LM317的直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計(jì)

1、1.1 課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1.2 功能要求說(shuō)明 輸出電壓可調(diào)：Uo=+3V+9V 輸出最大電流：Iomax=800mA 輸出電壓變化量：U5mV 穩(wěn)壓系數(shù)：Sv0.0031.3 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源總體方案介紹及工作原理說(shuō)明1.3.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)思路 電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓； 降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大； 脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份； 濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基

2、本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載。1.3.2 直流穩(wěn)壓電源的基本原理穩(wěn) 壓電 路濾 波電 路整 流 電 路電 源變壓器 U1 U2 U3 UI UO U1 U2 U3 UI UO圖1.1 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過(guò)程電源變壓器：是降壓變壓器，它的作用是將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的變比由變壓器的副邊按確定，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=，式中是變壓器的效率。整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0HZ的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電。濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分濾除。濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓UI。常

3、用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會(huì)引起其電流有較大變化這一特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來(lái)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。1.3.3 直流穩(wěn)壓電源的工作原理交流電網(wǎng)220V的電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓之后，通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓之后才可以送到負(fù)載，設(shè)變壓器副邊電壓為U2： U2=2U1sint 1.1其中U2為有效值。變壓之后，利用單向?qū)щ娫O管，把50Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電。在U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；U2的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流

4、過(guò)負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。如圖1.2示。 圖1.2 單相橋式整流電路在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為2U2 (U2是變壓器副邊電壓有效值)。單相橋式整流電路波形如圖1.3示。圖1.3 單相橋式整流電路波形整流之后的電流中還含有較多的交流成分。通過(guò)濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑。常見(jiàn)的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。 在整流電路的輸出端，即負(fù)載電阻RL兩端并聯(lián)一個(gè)電容量較大的電解電容C，則構(gòu)成了電容濾波電路，如圖1.4所示電路，由于濾波

5、電容與負(fù)載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波電路。圖1.4 單相橋式整流電容濾波電路從圖1.4可以看出，當(dāng)U2為正半周時(shí), 電源U2通過(guò)導(dǎo)通的二極管VD1、VD3向負(fù)載RL供電，并同時(shí)向電容C充電（將電能存儲(chǔ)在電容里，如t1t2），輸出電壓U0UC U2；U0達(dá)峰值后U2減小，當(dāng)U0U2時(shí)，VD1、VD3提前截止，電容C通過(guò)RL放電，輸出電壓緩慢下降（如t2t3），由于放電時(shí)間常數(shù)較大，電容放電速度很慢，當(dāng)UC下降不多時(shí)U2已開(kāi)始下一個(gè)上升周期，當(dāng)U2U0時(shí)，電源U2又通過(guò)導(dǎo)通的VD2、VD4向負(fù)載RL供電，同時(shí)再給電容C充電（如t3t4），如此周而復(fù)始。電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，負(fù)載上得到如圖中實(shí)線所示的近似鋸

6、齒的電壓波形，與整流輸出的脈動(dòng)直流（虛線）相比，濾波后輸出的電壓較為平滑。顯然，放電時(shí)間常數(shù)RLC越大、輸出電壓越平滑。若負(fù)載開(kāi)路（RL=），電容無(wú)放電回路，輸出電壓將保持為U2的峰值不變。濾波之后的電流還是很不穩(wěn)定的，直流電壓Ui受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流變化的影響很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須在濾波電路和負(fù)載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進(jìn)一步穩(wěn)定。電路中可以采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，晶體管穩(wěn)壓電路。這里采用集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。由于設(shè)計(jì)要求連續(xù)可調(diào)，采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317。 LM317共有三端，輸入端Ui、輸出端U0、調(diào)整端ADJ。其內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電

7、路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓高得多的紋波抑制比?？烧{(diào)整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A輸出電流，典型線性調(diào)整率0.01%，80dB紋波抑制比，輸出短路保護(hù)，過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)，調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)三極管封裝。LM317其特性參數(shù)：可調(diào)范圍為1.25V-7V最大輸出電流為1.5A輸入與輸出工作壓差為：3V-40V輸出表達(dá)式為：UO=(1+R1R2)UREF 1.2其中，是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓。改變R2的值，Uo的值即可改變。當(dāng)R2短路時(shí)，Uo最小，為即1.25V；當(dāng)R2大于零時(shí)，Uo都大于，最大可達(dá)37V。由

