直流稳定电源的设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位：题 目: 直流稳定电源的设计 初始条件：LM317三端稳压芯片要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）课程设计的教学任务是让学生通过动脑、动手解决一、两个实际问题，巩固和运用在模拟电子技术课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高设计能力和实验技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下基础。本次课程设计，设计内容由指导教师指定，学生必须完成相关设计，完成原理电路的设计，并画出完整的电路图之后经指导教师同意，才能进实验室进行安装调试。设计报告的具体内容应包括：1、

2、原理电路的设计这部分内容应包括以下几个部分（1）、你考虑过哪些方案，分别画出框图，说明原理和优缺点。经过比较后，你选择了哪个方案。（2）、单元电路的设计和元器件的选择。（3）、画出完整的电路图和必要的波形图，并说明主要的工作原理。（4）、计算出个元件的主要参数、并表在电路图中恰当的位置2、在安装调试中遇到那些问题，是怎样解决的？（或者仿真结果及分析）3、整理好性能测试数据，并分析是否满足要求。4、有那些收获、体会和建议5、元器件清单6、主要参考文献资料（6篇以上）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

3、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 日目 录摘要IAbstractII1.绪论31.1.设计目的及意义31.2.设计任务及要求32.设计方案42.1.直流稳压电源设计42.2.直流稳流电源设计63.硬件电路设计93.1.单元模块电路设计及元器件选择93.2.稳定电源电路图与主要工作原理103.3.主要参数选择与计算114.仿真及分析134.1.稳压模块的仿真134.2.稳流模块的仿真145.实物制作155.1.实物安装与调试155.2.测试结果误差分析155.3.整体分析166.设计心得及体会17参考文献18附录19摘 要随着现代科技的不断发展，各种各样的

4、电气、电子设备已经广泛的应用于日常工作、科研、学习等各个方面。电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。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LM317三端稳压芯片设计稳压电源，利用三极管输出特性设计直流稳流电源。通过相关知识计算出各电路中各个元器件的参数，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。AbstractWith the continuous development of modern technology, a

5、variety of electrical and electronic equipment has been widely used in daily work, research, learning and other aspects.Sourse as the electrical and electronic equipment components essential for energy supply, increasing demand, but also the power, stability and other indicators also put forward hig

6、her requirements.The power of research and development has become the new technology, new equipment, development of an important link in the promotion of technological development plays an important role.This design were used to chip design LM317 three-terminal voltage regulator power supply, Transi

7、stor output characteristics using DC stabilized power supply design.Calculated through the knowledge of the various components of the circuit parameters to meet design requirements for the performance of the circuit voltage regulation, current regulation, load regulation, ripple voltage, and other i

8、ndicators.1. 绪论本设计有两个部分组成，一是稳压电源，一是稳流电源。稳压电源采用线性整流滤波再通过可调式集成稳压器件LM317稳压来达到稳压目的；稳流电源利用三极管的输出特性设计稳流电源。1.1. 设计目的及意义设计并制作交流变换为直流的稳定电源。1.2. 设计任务及要求一、设计任务设计并制作交流变换为直流的稳定电源。二、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

9、（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）（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）100mV （输入电压+9V下，满载）三、发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动

10、恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-DC变换器a提高效率（在100V、100mA下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流2. 设计方案2.1. 直流稳压电源设计 方案设计及优缺点方案一：集成三端稳压块78xx稳压电路如图2-1所示，采用性能指标优良的集成三端稳压块 78xx 图2-1 方案一电路图78xx系列稳压，其本身就具有过流短路保护。输出电压U。=9+Vd=9+n*0.75V。通过改变二极管的数量来得到所需输出电压。缺点是不便调整输出电压，适用于

11、9-12V之间的固定电压。方案二：串联型线性稳压电源该方案是通过降压变压器变压，再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电，再通过可调式集成稳压器件LM317的稳压得到较稳定的电压。可调式集成稳压器LM317当输入电压固定时能在它的电压差范围内调节输出电压。这种电路的特点是：电路简单，容易调试，而且经过线性稳压电源整流出的电压纹波小；除外，该稳压电源的效率约为40%-65%左右。滤波变压器整流交流电220V/50HZ220V/50HZ稳压方案三：采用单极开关稳压电源该方案由220V交流降压整流后经过开关电源输出。但此方案所产生的直流电压纹波大，在以后的几级电路中很难抑制掉，很有可能造成设计

12、的失败和超出题目所要求的技术性能指标。方案四：简单的并联型稳压电源该方案由220V交流降压整流后将并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案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载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM11

13、7/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。317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为1.237V，最大输出电流为1.5A。满足设计需要。图中R1，R2，电位器Rp组成电压输出调节电路，电容C1为滤波电容，电容C2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。电路图2-2如下： 图2-2 LM317集成稳压电路2.2. 直流稳流电源设计 方案设计及优缺点

14、方案一：采用LM7812三端稳压器构成稳流电源 固定式三端稳压电源(LM7812)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+12V,它属于LM78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍,但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用.方案二：采用TL431设计的稳流电源（方案一的改进型）该方案采用LM7812三端稳压器提供稳流电源的固定电压，再经过调整管9013和电位器配合即可得到满足题意要求的稳流电源。TL

15、431片内有一个高增益比较放大器（66dB）和2.5V的基准参考电压源，参考断的典型电流为1.8uA。通过采样电阻R1和Rw将采样电压与TL431内部的基准电压进行比较，将其误差电压放大后去控制调整管9013的电流，从而保证采样电压始终稳定在参考电压上，从而达到稳定电流的效果。试验线路图见图2-3所示。图2-3 方案二电路图方案三：利用三极管的输出特性设计稳流电路电路如图2-4所示，R1,D1,D2组成三极管T的偏置稳压电路，利用二极管的稳压作用，三极管T可得到稳定偏置电流Ib，T就有稳定的集电极电流Ic=Io=Ib。Ic的大小不受输入电压和负载电阻变化的影响。三极管工作在放大区即线性区。该方

