基于數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、摘 要當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著電子設(shè)備帶來的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個(gè)共同的電路-電源電路。大到超級(jí)計(jì)算機(jī)、小到袖珍計(jì)算器，所有的電子設(shè)備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。常用的穩(wěn)壓電源有交流和直流之分，當(dāng)然這些電源電路的樣式、復(fù)雜程度千差萬別。不可否認(rèn)電源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于我們生活的方方面面，所以，學(xué)習(xí)并了解電源的制作原理和技術(shù)對(duì)于我們的生產(chǎn)和發(fā)展都具有積極的意義。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對(duì)電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(fù)載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。本文主要

2、設(shè)計(jì)并制作數(shù)字顯示的直流穩(wěn)壓電源。本電源作為一個(gè)微型啟動(dòng)器，具有可調(diào)整電壓，調(diào)壓范圍是1.25v-20v，而且具備輸出電壓可以顯示的功能。本文介紹了直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的總體的設(shè)計(jì)方案，它主要由變壓器部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分、電壓數(shù)字顯示部分和輸出部分組成。電源的穩(wěn)壓部分用三端集成穩(wěn)壓管lm317完成，數(shù)字顯示部分用icl7107芯片完成。icl7107是一種市場(chǎng)上應(yīng)用非常廣泛的集成芯片，內(nèi)置程序，可以直接驅(qū)動(dòng)led數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)的顯示部分是采用icl7107芯片制作led顯示的數(shù)字電壓表，并聯(lián)到輸出端，完成電壓顯示的功能。本電源具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，成本低，效率高，調(diào)整精度高等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上有很好的

3、應(yīng)用前景。1 前 言1.1 穩(wěn)壓直流電源的研究背景直流穩(wěn)壓電源一般由三大部分組成，它們分別是變壓器部分，整流濾波部分和穩(wěn)壓器部分。通過變壓器把220v的市電變?yōu)殡娫此枰牡蛪航涣麟?，然后?jīng)過整流器，把交流電變成直流電，但是這時(shí)候的直流電并不穩(wěn)定，需要經(jīng)過濾波后，再由穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。本設(shè)計(jì)采用lm317芯片作為集成穩(wěn)壓電路的芯片，不僅電路簡(jiǎn)單，而且電壓可以在1.25v-37v內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且它效率高，性能好，有較高的調(diào)整精度，各方面都適合設(shè)計(jì)的要求。本電源在市場(chǎng)上很有應(yīng)用前景，可以作為收音機(jī)或掌機(jī)的外接電源，也可以用作手機(jī)電池的充電器，功率高點(diǎn)的還作為小型電視或其他家用電器的電源。

4、直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器之一，它現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用在學(xué)校教學(xué)，科學(xué)研究等領(lǐng)域，是電子設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究必不可少的電子儀器。在日常的電子電路中，供電電源常常要用到穩(wěn)壓直流電源。所以，穩(wěn)壓直流電源具有非常重要的研究意義。在日常生活中，很多家用電器或者it產(chǎn)品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實(shí)際生活中，我們的家庭用電都是用到220v的交流電網(wǎng)。這就需要通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓電路來將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓的直流電，供家用電器使用。變壓器可以將220v的交流電轉(zhuǎn)換成適合用電器的低壓交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。1.2 課題的主要內(nèi)容1.2.1 電源的輸出控制本系

5、統(tǒng)利用lm317的穩(wěn)壓及其電壓可調(diào)的功能，通過旋轉(zhuǎn)接在調(diào)整腳的電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.25-20v內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)整精度較高。lm317的電壓調(diào)整電路圖如圖1所示。圖1 lm317的電壓調(diào)整原理電路圖如圖1所示，通過調(diào)整可調(diào)電阻rv1的阻值，就可以調(diào)整輸出電壓vo的大小。所以，如果希望調(diào)整的精度高，可調(diào)電阻rv1的調(diào)整精度也要高。1.2.2 穩(wěn)壓直流電源的功能本設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓直流電源，除了可以輸出穩(wěn)定的直流電壓和實(shí)現(xiàn)電壓的平滑連續(xù)可調(diào)外，還有數(shù)顯功能，能夠用led數(shù)碼管顯示輸出端的電壓。1.2.3 性能指標(biāo)輸出最大電壓：20v輸出最小電壓：1.25v輸出最大電流：1.5a最大傳送功率：20w1.2

