可调直流稳压电源设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流可调直流稳压电源设计.精品文档.【摘 要】 直流稳压电源，又称直流稳压器，它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路，以及稳压电路等电路组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电；整流器把交流电变为直流电；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用三端集成稳压块LM317来构成直流稳压电源电路，通过变压，整流，滤波，稳压等过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在2-28V可调。 【关 键 词】直流，稳压，变压，可调 一、集成可调直流稳压电源设计的目的学习可调直流稳压电源基本理论在实践中综合运用的初步经验；掌握该电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力；掌握可调直流稳压电源的性能指标测试方法，培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。 二、集成可调直流稳压电源的总体设计思路 2.1 可调直流稳压电源设计思路 (1)变压。市电电压交流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市电压降低到所需要的交流电压。 (2)整流。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)滤波。经整流后的脉动较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)稳压。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可调且稳定的直流电压输出，供给负载RL。(5)工作流程图(如图1所示)。图1 稳压电源工作流程图 2.2 可调直流稳压电源的工作原理方框图 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、消振、稳压、保护、可调七个环节来完成的（如图2所示）。图2 可调直流稳压电源方框图(1)电源变压器。电源变压器，是降压变压器，它将市电220V交流电压变换成符合需要的较低的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定（如图3所示）。图3 电源变压器(2)整流电路。整流电路是利用二极管的单向导电性，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电，它由VD1，VD2，VD3，VD4构成单相全波整流电路，电路如图4所示。在u2的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；u2的负半周内，VD2、VD4导通，VD1、VD3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5所示。图4 整流电路图 图5 整流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：Uo=0.9U2，直流输出电流：Io=0.9 （Io是变压器副边电流的有效值）。(3)滤波电路。滤波电路它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，它由等外围元器件构成。(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,其主要由三段集成稳压块LM317组成（如图6所示）。图6 稳压电路图(5)保护电路。LM317稳压块的输入端脚与输出端脚连接的二极管VD5用于防止输入端电压突然降低或输出端电压突然升高，输出电容放电时对LM317的冲击，从而起到保护稳压集成电路的作用（如图7所示）。图7 保护电路图2.3 设计方法简介根据设计所要求的性能指标，选择三端集成稳压器。因为要求输出电压可调，所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LM317、CW317、CW337等。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6V-13V，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。图8 LM317的管脚功能图 图9 LM317外形图本设计中采用LM317集成稳压块，其管脚功能图如图8所示，外形图如图9所示。