直流可调稳压电源的设计毕业设计.doc

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1、直流可调稳压电源的设计摘要：直流可调式稳压电源在日常生活中运用广泛，受到人们的青睐，为满足实际要求，本文主要介绍根据所需要的各项技术指标，自己设计一款实用型直流可调式稳压电源，现将其各部分组成电路、原理，设计，安装调试，有关参数及其测试的方法逐一介绍。关键词：直流可调；稳压电源；设计；调试The design of adjustable direct current power ( College of physics and electronics information , Inner Mongolia Normal University ,Huhhot 010022)Abstract:

2、The adjustable direct current power is used extensive in the daily life,for this kind of practical and adjustable direct current power, according to the index of various techniques. this paper introduces the method of designing , include constituting, principle, designing, installing，measure and par

3、ameter of the circuit.Key words: adjustable direct current power; design; measure 1 引言 随着我国现代化建设的发展，电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。不仅电子计算机、电子测量仪器等电子产品本身大量采用了各种电子电路，而且在各工业部门的生产设备中，由于自动化程度的提高，也越来越广泛的采用了电子电路，不论是哪种电子电路，都需要有高质量的、稳定的直流电源。电源是电子设备的重要组成部分，直接影响着电子设备的工作质量，因此，越来越受到人们的重视。随着元件和电路设计的日臻完善，半导体集成技术的发展，稳

4、压电源目前也已经发展成为一个独立的技术领域，并且出现了新的类型集成型稳压电源。由于对其要求的不断提高，使直流稳压电源的体积、重量、成本和可靠性都有显著的改善。为了适应应用和发展的需要，下面主要介绍利用LM317T集成电路三端稳压器构成的直流稳压电源。2 电路组成及工作原理 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图1所示。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 UI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _（a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 UI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流与稳

5、压过程图1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程2.1电源变压器 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。如果市面上没有你所需要功率的变压器，必须自己绕制。自己设计变压器时，根据实际要求，一般应分为两部分，即铁心和初、次级线圈匝数。铁心是变压器的主要组成部分，为了使磁力线容易通过并形成闭合磁路，减少电功率的损失，其铁心一般采用硅钢片。硅钢

6、片越薄，电功率的损失越小，效果越好。整个铁心是用很多硅钢片迭起来的，而每片之间又必须是绝缘的。买来的硅钢片，表面有一层不导电的氧化膜，它有足够的绝缘性能。常用的铁心形状有壳式和心式两种，硅钢片的大小要根据变压器输出电功率的大小来选择。根据公式 可以计算出铁芯的截面积（指硅钢片中间那个舌的标准尺寸和迭起来的总厚度的乘积）。系数K及其舌的标准尺寸由硅钢片的参数表可查出。每伏要绕多少匝，一般要用以下公式计算选择好硅钢片的大小和每伏匝数。接下来就可以确定线圈的匝数和导线的粗细了，线圈的匝数是根据电压的高低来决定的，等于电压伏数乘每伏需绕的匝数。漆包线的粗细是由电流的大小来决定的，通过的电流大，用的漆包

7、线就要粗一些，否则变压器很容易发热。所有的降压变压器，它的初级线圈的电压高，通过的电流比较小，所用的漆包线比较细，线圈的匝数多。次级线圈的电压低，通过的电流比较大，所用的漆包线比较粗，线圈的匝数少。如果是升压变压器，情况正好相反。2.2整流和滤波电路整流是把交流电变换成直流电的过程，它的基本原理是利用了晶体二极管的单向导电特性。整流一般分为半波整流和桥式全波整流。在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。桥式整流电路及信号的输入、输出波形如图2所示。 iD u2 U2m 0 t 220V u2 R u3 u3 UIm U3m 0 t

8、图2桥式整流电路及信号的输入、输出波形桥式整流电路的输出直流电压比半波整流的高一倍。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为 虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分，但脉动较大，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压，一般较常采用的是电容滤波电路。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。常用滤波器有C型、p 型、G 型。图3为桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形。流过每只二极管的平均电流为 ui UIm UI 220V u2 C R ui 0 t 图3桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波