6、.4 論文的總體結(jié)構(gòu)第一部分主要介紹課題的背景，研究意義，介紹本文的主要研究?jī)?nèi)容，包括實(shí)現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)等。第二部分提出穩(wěn)壓直流電源的總的設(shè)計(jì)思路和幾種可行的方案，以及各方案實(shí)現(xiàn)的功能，并對(duì)這些不同的方案進(jìn)行分析，最終選擇了本方案，并對(duì)本方案需要用到的元器件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第三部分對(duì)選擇的方案進(jìn)行分析闡述，把電路分模塊地論述，給出各部分電路圖。第四部分對(duì)穩(wěn)壓直流電源的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估，以及對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行研究。第五部分給出設(shè)計(jì)的實(shí)物圖。第六部分對(duì)本穩(wěn)壓直流電源給出本課題的結(jié)論，作結(jié)束語。2 方案的選擇和設(shè)計(jì)思路2.1 方案設(shè)計(jì)與論證1 輸出電壓范圍1.25v-20v；2 波紋系數(shù)盡量小，

7、輸出穩(wěn)定；3 能數(shù)字顯示電壓。三個(gè)方案的選擇：方案一：開關(guān)電源，采用pwm脈寬調(diào)節(jié)。它的功耗比較小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，電路的形式多樣。但是，pwm占空比的線性變化使相應(yīng)的電流呈非線性變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對(duì)占空比很小的pwm波積分效果明顯，導(dǎo)致電壓的非線性變化更顯著，特別是pwm占空比很小的時(shí)候，即希望調(diào)出很小的電壓的時(shí)候。方案二：用單片機(jī)控制輸出電壓的調(diào)整，使用電壓采樣電路，通過a/d轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。主要由微控制器模塊，穩(wěn)壓控制模塊，電壓采樣模塊，顯示鍵盤模塊，電源模塊五部分組成。方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示。輸出電壓控制單元51單片機(jī)掉電貯存單元按鍵電路lcd顯示單元電壓/電流采樣

8、電路電源電路 電壓/電流采樣電路 圖2 方案二系統(tǒng)框圖方案三：利用lm317集成穩(wěn)壓芯片為核心，通過變壓器之后整流濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用icl7107芯片制作數(shù)字顯示電壓表頭，芯片的供電也是用lm317制作+5v的穩(wěn)壓電源提供。方案三系統(tǒng)框圖如圖3所示。輸出lm317穩(wěn)壓電路變壓器220ac輸入led顯示icl7107圖3 方案三系統(tǒng)框圖根據(jù)課題的要求最終選擇方案三，雖然方案三電壓調(diào)節(jié)精度不及方案二，但是連續(xù)可調(diào)的直流電壓比較符合課題，方案二中的數(shù)控直流電源是步進(jìn)調(diào)壓的。而且方案三具有電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于操作等優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過調(diào)試，其電壓輸出穩(wěn)定，調(diào)壓精度高，效率高，完全符合課題的

9、要求。2.2 芯片的選擇2.2.1 lm317三端可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的范圍是1.25v-37v的時(shí)候能夠提供超過1.5a的電流，此穩(wěn)壓器非常容易使用，只要兩個(gè)外部電阻來設(shè)置輸出電壓。此外，還使用內(nèi)部限流，熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償從而使之能防止燒斷保險(xiǎn)絲。lm317是應(yīng)用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構(gòu)成三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式，同時(shí)輸出電壓具有可調(diào)的功能。此外，它還有眾多的優(yōu)點(diǎn)，例如，調(diào)壓范圍寬，穩(wěn)壓性能好，噪聲低，紋波抑制比高。它的主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：1.25-37v dc；輸出電流：5ma-1.5a；保護(hù)電路：芯片內(nèi)部有過熱，過流，短路保護(hù)電路；

10、最大輸入輸出電壓差：40v dc；最小輸入輸出電壓差：3v dc 集成穩(wěn)壓器有多種型號(hào)供選擇，每種型號(hào)有著不同的性能指標(biāo)，可用于功能要求不一樣的各種電路。表1為幾種集成穩(wěn)壓器的型號(hào)與性能指標(biāo)：表1 幾種集成穩(wěn)壓器的型號(hào)與性能指標(biāo)類型三段固定三端可調(diào)大電流可調(diào)參數(shù)符號(hào)單位78mxx、79lxxlm317、lm337lm138輸入電壓v1v+-（8-40）+-（3-40）35輸出電壓v0v+-（5-24）+-（1.2-37）1.2-32最小電壓差（vi-vo）minv+-(2.0-2.5)2.8電壓調(diào)整率sv%v3-180.010.01電流調(diào)整率si%12-150.10.03溫度系數(shù)s/300(0