三、集成可调直流稳压电源的设计过程3.1 集成可调直流稳压电源电路图的设计 (1)确定目标。设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。 (2)设计分析。根据设计需要的功能，来选择各单元电路所用电路模形。 (3)参数选择。根据设计指标的要求，来确定各单元电路中符合参数要求的元器件。 (4)总电路图。连接各单元电路形成本设计的整体电路图。 3.2 集成可调直流稳压电源电路的识图如图10所示的集成可调直流稳压电源电路，它是采用三端集成可调稳压芯片LM317构成的输出电压可调的稳压电源电路，该电路的电源变压电路、整流电路、滤波电路、保护电路与分立元器件稳压电路作用相同，两者仅是稳压电路部分不一样。读识该电路图时，应先对三端集成稳压电路有一个初步的了解：LM317集成块的简介 LM317是一块可调式三端集成稳压器，其外形及引脚如下图所示，是一种正端输出型，最大输入电压为40V，输出电压可从1.25V37V连续可调，最大输入电流为1.5A，最大功耗为15W，其稳压性能优于固定式稳压器。LM317采用三端引脚方式，其各引脚功能如下图所示，图11是其内部电路方框图，其内主要由基准电压电路、误差放大电路，电压调整电路，保护电路等组成，其内部电路的工作原理与分立元器件的稳压电路基本相同。 图11 LM317内部电路方框图3.3 本设计中稳压电路的组成及工作原理如图10所示的集成可调直流稳压电源电路的输出电流为0.5，输出电压为2V-28V连续可调。该电路主要由电源变压器、整流器、滤波器、稳压器以及电压指示等电路组成。LM317稳压器主要起稳定输出电压的作用，及在输入电压和负载电流变化时，保持输出电压基本不变。(1)工作过程。交流220V市电电压经电源变压器T1变压后，得到直流电压，经C1电容器滤波，得到的约24V直流电压直接加至LM317稳压块的输入端脚。从LM317脚输入的直流电压，经其内的电压调整电路，误差放大电路、基准电压电路将电压稳定后从脚输出，去后级电路。(2)消振电路。 LM317的脚与地之间连接的C2为消振电容器，用于消除由于LM317管脚引线过长而引起的自激振荡。(3)电源可调电路。LM317的脚外接的RP可变电位器，R2、VD6、C3构成了电源可调电路，用于调节输出电压的大小，它是通过控制LM317脚上的电位来进行输出电压大小调节的。该电源在正常工作时，在取样电阻R2的两端会有一个1.25V的基准电压，当该基准电压不变时就有一个恒定的50100uA的电流通过RP，故调节RP就可得到不同的输出电压。为了保证输出电压恒定不变在LM317的脚与地之间，用于防止冲击电流损坏LM317，它主要起保护作用。(4)电压冲击保护。LM317稳压块的输入与输出端连接的二极管VD5用于防止输入端电压突然降低或输出端电压突然升高，输出电容器C4放电时对LM317的冲击，起保护稳压集成电路的作用。3.4 本设计集成可调直流稳压电源电路印制电路板的制作集成可调直流稳压电源电路印制电路板如图12所示，可根据该图自制印制电路板。印制电路板是由绝缘底板，连接导线以及焊盘组成。印制电路板具有结构紧凑，可以代替复杂的布线；使整机的体积缩小等优点，从而使制作的电子产品的可靠性得到了大大的提高。图12 集成可调直流稳压电源电路印制电路板图(1)印制电路板的制版要求。印制电路板的制版，也就是已经有了电路原理图而没有印制电路板图，需要根据自己所设计的电路原理图来进行印制电路板的设计。印制电路板的制版设计是否合理，不仅要保证原器件之间的连接准确无误，工作中无自身干扰，还要尽量做到元器件布局合理，焊装维修方便，整齐美观，牢固可靠。(2)元器件的布局要求。按信号流程安排。原器件在 印制电路板上尽量按信号传递的流程来排列，采用这种方式后与电路原理图核对起来比较方便，在此设计中对于同一单元电路的元器件应尽可能排列在一起。 以核心元器件为中心安排。通常应以单元电路的核心元器件为中心进行安排，一般均以三极管，集成电路为中心元器件，依据他们个引脚的位置来安排其他元器件。（在此设计中应以三端集成稳压块为核心元器件）以便于前后级电路的连接来安排。为了便于电路的前后级连线尽可能地短，在进行整体布局时，可将前级的输出端与后级的输入端尽可能的靠近，但同时也要考虑整个电路板的输入端与输出端与其它电路之间的连接要方便。以电路板上的原器件排列均匀、整齐、紧凑来安排。除了某些工作频率很高的元器件，为了缩短连线，可以按不同的方向排列，也应尽量减少印制电路板引出线的总数，以减少飞线和接点的数目，提高设计产品的可靠性。(3)特殊元器件位置的确定。 发热元器件。对于耗散功率比较大、容易发热的元器件（如大功率电阻器、晶体管、集成块等）应尽量安装在印制板的上部或通风良好的地方，并尽可能的远离其它元器件，以免影响其它元器件的正常工作。在本设计中将耗散功率比较大的三端集成稳压块LM317放在了印制电路板的上部，有利于其更好的散热，从而提高整机的可靠性。可调元器件。