9、形我们在选用整流二极管时，其最大整流电流和最高反向电压应分别大于以上两式计算出的ID和URM值。其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足 T = 20ms是50Hz交流电压的周期。上述整流滤波电路实际上就是一个整流电源。其优点是电路简单，主要缺点是输出的直流电压不够稳定，内阻和纹波较大，只能用在要求不高的场合。2.3稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需在整流电源的输出端加一级稳压电路，组成直流稳压电源。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发

10、生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型，其芯片内有过流、过热、安全工作区保护电路。2.3.1固定电压输出稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、

11、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图A所示。2.3.2可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，常见产品有LM317,LM337，国产型号CW317,CW337系列等。CW117/CW317是我国北京半导体五厂生产的。LM117/LM317系列是美国国家半导体公司生产的三端可调正稳压器集成电路。我国和世

12、界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。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系列内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。LM117/LM317系列能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过 LM117/LM317系列的极限就行。当然还要避免输出端短路，还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。可调式三端稳压器型号后二位数字为17，则为正电压输出，若是37，则为负电压输出。其特点是输

13、出电压可连续可调，调节范围较宽，其电压调整率，负载调整率等指标均优于固定式三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3 40V。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用电路见附录图B。3 稳压电源的设计方法稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。 稳压电源的设计可以分为以下三个

14、步骤：第一步根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。第二步根据稳压器的输入电压，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1查出变压器的效率，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。第三步确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为： 纹波电压的有效值 稳压系数 设计步骤：第一步选择集

15、成稳压器，确定电路形式集成稳压器选用LM317T，其输出电压范围为：，最大输出电流为1.5A。它的宽范围调节性能、完善的保护功能、简洁的外围电路、优良的稳压性能足以胜任一般的需要。稳压器的接地端不能浮空，以防止稳压器内部失去隔离而引起损坏，若需要增大输出功率，则必须在LM317T上加装散热片。设计完电路草图以后，需要进行仿真测试，规范绘制电路原理图，生成印刷电路板。PROTEL 99及其升级版本是我们最佳的选择，他提供的内容有电路原理图的制作、印刷电路板（包括单层板、双层板）的绘制和打印输出电路板图及其仿真测试的操作。由所选择的元件，根据其引脚封装形式绘制电路原理图，生成电路板图，打印电路板图

16、。有了电路板图就可以手工绘制电路板，然后腐蚀电路板，根据电路图焊接电路。所确定的稳压电源电路原理图、电路板图如图4（a）、（b）所示。图4中，取C2 = 0.33F，C3=10F，C4 = 25F，R1 = 150，RW = 4.7k，二极管用IN4001，和组成输出电压调节电路，输出电压， （a）直流稳压电源原理图 （b）直流稳压电源电路板 图4 输出电压可调的稳压电源取，流过的电流为。取R1=150则由，可求得，为方便输出电压调节及保证调节精度，在选择时应注意选择质量好的4.7K的线性电位器。输出部分采用成品经过校准的仪表专用指针电压表以同步了解电源输出及负载工作情况。它可以给我们的电路实

17、验带来很大方便。故取为的精密线绕电位器。第二步选择电源变压器电源变压器采用带静电屏蔽层外壳全封闭的优质变压器。防止出现所谓的“交流声”，在整流电路后并联电容也可进一步防止交流干扰。由于LM317T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LM317T的输入电压范围为 即 ， 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。如果需要自己绕制变压器，按照上面介绍的方法去做。第三步选用整流二极管和滤波电容由于：，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。根据 ，和公式可求

18、得 所以，滤波电容电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。例子中电路的工作原理220V交流电压经变压器降压后，其次级电压变为35V。二极管D1D4，电容C1实现桥式整流电容滤波。LM317T为三端可调式正电压输出集成稳压器，其输出端2与调整端1之间为固定不可变的基准电压1.25V（在LM317T内部）。输出电压UO由电阻R1和RW的数值决定，UO1.25(1+RW/R1)，改变RW的数值，可以调节输出电压的大小。C2用来抑制高频干扰，C3用来提高稳压器纹波抑制比，减小输出电压中的纹波电压。C4用来克服LM317T在深度负反馈工作下可能产生的自激振荡，还可进一步减小输出电压中的