11、-75) 紋波抑制比rrdb53-62、6065、77-8060-75調(diào)整端電流idua50、65-100輸出阻抗zo最小負(fù)載電流iominma3.5輸出電流ioa空擋（1.5）m（0.5）l（0.1）0.01-1.50.1-1.5最大功耗pmaxw0.6-20輸出噪聲電壓vnuv(峰-峰值)4-70、125-600502.2.2 icl7107三位半lcd/led顯示a/d轉(zhuǎn)換器icl7107是現(xiàn)時(shí)一種在數(shù)字儀表領(lǐng)域上應(yīng)用非常廣泛的三位半a/d轉(zhuǎn)換器，它的用途非常廣泛，不僅可以用于制作數(shù)字顯示電壓表，電路稍加改造，還可以用于制作數(shù)字電流表和數(shù)字溫度計(jì)等實(shí)用的電路或儀表。icl7107是一種高

12、性能，高效率，低功耗的三位半a/d轉(zhuǎn)換器電路。它集成了七段譯碼器，顯示驅(qū)動(dòng)器，參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)，并且可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。icl7107芯片將高精度，低成本和通用性非常好地集于一身，而且極性誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種各樣的系統(tǒng)中都發(fā)揮了非常大的作用。而且，只要用十來個(gè)作用的無源電子元件和led發(fā)光管就可以與icl7107構(gòu)成一個(gè)具有高性能的儀表面板，充分表現(xiàn)出icl7107芯片的低成本還有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。icl7107芯片共有40個(gè)引腳，芯片的第一腳，是將芯片正放，眼睛面對(duì)芯片的型號(hào)字符，在芯片的左下方就是它的第一腳。當(dāng)知道了那個(gè)腳是第一腳，按照逆時(shí)針方向排列，依次

13、是第二引腳到第四十引腳。芯片的第一引腳是供電，需要接入dc5v的電壓。第36引腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值時(shí)100mv，第26引腳是負(fù)電源引腳，它的電壓數(shù)值是負(fù)的，最好是-3.2v到-4.2v左右，不能夠是正電壓或者零電壓。芯片第31引腳是信號(hào)輸入引腳。芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號(hào)地是30腳，基準(zhǔn)地是35腳，在通常的情況下，這四個(gè)引腳都接地。下面給出icl7107芯片的管腳排列圖，如圖4所示：圖4 icl7107的管腳排列圖表2為icl7107芯片的各種極限參數(shù)的表格，包括工作溫度、儲(chǔ)存溫度、熱阻和最大結(jié)溫等。表2 icl7107的極限參數(shù)參數(shù)類型型號(hào)符號(hào)參數(shù)范圍單位電源電壓icl71

14、06v+v-15v電源電壓icl7107v+gnd6v電源電壓icl7107v-gnd-9v模擬輸入電壓icl7106/icl7107v+v-參考源輸入icl7106/icl7107v+v-時(shí)鐘輸入icl7106testv+時(shí)鐘輸入icl7107gndv+工作溫度icl7106/icl7107topr070貯存溫度icl7106/icl7107tstg-65150熱阻icl7106/icl710750/w最大結(jié)溫icl7106/icl71071503 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)3.1 可調(diào)穩(wěn)壓直流電源的基本組成穩(wěn)壓電源一般分為五部分，由變壓器降壓電路，全橋整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路組成

15、。穩(wěn)壓電源電路圖如圖5所示。圖5 穩(wěn)壓電源電路原理圖lm317可調(diào)式集成穩(wěn)壓電源的原理圖如圖5所示，只要接線正確，一般能良好地實(shí)現(xiàn)它的功能。交流220v電壓經(jīng)過電源變壓器降壓整流后得到直流電壓vin，電壓vin經(jīng)過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器的輸入端，在集成穩(wěn)壓器輸出端課調(diào)出1.25v-20v（可調(diào)范圍取決于r2和r3的取值，最大范圍可以從1.25v調(diào)到37v。）的電壓。為獲得較高的輸出電壓值，lm317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間的電阻r2值及其壓降往往較大，在r2兩端并接一個(gè)不小于10uf的電容c3，可有效地抑制輸出端的紋波。由于穩(wěn)壓器在11的深度負(fù)反饋下工作，當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某一值時(shí)，穩(wěn)壓器有