对于可调电位器，可变电容器等可调元器件的布置要结合整机的总体结构来考虑，对于机外调整的原器件其位置要调节钮在外壳上的位置相对应。在本设计中将微调电位器与电压输出端口放在了机壳外。分量重的元器件。对于质量较大的元器件不能仅依靠焊盘来固定，应采用卡子或支架来进行固定，必要时可以将其固定在外壳上，在本设计中将质量较大的电源变压器就固定在了外壳上。3.5 印制电路板布线的原则(1)布线要短。尤其是晶体管的基极、高频引线、电位差不较大而又向邻近的引线，要尽可能的短，间距要尽量大。(2)布线位置。一般将公共地线布置在印制电路板的边缘部位，以便于将印制电路板安排在机壳上。电源、直流导线亦应考边缘部位。边缘应留有一定距离，一般不小于2mm。(3)布线外形。导线拐弯处要圆。因直角、尖角对高频和高压影响较大，故拐弯处圆弧半径R应大于2mm。(4)线条要求。在条件允许的情况下，线条可以适当的加粗，间距可以适当的加大且走线要正确、布线要均匀。(5)布线规定。单面印制电路板上的印制导线不能交叉。遇到此情况，可绕着走飞线或平行走线。印制电路板的设置与布线是一项实践很强的工作，在本设计过程中应根据具体电路的特点和机械结构要求灵活运用。四、集成可调直流稳压电源设计所需实验设备及元器件4.1 所需元器件清单代号名称型号规格数量说明SA开关-普通开关1由实际需要选择T1变压器-220V/1618V1由实际需要选择VD1-VD6二极管1N4001-1N4007耐压大于50V6符合要求可代用C1电解电容CD10/CD1122003300uF/25V1在允许范围可代用C2纸介电容CJ10/CJ110.22 uF/160V1在允许范围可代用C3电解电容CD10/CD1110 uF/25V1在允许范围可代用C4电解电容CD10/CD11100 uF/25V1在允许范围可代用C5电解电容CD10/CD110.1uF1R1电阻器RJ/RT/RTX2K1误差允许+/-20%R2电阻器RJ/RT/RTX1201误差允许+/-20%R3电阻器RJ/RT/RTX10K1误差允许+/-20%RP电位器WH7-B12K1WH型号可代用IC1稳压块LM3171.2537V可调1LM337，CW317可代IED发光二极管-1普通发光二极管PL插针-3普通插头集成电路可调直流稳压电源电路元器件清单4.2 所需设备电源变压器、示波器、万用表（模拟或数字）、集成块(LM317)等（如图13所示）。图13 集成可调直流稳压电源所需设备及仪器图五、集成可调直流稳压电源设计的测试要求5.1 稳压电源的性能指标 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括电压调整率（或稳压系数）、电流调整率（或输出电阻）、纹波系数（纹波电压）等。（1）输入电压。输入电压是指电源变压器次级线圈的输出电压，本设计中次级线圈的输出电压是交流20V。（2）输出电压。输出电压是指输入电压经过整流、滤波、稳压等电路后输出的直流电压值，本设计中输出电压值为连续可调的直流2V-28V。（3）输出电流。输出电流是指在电源输出端所接的负载一定时流过该负载的电流值，当所接负载变化时输出电流也会发生变化。（4）输出电压调节范围。输出电压调节范围是指在电源的输出端的输出电压值是在一定范围内连续稳定地可调，本设计中的输出电压调节范围是2V-28V。（5）电压调整率（稳压系数）。电压调整率也称稳压系数，其是指电源变压器输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。（6）电流调整率（输出电阻）。电流调整率也称输出电阻，其是指输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。（7）纹波系数（纹波电压）。纹波系数也称纹波电压，是指在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化；是指输出直流电压中含有一定的工频交流成分。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级，也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。5.2 稳压电源的性能指标的测试方法（1）输入电压的测量。将万用表的档位拨到50V交流档，然后用红黑表笔分别接触电源变压器的次级输出线圈的两端，等万用表的指针稳定后读出的数值就是稳压电源的输入电压。（2）输出电压。将万用表的档位拨到50V直流档，然后用红表笔接电源的正端，黑表笔接电源的负端，等到万用表的指针稳定后读出的数值就是该电源的输出电压值。（3）输出电流。将电源的输出电压调到12V，然后接上一只满足额定电压的音箱，让其正常工作，然后用万用表的两表笔去测量流过音箱的电流值，等万用表的读数稳定后读出的电流值就是此时电源的输出电流（因所接的负载不同而输出电流也不同）。（4）输出电压调节范围。