16、案原理简单，所需元器件小，满足输入电压为12V时，输出4-20mA可调电流，且负载调整率满足1%的要求。图2-4 稳流电路方案四：采用LM317设计稳流电路电路如图2-5所示图2-5 LM317集成稳流电路2.2.2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，用三极管2SC1815，二极管，电阻制作这一电路简单易行，在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。具体电路如方案三所示。3. 硬件电路设计3.1. 单元模块电路设计及元器件选择1）整流滤波电路整流滤波电路是该方案中第一级功能电路，它是将220V、50Hz的交流电压变换成经过整流滤波但不是很平稳的直流电

17、压。在本电路中我们采用了容性负载整流电路。具体电路图如图3-1所示。图3-1 整流滤波电路图该电路为全波桥式容性负载整流电路。其中变压器我们选用了220V/12V降压变压器，整流电路选用四个二极管组成桥式全波整流电路，滤波电容选用2200/25V的电解电容。2）稳压电路本电路主要有可调式集成稳压器件LM317和整流滤波电路线性结合而组成的，由电阻R1，R2和电位器Rp构成调压部分。具体电路图如图3-2所示。图3-2 稳压电路3.2. 稳定电源电路图与主要工作原理经过仔细研究，我决定采用如图3-3电路制作稳定电源实物。图3-3 整体设计电路图1） 稳压模块工作原理本电路的稳压电源模块采用了LM3

18、17集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将220V-15V变压器变出的15V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。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，利用三极管的输出特性设计，R4,D6,D7组成三极管T的偏置稳压电路，利用二极管的稳压作用，三极管T可得到稳定偏置电流Ib，T就有稳定的集电极

19、电流Ic=Io=Ib。Ic的大小不受输入电压和负载电阻变化的影响，实现稳定输出可调电流的题目要求。3.3. 主要参数选择与计算（公式1）（公式2）（公式3）（公式4）1选二极管 （公式5）电流平均值： （公式6）承受最高反压： （公式7）选二极管应满足：IF ³ (2 3) ID （公式8）可选：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流桥，此电路中选择2A、100V整流桥，满足要求。2. 选滤波电容（公式9） （公式10）变压器次级交流电压15V，电容C的耐压15（1+15%）×1.414=24.39V本实验选：2200mF，耐压

20、 50 V 的电解电容满足要求。3选稳压源电阻及电位器 Uo = 1.25 1+ (R2+Rp1）/R1 （公式11)根据输出直流电压UO max= 12（V）的要求，由公式11可以得UO min= 9（V） Rp1=0时， 9 = 1.251+ (R2+0）/R1 Rp1为最大值时， 12 = 1.251+ (R2+Rp1max）/R1 通常选 R1=240可以得到： R2 = 1488 取R2 = 1.5K Rp1 = 576 取Rp1= 6804. 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。如图4-1,图4-

21、2。图4-1 稳压模块仿真图图4-2 稳压模块仿真图4.2. 稳流模块的仿真改变滑动变阻器Rp2的阻值，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。如图4-3，图4-4。 图4-3稳流模块仿真图 图4-4 稳流模块仿真图5. 实物制作5.1. 实物安装与调试此次的电路虽然原理简单，但使用的元件还是比较多的，在采购时，有的元件无法买到，只能用相近的元件替代，如680电位器用1K电位器代替。其二，电路的焊接比较花费时间。第三，在调试时，由于输入电压有220V,故有一定得危险性，需要十分小心。1）稳压模块的测试结果稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20

22、%条件下：a输出电压可调范围为+9.12V+14.89Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率为0.172%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率0.79%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）2.37mV（最低输入电压下，满载）f效率43.36%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）2）稳流模块的测试结果如图所示，稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：3.927.26mA可调b负载调整率为2.32%（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）5.2. 测试结果误差分析1） 稳压电源部分误差分析：电源电

23、压范围的增大主要是因为我们考虑到了在题目发挥部分中扩大电压范围的要求，由于仿真结果是在理想情况下，因而设计时电压范围选择的不是特别精确，刚好为9-12V。但最后等实际电路焊接出来测试时电压范围为9.12-14.89V，最大输出电压比12V大很多。主要是因为在购买元器件时用1K电位器取代了680电位器，电阻可调范围的增大导致了可调电压的增大。调节电位器在适当位置时，可得到输出12V电压。 我们在实际电路设计中没有考虑到线路的损耗。 电路在实际设计是变压器和一些元器件可能不太适合实际的工作电路。2）稳流电源部分误差分析： 稳流电源的电流输出范围与题目要求不太符合，主要是因为设计初期没有考虑到三极管

24、的性能不稳定，放大倍数不那么一定。 通过后续分析，认为是三极管的基极电流符合理论要求，但放大倍数不太合适，导致输出最大电流比20mA大很多。5.3. 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。6. 设计心得及体会本设计方案主要是实现由交流电压变换为直流的稳定电源及稳流源的设计。按照题目要求，首先对题目进行了多次讨论分析，确定了题目中各个部分要求我们做什么工作，然后从题目要求出发查阅了很多相关的书籍资料和浏览了许多电路仿真软件的使用，并对自己所获得的资料进行了分析对比整理综合，最终确定了电路的大体框架，而后我开始电路的设计，同时继续搜集资料，等电路设计和仿真基本完成后开始买电路所需的元器件并对电路板进行焊接。我还查阅了有关单片机实现数显等操作的资料，但实物对这部分没有做。通过实际的测试实验，本设计方案基本满足题目要求，对题