16、可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。因此，在穩(wěn)壓器的輸入端接入0.1uf的電容c2，輸出端接入10uf的電解電容c5，提供足夠的電流供給，同時(shí)可以防止可能發(fā)生的自激振蕩以及減小高頻噪聲和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，c5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電，c5值較大，則放電時(shí)的沖擊電流很大，電壓會(huì)通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶體管放電，可能造成輸出晶體管發(fā)射結(jié)反向擊穿。為此，在穩(wěn)壓器兩端并接二極管d6，輸入端短路時(shí)c5通過d6放電，保護(hù)lm317穩(wěn)壓器。3.2 整流濾波電路 因?yàn)檎n題需要5v-12v的穩(wěn)壓直流電，所以需要用到220v轉(zhuǎn)18v的變壓器把高壓的交流電轉(zhuǎn)成低壓交流電。因?yàn)檎n題不需要用到20v以上的電壓，所以應(yīng)該

17、選用18v-24v的變壓器，這樣可以降低lm317集成芯片的功耗，達(dá)到低功耗，高效率的要求。 3.2.1 整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。在工作時(shí)，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用，當(dāng)正半周時(shí)，二極管v1、v3導(dǎo)通（v2、v4截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周；當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管v2、v4導(dǎo)通（v1、v3截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載

18、電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。 圖6 橋式整流電路原理圖 選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓vrm和正向電流if。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流：式中ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流，ir1、ir2、iadj 分別為流過r1、r2，以及調(diào)整端的電流，則：考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的23 倍。二極管最大反向電壓：式中u2為電源變壓器次級(jí)電壓有效值，ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器lm317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓

19、ui與輸出電壓u0之差一般在515v范圍，取ui-u0=10v，得：設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根據(jù)計(jì)算，1n4007的二極管符合設(shè)計(jì)要求，可以用作整流橋。橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示。 圖7 橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示，在交流電壓u2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載rl都有同方向的電流通過，故rl上得到單方向全波脈動(dòng)的直流電壓。這樣，四個(gè)二極管組成的整流橋就完成了整流的功能。3.2.2 濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。所以我們需要在整流電路之后加入濾波電路進(jìn)行濾波，才能得到穩(wěn)定的直流電壓。對(duì)于濾波電路的選擇有兩種方案：方案一：采用電感濾波電路

20、。由于電感在電路中有儲(chǔ)能的作用，所以在電路中可以串聯(lián)電感，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能夠把能量?jī)?chǔ)存起來，當(dāng)電流減小時(shí)，它有可以把能量釋放出來，是負(fù)載電流比較平滑，有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導(dǎo)電角度比較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵芯的存在，比較笨重，體積比較大，而且容易引起電磁干擾。一般的情況下只適用于低電壓，大電流的場(chǎng)合。電感濾波電路圖如圖8所示：圖8 電感濾波電路方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲(chǔ)存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能夠把部分能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候，就能把能量釋放出來，是負(fù)載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是

21、電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡(jiǎn)單，而且負(fù)載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合，也減輕了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。圖9 電容濾波電路經(jīng)過分析，最終決定采用方案二。經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容c的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù)rlc大于充電周期的35 倍，其耐壓值必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來說，脈動(dòng)電壓峰值為2u2，c的充電周期等于交流電源周期t的一半，即c(35) t2rl，式中rl為整流后的等效負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取c為2200uf。設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路

22、，輸入電壓u2為正半周，當(dāng)u由零上升時(shí)，v1、v3導(dǎo) 通，c被充電，同時(shí)電流經(jīng)v1、v3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此uo=ucu2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，uc也達(dá)到最大值，然后u2下降，此時(shí)，ucu2，v1、v3截止，電容 c向負(fù)載電阻rl放電，由于放電時(shí)間常數(shù)=rlc一般較大，電容電壓uc按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|u2|uc時(shí)，v2、v4導(dǎo)通，電容c再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負(fù)載電壓的波動(dòng)大為減小。圖10 橋式整流、電容濾波時(shí)的電壓、電流波形3.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是整個(gè)設(shè)

