直流稳定电源-王栋

1、课程设计任务书学生姓名： 王栋 专业班级： 通信0905 指导教师： 王晟 工作单位： 信息工程学院 题 目: 直流稳定电源 初始条件：LM317三端稳压芯片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源。基本要求：（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）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

2、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1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）时间安排：（1）第18周理论讲解。（2）第19周理论设计、实验设计及安装调试。地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1） 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计目录摘 要3Abstract41.绪论11.1设计目的及意义11.2设计的任务及要求12设计方案22.1直流稳压电源电路设计22.2直流稳压电源电路设计最终决定方案52.3.直

3、流稳流电源电路设计62.4 .最终决定的直流稳流电源电路设计方案63硬件电路设计73.1.电路图与主要工作原理73.2.主要参数的选择与计算94仿真及分析114.1稳压模块的仿真114.2稳流模块的仿真144.3数据整理及最终分析155设计心得及体会17参考文献18附录19摘 要随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。本设计分别用LM317三端稳压芯片制成稳压电路，用LM317三端稳压芯片制成稳流电路。稳压模块分四部分：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。稳流模块分两部分：稳压电路

4、、稳流电路。对相关知识的运用计算出各电路中各个器件的参数，然后选择不同的型号的元器件，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。AbstractAlong with science and technology is developing rapidly, and the reliability of power supply, capacity/volume ratio of the demand is higher and higher, the research and development has become the new technolo

5、gies, new equipment development the important link, in promoting the development of science and technology plays an important role. This design respectively with LM317 three terminal voltage stabilizing voltage circuit, made with chip LM317 three end avr microchip made stablized circuit. Avr module

6、points four parts: power transformers, rectifier circuit and filter circuit, voltage circuit. Steady flow module is divided into two parts: voltage circuit, the stablized circuit. Of correlated knowledge using calculated each circuit of various device parameters, then choose different types of compo

7、nents, the circuit performance to meet the design requirements of voltage and current adjust rate adjust rate adjustment, the load rate, the ripple voltage the indicators.191.绪论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

8、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学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。2学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。3培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。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源。基本要求：（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+

9、12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）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1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）2设计方案2.1直流稳压电源电路设计（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，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

10、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（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须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，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。2直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。图1直流稳压电源方框图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流

11、电路：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（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加以滤除，从而得到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直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2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3所示。图2整流电路图3输出波形图在桥式整流电路中，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

12、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)。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。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。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

13、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，电路的可靠性难以保证。该电路采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，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V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。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

14、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，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

15、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范围内的可调直流电压，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直流稳压电源电路设计最终决定方案根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。因为要求输出电压可调，所

16、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，管脚图和典型电路如图4和图5.图4管 脚图 图5典型电路输出电压表达式为: 电路图如图6所示：图6 LM317集成稳压电路317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为1.2

17、37V，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。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。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。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

18、求指标，是最合理和最理想的方案之一。电路图如图2所示。图7 LM317集成稳流电路3硬件电路设计经过仔细研究，我决定采用如下电路制作稳定电源实物。电路图如图3所示。图8 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。本电路的稳流电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳流电路

19、，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。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

20、的输入电压范围为： 即 ，输入电压变化范围在15%20%条件下也满足，则取 变压器副边电流： ，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。整流二极管和滤波电容的选择由于：，。IN5401的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN5401。滤波电容根据 ，和公式可求得： 所以，滤波电容： 电容C的耐压要大于，故取3只的电解电容相并联。电阻和电位器的选择输出电压表达式为: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，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，根据

21、LM317输出电压表达式，取：RP1=500 ，R1=210 ,R2=1.3k 。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。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.2V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Unique：340V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。稳流电源选4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。仿真结果如图4，图5，图6所示。图9稳压模块仿真图图10稳

22、压模块仿真图图11 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的直流电流，且电流的值随负载的改变量很小，满足要求。仿真结果如图7，图8，图9所示。 图12 稳流模块仿真图图13 稳流模块仿真图图14 稳流模块仿真图4.3数据整理及最终分析稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+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变化范围15%20%下，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22

23、0V下，满载）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：3.12120.257mA可调b负载调整率为4.92%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）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、性能及其使用范围，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