LM317的直流稳压电源课程设计

1.1课题任务设计一个连续可调直流稳压电源1.2功能要求说明①输出电压可调：Uo=+3V～+9V②输出最大电流：Iomax=800mA③输出电压变化量：△U≤5mV④稳压系数：Sv≤0.0031.3可调直流稳压电源总体方案介绍及工作原理说明1.3.1直流稳压电源的设计思路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。1.3.2直流稳压电源的基本原理图1.1直流稳压电源结构图和稳压过程电源变压器：是降压变压器，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Ui。变压器的变比由变压器的副边按确定，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。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。＋＋＋＋＋U1U2U3UIUO－－－－－U1U2U3UIUO电源变压器整流电路滤波电路稳压电路1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UI。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。稳压电路:稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。1.3.3直流稳压电源的工作原理交流电网220V的电压经过变压器降压之后，通过整流、滤波、稳压之后才可以送到负载，设变压器副边电压为：1.1其中为有效值。变压之后，利用单向导电元件二极管，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。在的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；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负载电阻RL，且方向是一致的。如图1.2示。图1.2单相桥式整流电路在桥式整流电路中，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(是变压器副边电压有效值)。单相桥式整流电路波形如图1.3示。2图1.3单相桥式整流电路波形整流之后的电流中还含有较多的交流成分。通过滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图1.4所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。图1.4单相桥式整流电容滤波电路从图1.4可以看出，当为正半周时,电源通过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1～t2），输出电压＝≈；达峰值后减小，当≥时，VD1、VD3提前截止，电容C通过RL放电，输出电压缓慢下降（如t2～t3），由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，3当下降不多时已开始下一个上升周期，当＞时，电源又通过导通的VD2、VD4向负载RL供电，同时再给电容C充电（如t3～t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压较为平滑。显然，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。若负载开路（RL=∞），电容无放电回路，输出电压将保持为的峰值不变。滤波之后的电流还是很不稳定的，直流电压Ui受电网电压的波动和负载电流变化的影响很难保证输出电流电压的稳定。所以必须在滤波电路和负载一直加上稳压电路，才能保证输出直流电压的进一步稳定。电路中可以采用稳压管稳压电路，晶体管稳压电路。这里采用集成稳压器稳压。由于设计要求连续可调，采用三端可调式集成稳压器LM317。LM317共有三端，输入端、输出端、调整端。其内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压高得多的纹波抑制比。可调整输出电压低到1.2V，保证1.5A输出电流，典型线性调整率0.01%，80dB纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三极管封装。LM317其特性参数：可调范围为1.25V-7V最大输出电流为1.5A输入与输出工作压差为UoUiU：3V-40V输出表达式为：1.2其中，REFU是集成稳压器件的输出电压，为1.25V。1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压。改变R2的值，Uo的值即可改变。当R2短路时，Uo最小，为REFU即1.25V；当R2大于零时，Uo都大于REFU，最大可达37V。由此，滤波后的电流经过稳压器后就可以得到所需要的直流电供给负载了。2可调直流稳压电源的仿真分析42.1直流稳压电源的参数选择（1）采用LM317可调式三端稳压器构成稳压电源设计方案要求输出电压可调，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CW317、CW337、LM317、LM337。可调三端稳压器LM317，其特性参数为：Uo＝1.2～37V，Iomax＝1.5A最小输入输出电压差（Ui－Uo）min为3V，最大输入输出电压差为（Ui-Uo）max为40V，均满足性能指标要求。根据前面的公式1.2可得：取值R1＝240代入上式可得：R2min＝336R2max＝1.49K设计方案中R2选用一个330的电阻R2与一个2K的电位器RP串联组成。为得到额定的输出电流，设计中在LM317上安装散热片进行散热。