8、此，濾波后的電流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器后就可以得到所需要的直流電供給負(fù)載了。2 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的仿真分析 2.1 直流穩(wěn)壓電源的參數(shù)選擇（1）采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案要求輸出電壓可調(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，常見(jiàn)主要有CW317、CW337、LM317、LM337?？烧{(diào)三端穩(wěn)壓器LM317，其特性參數(shù)為：Uo1.237V，Iomax1.5A最小輸入輸出電壓差（UiUo）min為3V，最大輸入輸出電壓差為（Ui-Uo）max為40V，均滿足性能指標(biāo)要求。根據(jù)前面的公式1.2可得：UO=1.25(1+R1R2)取值R1240代入上式可得：R2min336R2

9、max1.49K設(shè)計(jì)方案中R2選用一個(gè)330的電阻R2與一個(gè)2 K的電位器RP串聯(lián)組成。為得到額定的輸出電流，設(shè)計(jì)中在LM317上安裝散熱片進(jìn)行散熱。在multisim中采用的是LM317H。由于濾波電路中采用了大容量的有極性電容，而大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端并入瓷介質(zhì)小容量電容用來(lái)抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。穩(wěn)壓部分的電容選擇為L(zhǎng)M317輸入端電容C=0.1UF，輸出端電容CO=1UF，調(diào)整端電容C3=10UF。保護(hù)用二極管為IN4007，其反向擊穿電為：UBR1000V17V最大整流電流：IF1A0.8A（2）選用電源變壓

10、器根據(jù)變壓器的次級(jí)輸出功率P2來(lái)選用變壓器，LM317的輸入電壓Ui的范圍為：Uomax(UiUo)minUiUomin(UiUo)max 2.1即：9V3VUi3V40V12VUi43V設(shè)計(jì)方案選用單相橋式整流方式可使得變壓器的利用率較高。變壓器次級(jí)電壓U2與穩(wěn)壓器輸入電壓Ui的關(guān)系為：Uimin(1.11.2)U2Uimax(1.11.2） 2.2 變壓器次級(jí)電壓取值為：U2Uimin1.1則可得：U212V1.111VI2Iomax0.8A取I21A，變壓器次級(jí)輸出功率為：P2I2U211W變壓器的效率一般取70，則變壓器初級(jí)功率為：P1P215.7W為留有余地，設(shè)計(jì)方案中選取輸出電壓為

11、12V，功率為20W的變壓器。在multisim中采用的是TS-PQ4-20。（3）單相橋式整流電路橋式整流電路的特點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分利用，效率較高。因此，設(shè)計(jì)方案采用單相橋式整流電路，實(shí)物制作中選用的整流橋堆為：DCW08M。在multisim中采用的是IB4B42。 （4）濾波電容設(shè)計(jì)要求中輸出最大電流Iomax=800mA，濾波電容電容量C根據(jù)負(fù)載電流選用，其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，負(fù)載電流為0.51A時(shí)，電容選用1000uF。設(shè)計(jì)方案中選用2只電容2200uF25V并聯(lián)，分別為C1、C2。

12、2.2 直流穩(wěn)壓電源的仿真結(jié)果與調(diào)試設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計(jì)方案采用的的是multisim 10.0版本進(jìn)行的仿真操作，設(shè)計(jì)的原理圖如圖2.1示。圖2.1 連續(xù)可調(diào)39V直流穩(wěn)壓電源 輸出電壓的仿真調(diào)試電位器RP1滑到最小時(shí)，Uo=3.005V，仿真圖如圖2.2示。圖2.2 直流穩(wěn)壓電源最小輸出電壓電位器滑到58%時(shí)，即RP=1160，Uo=9.142V，仿真圖如圖2.3示。圖2.3 直流穩(wěn)壓電源9V電壓輸出電路由于市場(chǎng)上沒(méi)有1158的電位器出售，課題設(shè)計(jì)方案中采用2K的電位器代替，最大輸出電壓可達(dá)到13.523V，設(shè)計(jì)符合要求，輸出電壓連續(xù)可調(diào)。2.2.3 穩(wěn)壓電源最大輸出電流調(diào)試仿真測(cè)

13、試電路如下圖2.4所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其輸出電流Io要小于最大輸出電流Iomax，取Io=0.7A，可算出,工作時(shí)上消耗的功率為PL=U0I0=9×0.7=6.3W。故在仿真調(diào)試時(shí)取額定功率為10W，阻值為的電位器。測(cè)試時(shí)，先將,交流輸入電壓為220V，用萬(wàn)用表測(cè)量的電壓指示Uo。然后慢慢調(diào)小，直到Uo的值下降5%。此時(shí)流經(jīng)的電流就是，記下后，馬上調(diào)大的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。時(shí)，Uo=9.115V，Io455.735mA，仿真圖如圖2.4示。圖2.4 直流穩(wěn)壓電源輸出電流測(cè)試圖Uo下降5%時(shí)（8.68V），Io=0.7A，仿真圖如圖2.5示。圖2.5 直流穩(wěn)壓電源最