23、計(jì)之中一個(gè)很重要的組成部分，幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。所以，研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源?？紤]到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當(dāng)?shù)木嚯x，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負(fù)載電流變化的時(shí)候，因?yàn)檎鳛V波電路存在一定的內(nèi)阻，所以輸出的直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面，由于電網(wǎng)電壓并不穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關(guān)，因此輸出直流電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化。因此，在設(shè)計(jì)中，采用三端集成穩(wěn)壓器lm317來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。其中，調(diào)整管接在輸入端和輸出端

24、之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)，調(diào)整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。放大倍數(shù)越大，則穩(wěn)定性能越好。由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的一種，而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓成正比，因此，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成，它將輸出電壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動(dòng)電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時(shí)候，是調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立各自的工作電路，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作是啟動(dòng)電路被斷開，影響穩(wěn)壓電路的性能。保護(hù)電路主要起到限流保護(hù)，過

25、熱保護(hù)和過壓保護(hù)的作用。穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖11所示。 圖11 穩(wěn)壓電路原理圖lm317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如lm317hvh、w317l等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。 穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算：僅僅從公式本身看，r3、r2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，r3和r2的阻值是不能隨意設(shè)定的。1，2腳之間為1.25v電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，r3應(yīng)小于240歐姆。改變r(jià)2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。d5，d6用于保護(hù)lm317。首先317穩(wěn)壓塊的輸

26、出電壓變化范圍是vo1.25v37v（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如lm317hva、lm317hvk等，其輸出電壓變化范圍是vo1.25v45v），所以r2/r3的比值范圍只能是028.6。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。lm317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。其次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5ma。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5ma。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其

27、最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，lm317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用lm 317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，沒有注意lm317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會(huì)出現(xiàn)下述不正常現(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計(jì)算公式計(jì)算其輸出電壓時(shí),必須保證r10.83k和r223.74k兩個(gè)不等式同時(shí)成立,才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。當(dāng)然在317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯(lián)泄流電阻r(如圖所示),也可以為317穩(wěn)壓塊提供最小穩(wěn)定工作電流。但是,由于并聯(lián)的泄流電阻不能隨輸出

28、電壓的變化而變化,如果要保證317穩(wěn)壓塊在輸出電壓為1.25v時(shí),其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流,則在317穩(wěn)壓塊的輸出電壓為37v時(shí),流過泄流電阻的電流就太大了,這樣不僅浪費(fèi)了電能,而且增加了317穩(wěn)壓塊的負(fù)擔(dān),不是一種妥當(dāng)?shù)霓k法。通常lm117/lm317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到lm117/lm317輸入端的連線超過6英寸（約15厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。輸入至少要比輸出高2v，否則不能調(diào)壓。輸入電要最高不能超過40v。輸出電流不超過1a。輸入12v的話，輸出最高就是10v左右。由于它內(nèi)部還是線性穩(wěn)壓，因此功

29、耗比較大。當(dāng)輸入輸入電壓差比較大且輸出電流也比較大時(shí)，注意317的功耗不要過大。一般加散熱片后功耗也不超過20w。lm317屬于深度負(fù)反饋的穩(wěn)壓電路，其功耗比較大，所以有必要討論一下lm317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫tjm,當(dāng)ttjm時(shí)穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強(qiáng), 結(jié)溫就愈低，它所能承受的功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力取決于它的熱阻給半導(dǎo)體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令r1 表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，r2 表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，ra 表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則ra=r1+r2。若令rd 表示散熱片到周圍空氣的熱阻，r表示加

30、散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則r=ra+rd。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為tjm，最高環(huán)境溫度為tam，加散熱器后器件的功耗為pd，則有關(guān)系式：所以器件的最大功耗必須滿足pdmpd。3.4 過流保護(hù)在目前，各種直流電源產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，基于成本的考慮，對(duì)于電源性能要求不是很高的場(chǎng)合，可采用帶有過流保護(hù)的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護(hù)電路作為電源電路中不可缺少的一個(gè)組成部分，能夠有效地保護(hù)電子元件，根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式，而直流電機(jī)電源較宜采用關(guān)斷方式。過流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻或者是霍爾元件來獲