19、纹波分量。D6的作用是防止输入端短路时，电容C4放电而损坏稳压器。D5的作用是防止输出端短路时或输入端电压突然降低或输出端电压突然升高、输出电容C4放电对LM317的冲击而损坏稳压器，从而起到保护作用。在正常工作时，保护二极管D5、D6都处于截止状态。电路中配有过载保护和短路保护电路，由电阻R1R4、可控硅SCR、稳压管D7以及保险丝FUSH组成。当负载电流过载并超过起始保护电流时，稳压管D7导通，使可控硅SCR触发，在R4、SCR回路形成一个大电流，对保险丝造成一个达几十安培的大电流冲击，使其在极短的时间内熔断。利用这样的保护电路可以在负载短路后1us之内触发可控硅并使保险丝在35us内熔断

20、。4 稳压电源的安装与调试在装配时要尽量使各元件在印刷电路板上高低一致，排列要整齐，焊接要牢靠。按图5所示安装集成稳压电路，然后从稳压器的输入端加入直流电压， D6 调节RW，若输出电压也跟着发生变化，说 明稳压电路工作正常。 3 LM317T 2用万用表测量整流二极管的正反向电 1 R1 D5阻，正确判断出二极管的极性后，按图6 C1 所示先在变压器的副边接上额定电流为1A UI C2 C4 UO 的保险丝，然后安装整流滤波电路。 安 C3 RW装时要注意，二极管和电解电容的极性不 要接反。经检查无误后，才将电源变压器 与整流滤波电路连接，通电后，用示波器 （其中：D5、D6为IN4001型

21、二极管， 或万用表检查整流后输出电压UI的极性， C2 = 0.33F，C3=10F，C4 =25F） 若UI的极性为负，则说明整流电路没有 图5 稳压电路接对，此时若接入稳压电路， 就会损坏集成稳压器。因此 确定UI的极性为正后，断开 电源，按图4所示将整流滤波 D1 D4电路与稳压电路连接起来。然后接通电源，调节RW的值， u1 D2 D3 C UI若输出电压满足设计指标，说 220V u2 明稳压电源中各级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。 图6 整流滤波电路 5、直流稳压电源的主要技术指标 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压

22、的稳定程度；稳压电源的输出电压UO（或电压可调范围UOmin UOmax）和最大输出电流IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。下面简要介绍这些指标的含义。5.1最大输出电流指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用IOmax表示。一般情况下的工作电流IOIOmax。5.2输出电压 指稳压电源的输出电压，用UO表示。 5.3输出电阻稳压电源的输出电阻RO用来表明负载电流IO变化时，引起输出电

23、压UO变化的程度。当输入电压不变时，由于负载电流变化DIO，而引起输出电压变化DUO，则： 显然，RO越小负载变化时对输出电压的影响就越小。说明该稳压电源的性能越好。 5.4电压调整率KV它表示负载电流和环境温度保持不变，输入电压UI（220V）变化10%时，输出电压的相对变化值。 5.5稳压系数SS是指负载电流和环境温度T保持不变时，输入电压Ui的相对变化引起输出电压的相对变化，即： 显然，电压调整率越小表示该电源的性能越稳定，其值应是越小越好。6、稳压电源各项性能指标的测试6.1输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图7所示。 自耦变压器 Io 电流表一般情况下，稳压器正常 被测 工作时，

24、其输出电流要 220V 稳压 Uo V 电压表 RL小于最大输出电流，取 电路，可算出RL=18，工作时上消耗的功率为：故 图7 稳压电源性能指标的测试电路取额定功率为5W，阻值为18的电位器。测试时，先使，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。然后慢慢调小，直到Uo的值下降5%，此时流经的电流就是，记下后，要马上调大的值，以减小稳压器的功耗。 6.2输出电阻的测量按图7所示连接电路，保持稳压电源的输入电压，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：6.3电压调整率，稳压系数的测量按图7所示连接电

