，低电压的情况。电感滤波电路图如图3-7所示：图3-7 电感滤波电路方案二：采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。电容滤波电路原理图如图3-8所示。图3-8 电容滤波电路经过分析，最终决定采用方案二。经过滤波，电路的电压、电流波形如图3-9所示。滤波电解电容C的选择原则是：取其放

18、电时间常数RL*C大于充电周期的35倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C(35) T/2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF的电解电容。设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=UcU2，在U2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容 C向负载电阻RL放电

19、，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，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充电放电过程，其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压的波动大为减小。图3-9 桥式整流电容滤波时的电压3.4稳压电路在本次设计中，稳压电源设计的核心电路就是稳压电路，在当今电子世界，几乎任何的电子设备都离不开稳定的直流电才能正常工作。因此，对稳压电源的研究以及熟悉稳压电路的组成和设计都是很有必要的。稳压电路最大的作用就是能提供相对比较稳定的直流电，但是，和理想的直流电源相比，整流滤波电路的输出电压还是有很大差别的，其中，主要

20、是差别有：一是当负载电流有变化的情况，由于整流滤波电路本身存在一定的内阻，因此，经过整流和滤波后输出的直流电压必然也会产生一定变化。二是因为我们平时用的电网电压并是特别稳定，当电网上的电压发生变化时，整流电路的输出很有可能会随着变压器副边电压的变化而变化，所以会导致输出直流电压会产生一定的变化。因此，在设计中，我们需要利用三端集成稳压器LM317这款芯片来实现稳定电压的功能。当我们用的电网电压或负载电流产生变化时，LM317调整自身的集射压降可以使输出电压不会受到此变化的影响。随着放大倍数的增加，其稳定性能会更好。采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一步份送到放大电路的输入端。其中

21、，启动电路的功能是在刚接通电流输入电压情况下，由放大电路、调整管以及基准电源等建立各自的工作电路，当启动电路被断开时，稳压电路才能正常工作，从而影响稳压电路的性能。保护电路主要是利用限流的方式来进行保护的，其中包括过压保护和过热保护的作用。另外，由输出端得到的采样电压与放大短路的基准电压性对比后再放大，并将此信号送到调整管的基极即可。由于串联型直流稳压电路是三端集成稳压器的一种，但是串联型直流稳压电路的输出信号的电压跟基准电压是正比关系，因此，稳压电路的输出电压的稳定性将会受到基准电压的稳定性的影响。图3-10 典型的稳压电路LM317是一种带有调节端的稳压块，它的输出电压可通过调节端来调节其

22、输出大小，是一种使用特别广泛集成稳压块，而且性能相对比较稳定。LM317有很多种型号，例如W317L、LM317HVH，等。我们最常用到的就是利用317稳压块来制作直流稳压电源，而此电源的输出是可调的。经过LM317稳压块的后得到的输出电压可用下式计算： （3-4）其中，V0是值输出电压，R2是调节端的电阻值，R3是输出端和调节端的电阻值，如果只是从公式上来看，R3、R2的电阻值可任意设定。但是作为稳压电源的输出电压计算公式，R3和R2的阻值是不能任意设定的。LM317的1，2脚之间的电压是1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R3应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D5，

23、D6用于保护LM317。首先LM317稳压块的输出电压变化范围是Vo1.25V37V（高输出电压的LM317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo1.25V45V），所以R2/R3的比值范围只能是028.6。LM317使用起来非常简单，电路也是很简单，在电路中，仅仅需要外接两个电阻就可以设置输出电压的变化。LM317内置有很多种保护电路，例如安全区过载保护、保护电路等。此外，它的负载调整率以及线性调整率也相对于一般标准具有很强的稳定性。稳压电源中稳压电路原理图如图3-11所示。图3-11 加过流保护的稳压电路图当我们计算其输出电压是使用LM317稳压芯片的输出电

24、压计算公式得到的，那么必须保证R10.83K和R223.74K同时成立，这样才能保证在空载的情况下，LM317稳压芯片仍能够稳定地工作。此外，在LM317稳压芯片的输出端并联泄流电阻也可以为LM317稳压芯片提供最小工作电流。但是，由于并联的泄流电阻并不能随输出电压的变化而变化，因此，如果要保证LM317稳压芯片在输出电压为最低电压时，得到的输出电流大于其最小稳定工作电流，则在LM317稳压芯片的输出电压为最大电压是情况下，通过过泄流电阻的电流会变得比较大，这种情况，不但增加了LM317稳压芯片的负担，也损耗了不少电能，因此，这中方法并不是好的方法。LM317稳压芯片都有一个最小稳定的工作电流