31、得電流信號(hào)。由于霍爾元件體積比較大，價(jià)格昂貴，因而考慮采用串聯(lián)一個(gè)小電阻的方法。電路的過流保護(hù)原理圖如圖12所示。 圖12 過流保護(hù)電路原理圖r6為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí)，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流iout較大(約為額定電流的810倍)，iout流過小電阻r6，并經(jīng)r5對(duì)c4充電。通過設(shè)定r6、c4的值，使充電時(shí)間大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，q1(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn)，使電容c4兩端電壓達(dá)到q1的導(dǎo)通電壓，則q1導(dǎo)通，強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25v。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間大于啟

32、動(dòng)時(shí)間，q1不導(dǎo)通，電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變，設(shè)為i=5i0。根據(jù)圖15，可得以下公式： 由于r4r5，所以ir5ir5因此i約等于ir5。此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng)，求解得：假設(shè)電容c4的電壓達(dá)到0.7v為充電時(shí)間，得：設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)電流i0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)短路或堵轉(zhuǎn)后，電流突然增大到短路電流is，電容c4開始充電?？紤]一定的設(shè)計(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值ig 50pf rosc 50kfosc = 48k hz (典型值)振蕩周期：tosc = rc/0.45 所以，38腳的c4取100pf，39腳的r5取100k。積分電路由ic的2

33、7、28腳決定。 積分時(shí)鐘頻率：fclock = fosc / 4 積分周期：tint = 1000 (4/fosc) = 1000 (4/48k) = 83.3ms 滿量程模擬輸入電壓：vinfs = 200mv (典型值) 最佳積分電流：iint = 4ua 積分電壓：vint = 2v 積分電阻：rint = vinfs / iint = 200 mv/ 4ua = 50k 積分電容：cint = (tint)(iint) / vint = 83.3ms 4ua / 2 = 0.166 uf 所以，27腳c3取0.22uf， 28的r4取47k。c2用于防止系統(tǒng)噪音的影響以及過載輸入時(shí)電

34、路的恢復(fù)，29腳的c2取0.47uf。 參考電容：0.1uf cref 1uf c1為參考電容，我們?nèi)?.1uf。電阻r2用于調(diào)整參考電壓，參考電源為0200mv可調(diào)。r3用于電壓校準(zhǔn)。 參考電壓與輸入電壓的關(guān)系為：vin = 2vref 如果要求電壓表的量程0199.9mv，參考電壓應(yīng)設(shè)置為100mv。 如果需要需要測(cè)量的電壓大于200mv，就要通過分壓電路來實(shí)現(xiàn)。由于我們電源的指標(biāo)是512v，所以要求電壓表的量程為020v。 下面以20v來進(jìn)行分壓電阻（rx）的計(jì)算，這里我們?cè)O(shè)定r4形成的參考電壓為100mv，r2為1k，落在r2上的電壓降為2100mv = 0.2v，rx計(jì)算如下： 為了

35、方便電阻選擇，選用100 k電阻，其誤差可通過調(diào)整r2來彌補(bǔ)。3.5.2 元件的選擇制作時(shí)，顯示用的數(shù)碼管為共陽型，2 k可調(diào)電阻最好選用多圈可調(diào)精密電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其他器件選用正品即可。r1選用100k的金屬膜電阻，r2選用2k的多圈可調(diào)精密電阻，r3選用24k的金屬膜電阻，r4選用1k的多圈可調(diào)精密電阻，r5選用47k的金屬膜電阻，r6選用100k的金屬膜電阻。c1選用0.22uf的ccb電容，c2選用0.47uf的ccb電容，c3選用0.1uf的陶瓷電容，c4選用100 pf的ccb電容。3.5.3 icl7107的校準(zhǔn)首先，先校準(zhǔn)參考電壓，用萬用表測(cè)ic的35和

36、36之間的電壓，是否為100mv，如不是，則需要調(diào)節(jié)電位器r4使兩端電壓為100mv。然后，用萬用表測(cè)電源的輸出，如9.50v，然后通過調(diào)節(jié)電位器r2，使led上的數(shù)值與萬用表上的一致。這樣，校準(zhǔn)工作就算完成了。經(jīng)過校準(zhǔn)后，icl7107和萬用表的絕對(duì)誤差只有0.01v。3.5.4 icl7107的供電電源如圖18所示，icl7107芯片需要+5v和-5v的雙電源供電。所以需要額外做一個(gè)供電電源，以下有三種方案：方案一：用7805和7905三端集成芯片提供+5v和-5v的電壓，正負(fù)5v供電電源電路原理圖如圖14所示。圖14 正負(fù)5v供電電源原理圖這種電路時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的雙電源電路，能夠穩(wěn)定提供正負(fù)5v

