(完整版)LM317的直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計

1、1.1課題任務(wù)設(shè)計一個連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1.2功能要求說明1輸出電壓可調(diào)：Uo=+3V+9V2輸出最大電流：Iomax=800mA3輸出電壓變化量：UW5mV4穩(wěn)壓系數(shù)：SvW0.0031.3可調(diào)直流穩(wěn)壓電源總體方案介紹及工作原理說明1.3.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計思路1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；2降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大；3脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份；4濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本

2、不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載。1.3.2直流穩(wěn)壓電源的基本原理圖 1.1 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過程電源變壓器：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/Pi=n，式中 n 是變壓器的效率。整流電路：利用單向?qū)щ娫瑢?50HZ 的正弦交流電變換成脈動的直流電。1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

3、穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(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)過變壓器降壓之后，通過整流、濾波、穩(wěn)壓之后才可以送到負載，設(shè)變壓器副邊電壓為二：:=-二7.31.11.1其中二為有效值。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的直流電。在二的正半周內(nèi)，二極管 DI、D2 導(dǎo)通，D3、D4 截止；J 的負半周內(nèi)，D3、D4 導(dǎo)通，DI、D2 截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過負載電阻 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

4、式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個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、戈上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。2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， 即負載電阻 RL 兩端并聯(lián)一個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，由于濾波電容與負載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波電路。圖 1.4 單相橋式整流電容濾波

5、電路從圖 1.4 可以看出，當二為正半周時，電源二通過導(dǎo)通的二極管 VD1、VD3 向負載 RL 供電，并同時向電容 C 充電（將電能存儲在電容里，如 t112）,輸出電壓二%達峰值后亠減小，當廬二時，VD1、VD3 提前截止，電容 C 通過 RL放電，輸出電壓緩慢下降（如 t2t3）,由于放電時間常數(shù)較大，電容放電速度很慢,當二下降不多時 J 已開始下一個上升周期，當時，電源,又通過導(dǎo)通的 VD2、VD4 向負3載 RL 供電，同時再給電容 C 充電（如 t314）,如此周而復(fù)始。電路進入穩(wěn)態(tài)工作后，負載上得到如圖中實線所示的近似鋸齒的電壓波形，與整流輸出的脈動直流（虛線）相比，濾波后輸出的

6、電壓較為平滑。顯然，放電時間常數(shù) RLC 越大、輸出電壓越平滑。若負載開路（RL=）,電容無放電回路，輸出電壓將保持為二的峰值不變。濾波之后的電流還是很不穩(wěn)定的，直流電壓 UiUi 受電網(wǎng)電壓的波動和負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載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進一步穩(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)計要求連續(xù)可調(diào)，采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 LM317LM317。LM317 共有三端，輸入端 J、輸出端調(diào)整端為 D。其內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓高

7、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，過流、過熱保護，調(diào)整管安全工作區(qū)保護，標準三極管封裝。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AU二UiUo:3V-40V輸出表達式為：二一 glRFF1.21.2其中，U 是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為 1.25V1.25 是集成穩(wěn)壓塊輸出端REF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 R2 短路時，Uo最小，為 U 即 1.25V；當 R2 大于零時，Uo 都大于 U，最

8、大可達 37V。由此，濾REFREF波后的電流經(jīng)過穩(wěn)壓器后就可以得到所需要的直流電供給負載了。42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）采用采用 LM317 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電源可調(diào)式三端穩(wěn)壓器構(gòu)成穩(wěn)壓電源設(shè)計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，常見主要有 CW317、CW337、LM317、LM337?？烧{(diào)三端穩(wěn)壓器 LM317,其特性參數(shù)為：Uo=1.237V,Iomax=1.5A 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,均滿足性能指標要求。根據(jù)前面的公式 1.2

9、可得：Uo-1.25（1+）取值 Rl=240Q代入上式可得：R2=336QminR2=1.49KQmax設(shè)計方案中 R2 選用一個 3300的電阻 R2 與一個 2K0的電位器 RP 串聯(lián)組成。 為得到額定的輸出電流，設(shè)計中在 LM317 上安裝散熱片進行散熱。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)小容量電容用來抵消電感效應(yīng),抑制高頻干擾。穩(wěn)壓部分的電容選擇為 LM317輸入端電容 C=0.1UF,輸出端電容 C=1UF,調(diào)整端電容 C3