在multisim中采用的是LM317H。由于滤波电路中采用了大容量的有极性电容，而大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。稳压部分的电容选择为LM317输入端电容C=0.1UF，输出端电容CO=1UF，调整端电容C3=10UF。保护用二极管为IN4007，其反向击穿电为：UBR＝1000V17V最大整流电流：IF＝1A＞0.8A（2）选用电源变压器根据变压器的次级输出功率P2来选用变压器，LM317的输入电压Ui的范围为：Uomax＋(Ui－Uo)min≤Ui≤Uomin＋(Ui－Uo)max2.1即：9V＋3V≤Ui≤3V＋40V12V≤Ui≤43V设计方案选用单相桥式整流方式可使得变压器的利用率较高。变压器次级电压U2与稳压器输入电压Ui的关系为：2.25变压器次级电压取值为：U2≧Uimin／1.1则可得：U2≧12V／1.1＝11VI2＞Iomax＝0.8A取I2＝1A，变压器次级输出功率为：P2≧I2U2＝11W变压器的效率一般取η＝70℅，则变压器初级功率为：P1≧P2／η＝15.7W为留有余地，设计方案中选取输出电压为12V，功率为20W的变压器。在multisim中采用的是TS-PQ4-20。（3）单相桥式整流电路桥式整流电路的特点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分利用，效率较高。因此，设计方案采用单相桥式整流电路，实物制作中选用的整流桥堆为：DCW08M。在multisim中采用的是IB4B42。（4）滤波电容设计要求中输出最大电流Iomax=800mA，滤波电容电容量C根据负载电流选用，其经验数据为，负载电流为0.5～1A时，电容选用1000uF。设计方案中选用2只电容2200uF∕25V并联，分别为C1、C2。2.2直流稳压电源的仿真结果与调试2.2.1设计的直流稳压电源原理图设计方案采用的的是multisim10.0版本进行的仿真操作，设计的原理图如图2.1示。6图2.1连续可调3—9V直流稳压电源2.2.2输出电压的仿真调试电位器RP1滑到最小时，Uo=3.005V，仿真图如图2.2示。图2.2直流稳压电源最小输出电压电位器滑到58%时，即RP=1160，Uo=9.142V，仿真图如图2.3示。7图2.3直流稳压电源9V电压输出电路由于市场上没有1158的电位器出售，课题设计方案中采用2K的电位器代替，最大输出电压可达到13.523V，设计符合要求，输出电压连续可调。2.2.3稳压电源最大输出电流调试仿真测试电路如下图2.4所示。一般情况下，稳压器正常工作时，其输出电流Io要小于最大输出电流Iomax，取Io=0.7A，可算出12LR,工作时LR上消耗的功率为。故在仿真调试时LR取额定功率为10W，阻值为20的电位器。测试时，先将20LR,交流输入电压为220V，用万用表测量的电压指示Uo。然后慢慢调小LR，直到Uo的值下降5%。此时流经LR的电流就是maxoI，记下maxoI后，马上调大LR的值，以减小稳压器的功耗。20LR时，Uo=9.115V，Io＝455.735mA，仿真图如图2.4示。图2.4直流稳压电源输出电流测试图8Uo下降5%时（8.68V），Io=0.7A，仿真图如图2.5示。图2.5直流稳压电源最大输出电流测试图由仿真测试图可知，设计电路符合要求，其最大输出电流满足指标。2.2.4稳压系数的仿真测试稳压系数是输出电压和输入电压的相对变化之比，用来表征稳压性能。其公式为：2.3输入电压为220V时，电路输出电压Uo=9.115V,电路中的电流Io=0.456A，仿真测试图如图2.6示。图2.6直流稳压电源稳压系数测试图19输入电压为269V时,Uo=9.121V，电路中的电流Io=0.456A，仿真测试图如图2.7示。图2.7直流稳压电源稳压系数测试图2输入电压分别为220V和269V时负载上的电流基本不变，满足△IO=0。稳压系数，，仿真结果满足设计要求。综上所述，电路的输出电压，最大输出电流，稳压系数均符合设计要求。该设计电路图可行，能满足设计方案性能指标。103可调直流稳压电源硬件系统的设计3.1直流稳压电源硬件系统各模块功能简要介绍3.1.1变压电路（1）变压器设计方案中采用输出电压12V，功率20W的变压器。其作用是把220V的交流电经过变压器降压后获得12V的输出电压，实现后续电路正常的工作。（2）保险丝设计中选用的是允许通过的最大电流为1A的保险丝，其作用是保护电路中的元器件，以防电路中出现电流过大而烧坏器件。3.1.2整流滤波电路设计采用的是单相桥式整流电路，选用的整流桥堆为：DCW08M，其内部是由四只整流二极管接成电桥形式。其作用是把降压后的交流电变换成直流电。滤波电路由两只2200UF∕25V的电容并联组成。其作用是滤去整流输出电压中的纹波。在电源供给的电压升高时，把部分能量存储起来，在电源电压降低时，把电场能量释放出来，得到较为平滑的负载电压，有平波的作用。3.1.3稳压电路（1）集成三端稳压器LM317设计采用的稳压芯片为LM317T，实现稳压。LM317为三端输出元件。有输入端UI，输出端UO，以及调整端ADJ，其作用是在输入电压UI输入适当的电压，从输出端UO得到设计所需的稳定电压。设计电路中，调整端处的电阻R2（330）、电位器RP（2K）与输出端电阻R1（240）实现电路中输出电压的连续调节；输入端处的无极性电容C（0.1UF）其作用是防止电路自激振荡减小电压波动、输出端有极性电容CO（1UF）用于改善负载效应起稳压作用，调整端的有极性电容C3(10)，其作用是有效去除电路中的纹波。（2）保护二极管IN4007芯片处的两只二极管IN4007起保护作用，为稳压器接反时与逆偏置保护用二极管。（3）散热装置设计中采用了散热片，用于保护芯片且为得到额定输出电流。113.2直流稳压电源电路原理图和PCB图设计电路的电路原理图如下图3.1示。电路图来源protel99SE。图3.1直流稳压电源电路原理图设计电