37、的直流電壓，但是需要用到7805和7905穩(wěn)壓模塊，增加了電路成本。方案二：利用lm317集成穩(wěn)壓模塊做一個(gè)+5v的電源，再利用icl7660芯片把+5v電源變成-5v的電源。icl7660是哈里斯公司采用cmos工藝制成的高效率、小功率、低壓直流電源變換器，亦稱dc/dc電壓轉(zhuǎn)換器，國(guó) 產(chǎn)型號(hào)為5g7660，它不僅能將單電源轉(zhuǎn)換成對(duì)稱輸出的雙電源，還能通過幾片串聯(lián)方式獲得多倍壓輸出，其空 載時(shí)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.7%，帶負(fù)載后轉(zhuǎn)換效率仍可達(dá)95%，icl7660本身耗電小于0.5ma，卻能向負(fù)載提供1020ma 的電流，其外圍電路十分簡(jiǎn)單，只需接兩只電容即可工作。icl7660+5v轉(zhuǎn)-5v電

38、路原理圖如圖15所示。圖15 icl7660+5v轉(zhuǎn)-5v電路原理圖這種方案也是比較常用的方案，但是缺點(diǎn)也是增加了電路成本。方案三：用lm317集成穩(wěn)壓模塊制作一個(gè)+5v的電源，然后用一只npn三極管，兩只電阻，一個(gè)電感來進(jìn)行信號(hào)放大，把芯片38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè)20k56k的電阻連接到三極管“b”極，在三極管“c”極串接一個(gè)電阻（為了保護(hù)）和一個(gè)電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時(shí)，三極管的“c”極電壓為2.4v2.8v為最好。這樣，在三極管的“c”極有放大的交流信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)通過2只4u7電容和2支1n4148二極管，構(gòu)成倍壓整流電路，可以得到負(fù)電壓供給icl7107的26腳使用。完

39、整顯示電路就如圖16所示。圖16 單電源供電的icl7107電路原理圖經(jīng)過考慮，最終選擇了方案三，因?yàn)檫@樣做既節(jié)省成本，又方便焊接且滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過測(cè)試，數(shù)顯電壓表正常工作。4 穩(wěn)壓直流電源的測(cè)試4.1 電源的輸出顯示精確度與紋波測(cè)試測(cè)試方法為空載狀態(tài)下電源的輸出接萬用表和示波器然后將電源的輸出顯示數(shù)值與萬用表顯示數(shù)值相比較，在示波器上可以觀察到電源的紋波還有最大值、最小值和峰-峰值。電源的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。表3 電源的測(cè)試數(shù)據(jù)電源顯示數(shù)值（v）萬用表實(shí)測(cè)值（v）最大值vmax（v）最小值vmin（v）峰-峰值vpp（v）1.251.261.601.006002.012.012.201.8

40、04003.013.013.202.804004.004.004.203.804004.994.985.204.804006.006.006.205.804007.017.007.206.804008.007.988.207.804009.008.999.408.8060010.009.9810.29.8040011.0010.9711.210.640012.0011.9712.211.840013.0012.9713.212.840014.0013.9614.213.840015.0014.9515.214.840016.0015.9516.215.840017.0016.9517.216.

41、840018.0017.9418.217.660019.0018.9419.218.660019.9919.9120.219.6600隨機(jī)抽取的幾組數(shù)據(jù)如表4所示。表4 電源的測(cè)試數(shù)據(jù)（隨機(jī)）電源顯示數(shù)值（v）萬用表顯示電壓數(shù)值（v）最大值vmax（v）最小值vmin（v）峰-峰值（v）3.303.303.603.006004.734.735.004.604007.767.748.007.604009.719.699.809.6020011.3811.3511.611.060014.5014.4614.814.260017.4817.4217.617.2400萬用表測(cè)試數(shù)據(jù)的折線圖如圖17所示。其中系列1為電源顯示數(shù)值，系列2為萬用表實(shí)測(cè)值圖17 測(cè)試數(shù)據(jù)的折線圖1示波器