交流变换为直流的稳定电源设计方案

1、交流变换为直流的稳定电 源设计方案1.1. 设计目的及意义本次设计的直流稳压电源和直流稳流电源具有较高的实用价值。通过本次设 计让我充分理解了直流稳压电源和直流稳流电源的工作原理， 了解其工作特点以 及目前市面上一些直流稳定电源存在的一些缺陷。 通过设计尽量去完善直流稳定 电源系统。 使得这个电源在使用的时候尽量便捷， 尽量直观。 在一系列的设计过 后能够使自己初步形成工程设计的基本思想和一般设计方法。 此外通过本次设计 让我学到了一些东西： 较熟练的掌握了电子线路仿真软件 （Multisim2001 ）的使 用。1.2. 设计的任务及要求要求完成的主要任务 :设计并制作交流变换为直流的稳定电

2、源。基本要求：（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化围+ 15%- 20%条件下：a. 输出电压可调围为+9V+12Vb. 最大输出电流为1.5Ac. 电压调整率W 0.2% （输入电压220V变化围+ 15%20%下 空载到满载）d. 负载调整率w 1% （最低输入电压下，满载）e. 纹波电压（峰-峰值）w 5mV（最低输入电压下，满载）f .效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g.具有过流及短路保护功能（2）稳流电源 在输入电压固定为+ 12V的条件下：a.输出电流：420mA可调b.负载调整率W 1%（输入电压+ 12V、负载电阻由200Q300Q变化时，

3、输 出电流为20mA寸的相对变化率）2. 设计方案2.1. 直流稳压电源电路设计2.1.1. 晶体管串联式直流稳压电路该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准 电压进行比较得到误差电压， 该误差电压对调整管的工作状态进行调整， 从而使 输出电压发生变化，该变化与由于供电电压 UI 发生变化引起的输出电压的变化 正好相反，从而保证输出电压 UO为恒定值（稳压值）。因输出电压要求从0 V起 实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从 0 V开始调节。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单， 但增加辅助电源后， 电路比较复杂， 由于都采用分立元件，电路

4、的可靠性难以保证。2.1.2. 采用三端集成稳压器电路该电路采用输出电压可调且部有过载保护的三端集成稳压器， 输出电压调整 围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从 0V起连续可调，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。2.1.3. 用单片机制作的可调直流稳压电源该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片 LM317 LM337作 为第二级调压元件，通过 AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从 而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得 024 V， 0.1 V 步长，

5、 驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、 整流滤波电路、 压差控制电路、 稳压及输出电 压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示 等几部分，硬件部分。正、负端压差控制电路的作用是减少 LM317和LM337输入端和输出端的压差 以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片 LM317负压用LM337） 及外围器件组成， 输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。 电阻网络的每 个电阻都需要精密匹配， 电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。 电压电流采 样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样， 以

6、修正输出电压值。 掉电前 重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值， 可以方便用户在重新上电后不用 设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。该电源稳定性好、精度高，并且能够输出± 24 V 围的可调直流电压，且其 性能优于传统的可调直流稳压电源， 但是电路比较复杂， 成本较高， 使用于要求 较高的场合。 在实际中， 如果对电路的要求不太高 （这种情况较多 ） ，多采用第二 种设计方案。2.2. 最终决定的直流稳压电源电路设计方案最终，我决定采用第二种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源， 主要因 为它的使用非常简单， 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

7、载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117/LM317置有过载保护、安全区保 护等多种保护电路。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。电路图如下：图 1 LM317 集成稳压电路317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调围为 1.237V，最大输出电 流为1.5A。满足设计需要。图中R1, R2,电位器组成电压输出调节电路，电容 C1 /C2/ C3为滤波电容，电容C4与电位器并联组成输出滤波电容，减小输出的 纹波电压

8、。二极管D5的作用是防止输出端与地短路时，电容C2上的电压损坏稳 压器。2.3. 直流稳流电源电路设计2.3.1. 高精度恒压恒流直流稳压电源电路该电路可以实现稳流输出， 但毫无疑问的是过于复杂， 精度极高， 超出题目 要求及制作条件，故不予考虑。2.3.2. LM317 构成的可调稳流源电路用 12V 供电，依靠 317 的 2、3 两端带隙电压恒定的特点，用 R3 与 RS2 的 阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。2.4 . 最终决定的直流稳流电源电路设计方案最终我决定采用第三种设计方案，用 LM317 制作这一电路简单易行，在性 能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理

9、想的方案之一图 2 LM317 集成稳流电路3. 硬件电路设计3.1. 电路图与主要工作原理经过仔细研究，我决定采用如下电路制作稳定电源实物图 3 整体设计电路图3.1.1. 稳压模块工作原理本电路的稳压电源模块采用了 LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路， 将220V-18V变压器变出的18V交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电 压，在经过滤波电容减小电压脉动，最终经过 LM317 稳压后得到稳定的 1.25V 带隙电压。再依靠R1电阻固定电流，经R2与RP1调整输出端的电压。达到输出 稳定可调电压的要求。3.1.2. 稳流模块工作原理本电路的稳流电源模块采用了 LM317 集成

10、稳压电源构成的可调式稳流电路，将上一级 产生的 12V 稳定电压转换为输出端的 4-20mA 的稳定电流。由稳压源供电，仍然是依靠 LM317 的带隙电压，通过 R4 与 R5 电阻的调节控制输出端电流，实现稳定输出可调电流的 题目要求。3.2. 主要参数的选择与计算稳压电源电源变压器的选择电源变压器的作用是将来自电网的 220V交流电压ui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：P2百其中P2是变压器副边的功率，Pi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P210VA10 30VA30 80VA80 200VA效率0.60.70.8