25、，最小稳定工作电流的值一般为1.5mA，这个工作电流称为最小输出电流，或者称为最小泄放电流。由于每个生产厂家生产的LM317稳压芯片的型号不一样，因此，它的稳定工作电流最小值也不尽相同，但都有同意的要求，一般小于或等于5mA。如果LM317稳压芯片的输出电流小于其最小稳定工作电流时，LM317稳压块就不能正常工作。当其稳定工作电流的最小值相对于LM317稳压块的输出电流还小的情况下，LM317稳压芯片就可以得到稳定的直流电压。如果制作的稳压电源发生异常的情况，那么可能是在制作LM317稳压芯片制作稳压电源时，没有注意LM317稳压块的最小稳定工作电流，可能会导致芯片无法正常工作，例如稳压电源输

26、出的有载电压和空载电压相差很大时，就可能导致芯片不能正常工作。通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。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的多的纹波抑制比。输入至少要比输出高2V，否则不能调压。输入电要最高不能超过40V。输出电流不超过1A。输入12V的话，输出最高就是10V左右。由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。当输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意317的功耗不要过大。一般加散热片后功耗也不超过20W。LM317属于深度负反馈的稳压电路，其功耗比较大，所以有必要讨论

27、一下LM317稳压模块的散热问题。LM317稳压芯片的有最大允许功耗，这种功耗取决于芯片的最高结温TJM，在T<TJM的情况下，LM317稳压芯片才能正常工作。因此，稳压器的结温就越低，并且散热能力越强，则它所能承受的功率也就会越大。如果我们把TAM最高环境温度，把TJM作为集成稳压器的最高允许结温，把PD作为加散热器后器件的功耗，则它们之间的关系为： （3-5）从上式可以看出，器件的最大功耗必须满足PDMPD。3.5过流保护在当今电子世界，各种直流电源产品已经得到了相当广泛的应用，而且电源技术已经相对成熟。但是对于稳压电路我们要进行一定的保护，现在，在电源电路中，过流保护电路是一个重要

28、的组成部分，它不仅能够很好地保护设备，而且减少了后期维护的成本。过流保护电路主要有限流方式和关断方式。过流保护电路常用做法是串联一个小电阻或者是霍尔元件来获得电流信号，采用串联一个小电阻的方法是我们最常用的方法。常见的过流保护电路的原理图如图3-12所示。图3-12 过流保护电路原理图R6为取样小电阻。当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。由于直流电机启动瞬时电流Iout较大(约为额定电流的810倍)，Iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。通过设定R6、C4的值，使充电时间大于电机启动时间，Q1(9013)处于截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。电机启

29、动时必须满足充电时间大于启动时间，Q1不导通，电机才能正常启动。由于启动电流很大，一般是额定电流的47倍，可看成不变，设为I=5I0。根据图3-12，可得以下公式： （3-6） （3-7）由于R4R5，所以iR5iR4因此i约等于iR5。此时为一阶零状态输入响应，求解得： （3-8）假设电容C4的电压达到0.7V为充电时间，得： （3-9）设电机负荷在额定状态下运行，电机电流I0已经稳定。电机短路或堵转后，电流突然增大到短路电流IS，电容C4开始充电。考虑一定的设计余量，取保护电流设定值IG<IS，式(3-6)同样成立此为一阶全响应方程，初始条件uc4(0+)=I0IR5, 强制分量uc

30、4()=IGR5,求解得： （3-10）假设增大到V2导通电压0.7的充电时间为,则必须小于允许短路时间t,即： （3-11）要使保护起到作用，uc4()必须大于0.7V，即： （3-12）3.6直流稳压电源原理图经过上述的原理说明，将稳压电源的各个模块连接在一起，搭建了稳压电路系统。图3-13 直流稳压电源原理图从上图可以看出，信号从左至右的变化情况如下：首先，220V交流电接进来，经过变压器后，将电压降到合适的值，但其信号波形不变。变化的只是信号的幅值；接着，该信号又经过桥式整流电路，将有正有负的信号全部都变为正的信号，也称其为脉动的直流信号；然后该脉动的直流信号，经过电容滤波后，是信号的波形变得相对平缓，但这还不是稳定的直流；最后经过LM317稳压器后，将信号变成稳定的直流信号，也即是我们需要的直流信号。4 测试结果及分析4.1测试结果测试一：当输入为220V交流电时，调节LM317的调节端的电位器，当R2的阻值为0时，得到最小输出1.25V，这里得到的最小输出是1.25V而不是0V主要是因为LM317这款芯片的本身特性决定的，使它的输出最小值就是1.25V，因此本次电路设计的最小输出是1.25V。输入输出波形如图4-1所示，图中红色波形为