14、大輸出電流測(cè)試圖 由仿真測(cè)試圖可知，設(shè)計(jì)電路符合要求，其最大輸出電流滿足指標(biāo)。2.2.4 穩(wěn)壓系數(shù)的仿真測(cè)試穩(wěn)壓系數(shù)是輸出電壓和輸入電壓的相對(duì)變化之比，用來(lái)表征穩(wěn)壓性能。其公式為： SV=U0U0UiUi|I0=0，T=0 2.3 輸入電壓為220V時(shí)，電路輸出電壓Uo=9.115V,電路中的電流Io=0.456A，仿真測(cè)試圖如圖2.6示。圖2.6 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測(cè)試圖1 輸入電壓為269V時(shí), Uo=9.121V，電路中的電流 Io=0.456A，仿真測(cè)試圖如圖2.7示。圖2.7 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測(cè)試圖2輸入電壓分別為220V和269V時(shí)負(fù)載上的電流基本不變，滿足IO=0。穩(wěn)壓系數(shù)

15、SV=（9.121-9.115）9.115（269-220）220×100%=0.0029，SV0.003，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，電路的輸出電壓，最大輸出電流，穩(wěn)壓系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)電路圖可行，能滿足設(shè)計(jì)方案性能指標(biāo)。3 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)各模塊功能簡(jiǎn)要介紹 變壓電路（1）變壓器設(shè)計(jì)方案中采用輸出電壓12V，功率20W的變壓器。其作用是把220V的交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓后獲得12V的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)后續(xù)電路正常的工作。（2）保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)中選用的是允許通過(guò)的最大電流為1A的保險(xiǎn)絲，其作用是保護(hù)電路中的元器件，以防電路中出現(xiàn)電流過(guò)大而

16、燒壞器件。 整流濾波電路設(shè)計(jì)采用的是單相橋式整流電路，選用的整流橋堆為：DCW08M，其內(nèi)部是由四只整流二極管接成電橋形式。其作用是把降壓后的交流電變換成直流電。濾波電路由兩只2200UF25V的電容并聯(lián)組成。其作用是濾去整流輸出電壓中的紋波。在電源供給的電壓升高時(shí)，把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，在電源電壓降低時(shí)，把電場(chǎng)能量釋放出來(lái)，得到較為平滑的負(fù)載電壓，有平波的作用。3.1.3 穩(wěn)壓電路（1）集成三端穩(wěn)壓器LM317設(shè)計(jì)采用的穩(wěn)壓芯片為L(zhǎng)M317T，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。LM317為三端輸出元件。有輸入端UI，輸出端UO，以及調(diào)整端ADJ，其作用是在輸入電壓UI輸入適當(dāng)?shù)碾妷?，從輸出端UO得到設(shè)計(jì)所需的穩(wěn)定電壓

17、。設(shè)計(jì)電路中，調(diào)整端處的電阻R2（330）、電位器RP（2K）與輸出端電阻R1（240）實(shí)現(xiàn)電路中輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)；輸入端處的無(wú)極性電容C（0.1UF）其作用是防止電路自激振蕩減小電壓波動(dòng)、輸出端有極性電容CO（1UF）用于改善負(fù)載效應(yīng)起穩(wěn)壓作用，調(diào)整端的有極性電容C3(10)，其作用是有效去除電路中的紋波。（2）保護(hù)二極管IN4007芯片處的兩只二極管IN4007起保護(hù)作用，為穩(wěn)壓器接反時(shí)與逆偏置保護(hù)用二極管。（3）散熱裝置設(shè)計(jì)中采用了散熱片，用于保護(hù)芯片且為得到額定輸出電流。3.2 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖和PCB圖設(shè)計(jì)電路的電路原理圖如下圖3.1示。電路圖來(lái)源protel 99 SE。圖

18、3.1 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖設(shè)計(jì)電路的電路PCB圖如下圖3.2示。電路圖來(lái)源protel 99 SE。圖3.2 直流穩(wěn)壓電源電路PCB圖3.3 直流穩(wěn)壓電源電路元器件清單表3.1元器件清單元件標(biāo)號(hào)名 稱型號(hào)與規(guī)格數(shù) 量備 注T變壓器12V1個(gè)FUSE保險(xiǎn)絲1A1根D整流橋堆DC W08M1個(gè)C1、C2極性電容2200UF2只C無(wú)極性電容0.1UF1只CO極性電容1UF1只C3極性電容10UF1只R1電阻2401只R2電阻3301只RP電位器2K1只D1、D2二極管IN40072只LM317T三端穩(wěn)壓器LM317T1個(gè)4 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)結(jié)論及誤差分析、教學(xué)建議 4.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)結(jié)