10、=10UF。保護用二極管為 IN4007，其反向擊穿電為：最大整流電流：IF=1AO.8A（2）選用電源變壓器選用電源變壓器根據(jù)變壓器的次級輸出功率 P2 來選用變壓器，LM317 的輸入電壓 Ui 的范圍為：UOmax+（UiU0）minWUiWU0min+（Ui_Uo）max2】即：9V+3VWUiW3V+40V12VWUiW43V 設(shè)計方案選用單相橋式整流方式可使得變壓器的利用率較高。變壓器次級電壓 U2 與穩(wěn)壓器輸入電壓 Ui 的關(guān)系為：UkninTT5m 職22.變壓器次級電壓取值為：5U22Uimin/1.1則可得：U2212V/1.1=11VI2l0max=8A取 I2=1A，變

11、壓器次級輸出功率為：P2巳叮 11W變壓器的效率一般取 n=70%，則變壓器初級功率為：P12P2/n=15.7W為留有余地,設(shè)計方案中選取輸出電壓為 12V,功率為 20W 的變壓器。在 multisim中采用的是 TS-PQ4-20。（3）單相橋式整流電路單相橋式整流電路橋式整流電路的特點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分利用，效率較高。因此，設(shè)計方案采用單相橋式整流電路，實物制作中選用的整流橋堆為：DCW08M。在 multisim 中采用的是 IB4B42。（4）濾波電容濾波電容設(shè)計要求中輸出最

12、大電流 Iomax=800mA，濾波電容電容量 C 根據(jù)負載電流選用，其經(jīng)驗數(shù)據(jù)為，負載電流為 0.51A 時，電容選用 1000uF。設(shè)計方案中選用 2 只電容2200uF/25V 并聯(lián)，分別為 Cl、C2。2.2 直流穩(wěn)壓電源的仿真結(jié)果與調(diào)試2.2.1 設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計方案采用的的是 multisim10.0 版本進行的仿真操作， 設(shè)計的原理圖如圖 2.1示。6圖 2.1連續(xù)可調(diào) 39V 直流穩(wěn)壓電源2.2.2 輸出電壓的仿真調(diào)試電位器 RP1 滑到最小時，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，即 RP=1160，Uo

13、=9.142V，仿真圖如圖 2.3 示。7圖 2.3 直流穩(wěn)壓電源 9V 電壓輸出電路由于市場上沒有 1158Q的電位器出售， 課題設(shè)計方案中采用 2KQ的電位器代替，最大輸出電壓可達到 13.523V,設(shè)計符合要求，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)試仿真測試電路如下圖 2.4 所示。一般情況下，穩(wěn)壓器正常工作時，其輸出電流Io 要小于最大輸出電流 Iomax,取 Io=0.7A，可算出 R=12120,工作時 R 上消耗的功LL率為 F-=UJ.=)7=6炎:。故在仿真調(diào)試時 R 取額定功率為 10W，阻值為200L的電位器。測試時，先將 R=20200，交流輸入電壓為

14、220V，用萬用表測量的電壓指示 Uo。L然后慢慢調(diào)小 R，直到 Uo 的值下降 5%。此時流經(jīng) R 的電流就是I，記下I后,LLomaxomax馬上調(diào)大R的值，以減小穩(wěn)壓器的功耗。LR=20200時，Uo=9.115V，Io=455.735mA，仿真圖如圖 2.4 示。L8圖 2.4 直流穩(wěn)壓電源輸出電流測試圖Uo 下降 5%時（8.68V）,Io=0.7A,仿真圖如圖 2.5 示。圖 2.5 直流穩(wěn)壓電源最大輸出電流測試圖由仿真測試圖可知,設(shè)計電路符合要求,其最大輸出電流滿足指標。2.2.4 穩(wěn)壓系數(shù)的仿真測試穩(wěn)壓系數(shù)是輸出電壓和輸入電壓的相對變化之比,用來表征穩(wěn)壓性能。其公式為：| |2

15、.32.3輸入電壓為 220V 時，電路輸出電壓 Uo=9.115V,電路中的電流 Io=0.456A，仿真測試圖如圖 2.6 示。9圖 2.6直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖 1輸入電壓為 269V 時，Uo=9.121V，電路中的電流 Io=0.456A,仿真測試圖如圖2.7 示。圖 2.7 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)測試圖 2輸入電壓分別為 220V 和 269V 時負載上的電流基本不變，滿足汗0。穩(wěn)壓系數(shù)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)計要求。該設(shè)計電路圖可行，能滿足設(shè)計方案性能指標。/9J.L5:269-22()/220汶 m 二 L.Z*，頭三汨，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

