直流可调恒流源设计

1、 2013年3月直流可调恒流源设计学生：徐乐指导教师：王留留电气信息工程学院自动化专业1课程设计的任务与要求1.1 课程设计的任务设计一个直流可调恒流源电路。通过调节线性电位器，产生可控恒定电流,当固定时产生恒定电流。1.2 课程设计的要求设计一个简易可调恒流源产生电路,满足日常生活对恒定电流的需要(1)输入（AC）：U=220V，f=50HZ。(2)输出电流稳定，在一定范围可调。(3)设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。(4)自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量。(5)在Multisim软件上画出电路图，并仿真和调试，并测试其主要性

2、能参数。1.3 课程设计的研究基础 电子技术基础（模电部分）变压器、整流电路、滤波电路、稳压芯片、镜像电流源的工作原理2 直流可调恒流源系统方案制定2.1 方案提出 方案一(1)电网提供交流220V(有效值)频率为50Hz的电压，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。(3)脉动大的直流电压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，再通过稳压经可调恒流源电路，便可得到可调的恒定直流电流输出，供给负载RL。方案二(1)将交流电220v电压转

3、化为可调恒压源输出。包括降压器、整流电路、滤波稳压芯片、取样电路。(2)电压电流转换电路。(3)两电路整合，将220v电压转化为可调恒流源。2.2 方案论证第一种方案是直接设计直流可调恒流源电路，只有一个电路。第二种方案是通过电压电流转换电路，将两个电路整合，要设计的电路比较多。第一种方案比较简单，通过比较选择第一种方案。3 直流可调恒流源系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计直流恒流电源是一种将220V交流电转换成恒流输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、恒流四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波稳压电路及恒流电路所组成，基本框图如下：T整流滤波恒流负载 图1 系统框图(

4、1) 电源变压器：它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。变压器的变比由变压器的副边确定，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。（2）整流电路：利用单向导电元件，将50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电路。图2 整流电路图（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滤除。滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波，桥式整流滤波等。图3 滤波电路图(4)稳压电路:虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电

5、网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。图4 稳压电路图（5）镜像电流源1：电源 Vcc通过电阻R和VT1产生一个基准电流 I ref，然后通过镜像电流源在VT2的集电极得到相应的Ic2，作为提供给某个放大器的偏置电流。 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)当>>2时，可得： (3-5)由于输出恒流Ic2和基准电流基

6、本相同他们如同镜像的关系所以这种恒流电路称为镜像电流源。图5 镜像电流源电路图3.2电路参数的计算及元器件的选择（1）变压器副边电压：要求输出电压范围为1.25V-15V,所以因为, (3-6)其中：,所以16.238.25此范围可选：根据 (3-7)可得变压的副边电压 (2)变压器副边电流： , (3-8) 所以(3) 选择变压器的功率 变压器的输出功率： (3-9)变压器选择220转20V的，输出功率10W的。 (4)整流电路中的二极管 因为变压器的副边电压 所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为： 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为： 查资料选1B4B42整流堆,其参数为：

7、反向击穿电 最大整流电流。2(5)滤波电容的选择为得到较平滑的负载电压，要对整流后的波形进行滤波，一般取式中，T为交流电源电压的周期。由上式可以解得 ，电容进行充放电时，其电压可达到最大值约为,所以选择电容为,耐压值大于22.83的。(6)三端集成稳压器电路 LM317组成的基准电压源电路，电容C4用于消除输出电压中的高频噪音 取500nF的电容。输出端和调整端之间的电压值为1.25V。输出电流可达1.5A。由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为 (3-10)在上并联一个10F电容,可以减少上的波纹，但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管，提供一个放电回路

8、，,起保护作用。3 由于LM317工作时必须大于其最小工作电流5mA，所以一般,在此令，根据上式可以求出.(7)镜像电流源：电源 通过电阻R和产生一个基准电流，然后通过镜像电流源在的集电极得到相应的，作为提供给某个放大器的偏置电流。 (3-11) (3-12) (3-13)得： (3-14)当>>2时，可得： (3-15)3.3 特殊器件的介绍 LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=

9、1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V45V），所以R2/R1的比值范围只能是028.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。 LM337 的输出电压范围是 -1.

10、2V 至 -37V，负载电流最大为 0.42.2A。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。LM337 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。43.4系统整体电路图图6 系统整体电路图4 直流可调恒流源系统仿真和调试 4.1 仿真软件介绍Multisim10简介Multisim工作界面 图7 Multisim工作界面图美国国家仪器有限公司最新推出的Multisim10软件为广大工程师提供了一个直观的原理图捕获和交互之仿真平台。NI Multisim10软件将功能强大的SPICE 仿真和原理图捕获集成在高度直观的PC电子实验室中

11、，并结合了专业的印制电路板设计工具。Multisim10可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试、射频分析、电片机等高级应用。其数量众多的元件数据库、标准化的仿真一起测试、直观的捕获界面、简洁明了的操作、强大的分析测试、可信的测试结果，为众多电子工程设计人员缩短开发研发的时间、强化电路实验教学立下了汗马功劳。Multisim10运行环境的基本配置：操作系数：Windows XP Professional Windows 2000 SP3中央处理器：Pentium 4 Processor内存：至少512MB硬盘：至少1.5G空闲空间光盘驱动：CD-ROM显示器分辨率：1024

12、15;768其优点如下：(1):通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路(2):通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为(3):借助高级电路分析, 理解基本设计特征(4):通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试(5):通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

13、与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。4.2 系统仿真实现Multisim仿真 图8 系统仿真图封装图 图9 PCB封装图4.3 系统测试实验现象：（1）、滑动变阻器电阻不变，负载变化时，观测到电流不变、滑动变阻器电阻变化，负载变化与否时，电流呈线性变化4.4 数据分析Ui/V234567Ui/V8.3712.2717.621.0524.4531.27理论电压电流关系为：I=4.54*Ui。实验数据的线性关系为：I=4.5083*Ui，在误差范围内，证明实验已成功。5 总结5.1 设计小结在实验之前要

14、根据实验要求，确定好基本方案，参阅与实验有关的文献，了解实验原理。确定好需要哪些元器件，绘制好框图和电路图，计算每一部分的元件参数，在仿真电路图中设置好参数，通过仿真，观测数据，调试使元件数值达到要求。比较实际实验结果和理论的结果，分析误差原因，找出解决的方法，尽可能地减小误差，得出实验结果与理论值相似的数据。 5.2 收获体会 通过这次的课程设计，我了解了直流可调恒流源电路的组成和工作原理，通过计算参数，选择合适的元器件来设计电路，此次课程设计用到了模拟电路的知识，将书本上的知识真正地用到实际电路设计中。此外我还学习了此次课程设计用到的两个仿真软件Multisim仿真软件和Altium De

15、signer ，仿真软件直观的捕获界面、简洁明了的操作、强大的分析测试帮助我很顺利地完成实验。 6参考文献1康华光，电子技术基础（模拟部分）（第五版）M.高等教育出版社，2006.2康华光，电子技术基础（数字部分）（第五版）M高等教育出版社，2006.3陈大钦，电子技术基础实验电子电路实验、设计、仿真（第二版）M4卢结成，电子电路实验及应用课题设计M.中国科学技术大学出版社.5鹏介华，电子技术课程设计指导M.高等教育出版社，1997.6Wayne Tomasi.Advanced Electronic Communications SystemsM.电子工业出版社，2004,67 李东生,左洪浩等 . Multisim系统设计及仿真入门与应用M.北京：电子工业出版社，20028周润景，张斐.数字