19、論及使用說(shuō)明直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)結(jié)論直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)電路都是經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。在這四個(gè)步驟當(dāng)中，由輸出電壓的要求來(lái)決定穩(wěn)壓電路的選擇，如選用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓還是用集成芯片穩(wěn)壓。穩(wěn)壓器可分為三端固定式集成穩(wěn)壓器如78XX、79XX系列；三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓芯片LM317、337系列。其中78XX、LM317系列為正電壓輸出，79XX、LM337系列為負(fù)電壓輸出。決定了穩(wěn)壓部分電路后，由設(shè)計(jì)要求的輸出電壓來(lái)考慮變壓器的選擇，由最大輸出電流來(lái)考慮整流二極管、濾波電容的選擇。整流部分一般選用整流橋堆，單相橋式整流，可使得變壓器的利用率較高。直流穩(wěn)壓電源的使用說(shuō)明 引入220V交流電后，

20、經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的直流電可直接供給負(fù)載使用。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓部分的電位器，電位器滑到最小時(shí)，輸出電壓為3V，電位器滑到最大時(shí)，輸出電壓為13V左右?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)節(jié)電位器得到在3-9V內(nèi)所需要電壓。4.2 直流穩(wěn)壓電源的硬件調(diào)試按PCB圖所示，制作好電路板。安裝時(shí)，先安裝比較小的元件。首先安裝整流電路，再安裝穩(wěn)壓電路，最后再裝上電路（電容）、保險(xiǎn)絲等。檢查無(wú)誤后，再將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用萬(wàn)用表檢查整流后輸出LM317輸入端電壓Ui的極性，若Ui的極性為負(fù)，則說(shuō)明整流電路沒(méi)有接對(duì)，此時(shí)若接入穩(wěn)壓電路，就會(huì)損壞集成穩(wěn)壓器。然后接通電源，調(diào)節(jié)RP使之為不同的阻值，同時(shí)用萬(wàn)

21、用表測(cè)量負(fù)載RL兩端的電壓并進(jìn)行記錄。將測(cè)試所得結(jié)果和理論值相比較，若輸出電壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說(shuō)明穩(wěn)壓電源中各級(jí)電路都能正常工作，然后再進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。4.3 直流穩(wěn)壓電源的誤差分析電路中測(cè)量值出現(xiàn)誤差其原因可以分為以下幾個(gè)部分：（1）電路安裝的元器件本身阻值存在的誤差；（2）元件在通電后消耗能量產(chǎn)生的誤差；（3）測(cè)量過(guò)程中存在的讀數(shù)和測(cè)量?jī)x器本身存在的誤差。結(jié)束語(yǔ)此次課程設(shè)計(jì)，讓我知道了如何去設(shè)計(jì)并制作一般的直流穩(wěn)壓電源電路，懂得了不同系列的穩(wěn)壓器有不一樣的性能。LM系列的穩(wěn)壓芯片能在比較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓，它的穩(wěn)壓電路也相對(duì)78系列的穩(wěn)壓電路要復(fù)雜一些，與LM系列的穩(wěn)壓芯片連接的電阻和電

22、位器的參數(shù)選定，有固定的計(jì)算公式。為了能使電路設(shè)計(jì)的誤差更少，在設(shè)計(jì)出電路圖后進(jìn)行仿真。仿真也還是有一定的誤差。這次的課程設(shè)計(jì)從題目的選定到最后硬件的完成、性能測(cè)試都讓我受益匪淺，不但懂得了一些電路元件的性能、作用，同時(shí)知道了應(yīng)該如何去設(shè)計(jì)，從電路的哪個(gè)部分開(kāi)始設(shè)計(jì)，怎樣去達(dá)到符合性能指標(biāo)的電路，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。課程設(shè)計(jì)所用的兩種軟件multisim 10.0和protel 99SE都是第一次使用，為課程設(shè)計(jì)本身增加了一定的難度，在查閱資料和通過(guò)同學(xué)的幫助下得以能夠初步運(yùn)用這兩種軟件了。知道了如何在multisim 中測(cè)量電路的波形和輸出電壓等，知道了如何去把電路原理圖導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表生成PCB。雖然對(duì)軟件操作有了初步了解，但是我們要學(xué)習(xí)的還有很多！通過(guò)圖書(shū)館借閱資料和網(wǎng)上查詢，完成了直