16、103可調(diào)直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1直流穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹3.1.1 變壓電路（1）變壓器變壓器設(shè)計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)過變壓器降壓后獲得 12V 的輸出電壓，實現(xiàn)后續(xù)電路正常的工作。（2）保險絲保險絲設(shè)計中選用的是允許通過的最大電流為 1A 的保險絲，其作用是保護電路中的元器件，以防電路中出現(xiàn)電流過大而燒壞器件。3.1.2 整流濾波電路設(shè)計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 2200UF/25V

17、 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，把部分能量存儲起來，在電源電壓降低時，把電場能量釋放出來，得到較為平滑的負載電壓，有平波的作用。3.1.3 穩(wěn)壓電路（1）集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器 LM317設(shè)計采用的穩(wěn)壓芯片為 LM317T，實現(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?shù)碾妷海瑥妮敵龆薝O 得到設(shè)計所需的穩(wěn)定電壓。 設(shè)計電路中， 調(diào)整端處的電阻 R2(330Q)、 電位器 RP(2KQ)與輸出端電阻 R1(240Q)實現(xiàn)電路中輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)；輸入端處的無極性電容C(0

18、.1UF)其作用是防止電路自激振蕩減小電壓波動、輸出端有極性電容 CO(1UF)用于改善負載效應(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11的紋波。(2)保護二極管保護二極管 IN4007芯片處的兩只二極管 IN4007 起保護作用，為穩(wěn)壓器接反時與逆偏置保護用二極管。(3)散熱裝置散熱裝置設(shè)計中采用了散熱片，用于保護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)計電路的電路原理圖如下圖 3.1 示。電路圖來源 protel99SE。圖 3.1 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖設(shè)計電路的電路 PCB 圖如下圖 3.2 示。電路圖來源 protel99

19、SE。12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 元器件清單兀件標號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注T變壓器12V1 個FUSE保險絲1A1 根D整流橋堆DCW08M1 個Cl、C2極性電容2200UF2 只C無極性電容0.1UF1 只CO極性電容1UF1 只C3極性電容10UF1 只R1電阻240Q1 只R2電阻330Q1 只RP電位器2KQ1 只Dl、D2二極管IN40072 只LM317T三端穩(wěn)壓器LM317T1 個134直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論及誤差分析、教學建議4.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論及使用說明4.1.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計結(jié)論直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)

20、計電路都是經(jīng)過四個步驟：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。在這四個步驟當中，由輸出電壓的要求來決定穩(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系列為負電壓輸出。決定了穩(wěn)壓部分電路后，由設(shè)計要求的輸出電壓來考慮變壓器的選擇，由最大輸出電流來考慮整流二極管、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。4.1.2 直流穩(wěn)壓電源的使用說明引入 220V 交流電后，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后

21、得到的直流電可直接供給負載使用。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓部分的電位器，電位器滑到最小時，輸出電壓為 3V，電位器滑到最大時，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14按 PCB 圖所示，制作好電路板。安裝時，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）、保險絲等。檢查無誤后，再將電源變壓器與整流濾波電路連接， 通電后， 用萬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，則說明整流電路沒有接對，此時若接入穩(wěn)壓電路,就會損壞集成穩(wěn)壓器。然后接通電源，調(diào)節(jié) RP 使之為不同的阻值，同

22、時用萬用表測量負載RL 兩端的電壓并進行記錄。 將測試所得結(jié)果和理論值相比較， 若輸出電壓滿足設(shè)計指標，說明穩(wěn)壓電源中各級電路都能正常工作，然后再進行各項指標的測試。4.3 直流穩(wěn)壓電源的誤差分析電路中測量值出現(xiàn)誤差其原因可以分為以下幾個部分：（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）測量過程中存在的讀數(shù)和測量儀器本身存在的誤差。結(jié)束語此次課程設(shè)計，讓我知道了如何去設(shè)計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 78 系列的穩(wěn)壓電路要復(fù)雜一些，與 LM 系列的

23、穩(wěn)壓芯片連接的電阻和電位器的參數(shù)選定，有固定的計算公式。為了能使電路設(shè)計的誤差更少，在設(shè)計出電路圖后進行仿真。仿真也還是有一定的誤差。這次的課程設(shè)計從題目的選定到最后硬件的完成、性能測試都讓我受益匪淺， 不但懂得了一些電路元件的性能、 作用， 同時知道了應(yīng)該如何去設(shè)計，從電路的哪個部分開始設(shè)計，怎樣去達到符合性能指標的電路，為以后的畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。課程設(shè)計所用的兩種軟件 multisim10.0 和 protel99SE 都是第一次使用， 為課程設(shè)計本身增加了一定的難度， 在查閱資料和通過同學的幫助下得以能夠初步運用這兩種軟件了。知道了如何在 multisim 中測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。雖然對軟件操作有了初步了解，