将万用表的档位拨到50V直流档，然后用红表笔接电源输出端的正端，黑表笔接电源输出端的负端，然后调节调压旋钮记录旋钮打到不同位置使得电压值，最后记下调压的范围值（2V-28），则此范围就是该电源的输出电压调节范围。（5）电压调整率（稳压系数）的测量。当输入电压不变，负载电流从零变化到额定值时，输出电压的相对变化，通常用百分数表示:dU=(Uo-U)/Uo (Uo: 空载时输出电压 U: 变压器热平衡后的满载电压，即设计电压)。（6）电流调整率（输出电阻）测量。它是指输入电压不变时，负载电流Io变化引起输出电压的相对变化量，即:SI  =  × 100%保持VI 不变，改变RL使Io=100mA，测量相应的Vo变化量即得。（7）纹波系数（纹波电压）的测量。纹波电压就是交流成分的峰峰值，我们在制作直流稳压电源时，纹波电压越小越好。测量时可以把一个大功率电阻直接接在电源的正负端，通过示波器的探头连到示波器，将DC-地-AC置于AC档，荧光屏上就会出现交流纹波，该交流纹波的幅度越小，说明直流电源的直流特性越好。应该注意的问题是，示波器应该有良好的接地，另外，示波器探头地线也会带来很大的纹波，精确测量纹波时应选用电缆直接接到示波器上。在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值U与输出直流电压Uo之比，既Y=U/Uo x100%。六、集成可调直流稳压电源设计过程中的注意事项6.1 正确控制输入电压范围 LM317稳压块昰一种半导体器件，其内部的晶体三极管也有一定的耐压值，所以输入电压不应大于稳压块的最大输入电压。6.2 防止引脚接错 LM317稳压块的三个引脚接错就容易损坏。因此在调试、使用时，各引脚均应在连接良好的情况下才可以通电。其接地端（也就是调整端）不能悬空，以防止稳压器内部失去隔离作用而引起损坏。并且要妥当地接上其保护二极管。6.3 加装散热片或小风扇防止过热而引起电流饱和LM317不加散热片或小风扇时，常温下最大功率损耗为1W-2W，若虚增大功率，必须加装一定得散热装置。在本设计中为了散掉稳压块的热量，让整个电源电路正常稳定地工作，加了散热小风扇进行良好地散热。6.4 焊接方面焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。6.5 测试方面测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。 6.6 接地按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。七、集成可调直流稳压电源电路的误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有：7.1 误差因素（1）测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；（2）电流表内阻串入回路造成的误差；（3）测得纹波电压时示波器造成的误差；（4）示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差；7.2 改进此电路的方法（1）减小接触点的微小电阻。（2）根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正。（3）测得纹波时示波器采用手动同步。（4）采用更高精确度的仪器去检测。 八、综合总结通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标；也让我们认识到在本此次设计的电路中所存在的问题，从而通过不断的努力去解决这些问题,解决设计过程中产生的问题的同时也让我们自己也在其中有所收获。我们这次设计的这个直流稳压电源电路，采用了集成三端电压稳压调整管(LM317)外加调整电路来实现电压稳定和调整部分；还通过二极管的单向导电特性来实现集成可调直流稳压电源电路的保护功能,其简单易实现从而提高了整个电路的工作效率和稳定性，也让我们对所学的知识有了一个更好的应用，同时也提高了我们的动手操作能力。九、致谢伴随计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。所以，本文在写作过程中指导老师提出了许多建议，给予了很大帮助，同时参考了别人的写作资料与经验，在此一并表示诚挚的谢意！十、参考文献【1】<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运编著,高等教育出版社。【2】<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。 【3】<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社。【4】<<电子产品制作技术与技能实训>>,孙余凯，吴鸣山，项绮明等编著，电子工业出版社。