25、路， 在时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源对应的输出电压Uo1 ；再调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源的输出电压Uo2。由定义，则： 6.4纹波电压的测试待添加的隐藏文字内容3 用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Uop-p的值（约几mV）。 6.5纹波因数的测量用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。为了衡量整流电源性能的好坏，常用纹波因数g来表示。即： g越小，输出脉动越小，表示整流电源的性能越好。结束语： 本文所介绍的方法是在电子线路

26、中设计稳压电源时最为普遍、常用的方法，在使用时要特别注意：如果你需要其它的电压值，即可自选改变有关电阻的阻值来得到。LM317T有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，它才能起到稳压的作用，这个电流随器件的生产厂家不同在3-8mA不等，这个可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。另外，输入电压不应大于LM317T的最大输入电压，否则，它内部管子会被击穿损坏。还要防止管脚接错，稳压器三端接错容易损坏，在调试、使用时各管脚都要接好才通电；稳压器的接地端也不能浮空，以防止稳压器内部失去隔离而引起损坏，要妥当地接入保护二极管(不能省略)，稳压器不加散热片时，常温下最大功耗为12W，若需增

27、大功率，必须加装散热器，防止过热引起电流饱和。随着电子技术的不断发展，在设计制造稳压电源时，对其也提出了更高的要求，这就需要我们在实践过程中不断学习、不断总结经验。附录：1 固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路 CW78XX 1 CW78XX 3 CW79XX 1 2 3 UI C1 2 Co Uo 1 2 3 UI C1 1 Co Uo 2 CW79XX 3 Ui 地 Uo 地 Ui Uo（a）CW78系列的引脚图及应用电路 （b）CW79系列的引脚图及应用电路（其中：C1 = 0.33F,Co = 0.1F ，C1、 （其中：C1 = 2.2F，CO = 1F） Co采用漏电流小的钽电容

28、）图A 固定式三端稳压器的引脚图与应用电路说明：稳压器输入端的电容C1用来进一步消除纹波,此外，输出端的电容Co与C1起到了频率补偿的作用，能防止自激振荡，从而使电路稳定工作。2 可调式三端稳压器的引脚图及其典型应用电路在图B (a)中，R1与Rw组成输出电压调节电路，输出电压Uo1.25 (1 + Rw / R1 )，R1的值为120 240，流经R1的泄放电流为5 10mA。Rw为精密可调电位器。电容可以进一步消除纹波，电容C1与Co还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振荡。电容C2与Rw并联组成滤波电路，电位器Rw两端的纹波电压通过电容C2旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极管D5的

29、作用是防止输出端与地短路时，因电容C2上的电压太大而损坏稳压器。 3 CW317 2 CW317 1 R1 D5 1 2 3 C1 Co Uo RW C2 arj Uo Ui （a） CW317系列引脚图及应用电路其中：C1= 0.01F，C2 =10F，CO =1F， R1 =200，RW =3k，D5用IN4001 RW CW337 UI C1 Co Uo 1 2 3 1 R1 D5 3 2 arj Uo UI CW337（b） CW337 系列引脚图及应用电路 其中：C1= 0.1F，C2 =10F，CO =1F， R1=200，RW =3k，D用IN4001（c）LM117/317 系

30、列引脚图及应用电路其中：C1= 0.1F，C2 =1F，C3=10F， R1=200，RW =5k，D用IN4001图B 可调三端式集成稳压器如果在设计时所用到的LM117/LM317 系列三端可调集成稳压器，在市面上购买不到，可以用以下各厂商的同型号电路直接代换。见下图表：国家半导体摩托罗拉仙童日电东芝日立上无七厂北京半导体五厂LM317MC317MC317PC317TA317HA317SW317CW317参考文献： 1 杨素行模拟电子技术基础简明教程（第二版）北京：高等教育出版社，19982 王顺祺稳压电源设计河北：国防工业出版社，19833 关绍明等稳定电源北京：人民邮电出版社，19844 王彦平等PROTEL 99电路设计指南北京：清华大学出版社，2003 5 电工组电工上海：上海人民出版社，19736 杨长春电子报合订本成都：四川科学技术出版社，20037