11、0.85因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率 Pi。由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值 5 Uo min 3V，输入电压与输出电压差的最大值 Ui Uomax 40V，故LM317的输入电压围为:U o max(U |U °) minU lU o min(U lU o) max即12V 3V U | 9V 40V15V U i 49VU21513.6V，1.1 1.113 6输入电压变化围在+ 15%20%条件下也满足，则U2-3 170.8取 U218V变压器副边电流：丨2 Io max 1.5 A，取丨2 1-6 A，因此，变压器副边输出功率：P2

12、I 2U 228 .8W由于变压器的效率0.7，所以变压器原边输入功率R P241W，为留有余地，选用功率为43W的变压器。整流二极管和滤波电容的选择由于：Urm 2U221521.2V，|°max 1.5A。IN5401的反向击穿电压Urm 50V，额定工作电流Id 3A l°max，故整流二极管选用 IN5401。滤波电容和公式可求得:U op pU IU°SvSv UU00 UU|0.005 183 10 312I。常数T常数2.5V所以，滤波电容:C整UiTI0 max 2Ui1.5丄502.51220.006F6000uF电容C的耐压要大于1521.2V

13、，故取 3 只 2200 F/25V 的电解电容相并联。电阻和电位器的选择输出电压表达式为1.25 1RP1 R2R1式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 Vref，此电压 加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 RP1，电 阻RP1常取值120 240，根据LM317输出电压表达式，取：RP仁500 ,R1=210,R2=1.3k 。我们RP1 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。图中加入了二极管 D,用于防止输出端短路时10 yF大电 容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调围：1.2

14、V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差 U=0Uo： 340V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。稳流电源R1 (1.25 0.7) / 0.0297.5选 R1 91RP (1.25 0.7) / 0.004 91 396.5选 RP 5004. 仿真及分析4.1. 稳压模块的仿真改变滑动变阻器的值，可以得到912V的直流电压，且电压的值随负载的改 变量很小，满足要求。图 4.1 稳压模块仿真图图 4.2 稳压模块仿真图图 4.3 稳压模块纹波图4.2. 稳流模块的仿真改变滑动变阻器阻值，可得到 420mA勺直流电流，且电流的值随负载的改 变量很小，满足要求。图 5.1

15、稳流模块仿真图图 5.3 稳流模块仿真图4.3. 数据整理及最终分析4.3.1. 稳压模块的数据结果稳压电源 在输入电压220V、50Hz电压变化围+ 15%- 20%条件下：a.输出电压可调围为+9.072V+12.073Vb 最大输出电流为1.506AC.电压调整率为0.177% （输入电压220V变化围+ 15%一20%F，空载到 满载）d. 纹波电压（峰-峰值）0.25mV （最低输入电压下，满载）e. 效率43.36% （输出电压9V、输入电压220V下，满载）4.3.2. 稳流模块的数据结果如图所示，稳流电源 在输入电压固定为+ 12V的条件下：a. 输出电流：3.12120.25

16、7mA可调b. 负载调整率为4.92%（输入电压+ 12V、负载电阻由200Q300Q变化时， 输出电流为20mA时的相对变化率）4.3.3. 整体分析由以上数据可知， 本次设计基本成功， 但在细节处与要求有一定得偏差， 分 析原因主要在于， 一些元件的参数与计算值有一定得偏差， 且温度等外部因素也 对结果产生一定影响。5. 实物制作5.1. 稳定直流稳压源的制作制作直流稳压源使用的元件比较多， 在采购时， 有的元件无法买到， 只能用相近 的元件替代， 并且电路的焊接比较花费时间， 在焊接的过程中， 电烙铁在电路板 上停留时间太长，焊盘容易焊坏。5.2. 稳定直流稳流源的制作制作直流稳流源使用

17、的元件不是很多，但焊接还是有点困难。6. 设计心得及体会通过两个星期的课程设计， 我对电子工艺的理论有了更深的了解。 其中包括焊普 通元件与电路元件的技巧、 印制电路板图的设计制作、 稳压电源的工作原理等等。 这些知识不仅在课堂上有效， 在日常生活中更是有着现实意义， 也对自己的动手 能力是个很大的锻炼。 在实习中， 我锻炼了自己动手能力， 提高了自己解决问题 的能力。通过本次实践也培养了我理论联系实际的能力， 提高了我分析问题和解 决问题的能力， 增强了独立工作的能力。 最主要的是收获颇丰， 我基本掌握手工 电烙铁的焊接技术， 能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接基本熟悉了电子 产品的安装

18、工艺的生产流程， 了解了电子产品的焊接、 调试与维修方法； 其次我 更加熟悉了有关软件 Multisim 的使用，能够熟练的使用普通万用表。最重要的， 我熟悉了常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用围，能查找资料，查 阅有关的电子器件图书等了。另外在这次设计中， 我也遇到了不少的问题， 幸运的是， 最终一一解决了遇到的 问题。在我们遇到不懂的问题时， 利用网上和图书馆的资源， 搜索查找得到需要 的信息及和队友之间相互讨论显得尤其重要了， 我明白了团队合作的重要性。 这 次的制作也让我们感受到， 我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识， 我们 需要更多的时间来自主学习相关知识。参考文献1 自美电子线路设计实验测试第三版华中科技大学，20052 霞，侯传教，孟涛，智敏 . 电子设计与实践 . 电子工业， 20093 康华光 . 电子技术基础 - 模拟部分第五版 .