(完整版)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(shuō)明1.3.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)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(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大；3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；4濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本

2、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/Pi=n，式中 n 是變壓器的效率。整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?50HZ 的正弦交流電變換成脈動(dòng)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(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(dòng)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(fù)半周內(nèi)，D3、D4 導(dǎo)通，DI、D2 截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過(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

4、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、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(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

5、電路從圖 1.4 可以看出，當(dāng)二為正半周時(shí)，電源二通過(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 t112）,輸出電壓二%達(dá)峰值后亠減小，當(dāng)廬二時(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)二下降不多時(shí) J 已開(kāi)始下一個(gè)上升周期，當(dāng)時(shí)，電源,又通過(guò)導(dǎo)通的 VD2、VD4 向負(fù)3載 RL 供電，同時(shí)再給電容 C 充電（如 t314）,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

6、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(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 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(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓高

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(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AU二UiUo:3V-40V輸出表達(dá)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(dāng) R2 短路時(shí)，Uo最小，為 U 即 1.25V；當(dāng) R2 大于零時(shí)，Uo 都大于 U，最

8、大可達(dá) 37V。由此，濾REFREF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。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(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。可調(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(biāo)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(jì)方案中 R2 選用一個(gè) 3300的電阻 R2 與一個(gè) 2K0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 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(hù)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(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+（UiU0）minWUiWU0min+（Ui_Uo）max2】即：9V+3VWUiW3V+40V12VWUiW43V 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：UkninTT5m 職22.變壓器次級(jí)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(jí)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(jí)功率為：P12P2/n=15.7W為留有余地,設(shè)計(jì)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(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）濾波電容濾波電容設(shè)計(jì)要求中輸出最

12、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(jì)的直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計(jì)方案采用的的是 multisim10.0 版本進(jìn)行的仿真操作， 設(shè)計(jì)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(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

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(chǎng)上沒(méi)有 1158Q的電位器出售， 課題設(shè)計(jì)方案中采用 2KQ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)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 R=12120,工作時(shí) R 上消耗的功LL率為 F-=UJ.=)7=6炎:。故在仿真調(diào)試時(shí) R 取額定功率為 10W，阻值為200L的電位器。測(cè)試時(shí)，先將 R=20200，交流輸入電壓為

14、220V，用萬(wàn)用表測(cè)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(shí)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(shí)，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(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：| |2

15、.32.3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。9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(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)。/9J.L5:269-22()/220汶 m 二 L.Z*，頭三汨，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

16、103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3.1.1 變壓電路（1）變壓器變壓器設(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)大而燒壞器件。3.1.2 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 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(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)壓器集成三端穩(wěn)壓器 LM317設(shè)計(jì)采用的穩(wěn)壓芯片為 LM317T，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。 設(shè)計(jì)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(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

18、.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11的紋波。(2)保護(hù)二極管保護(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 protel99SE。圖 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 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(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DCW08M1 個(gè)Cl、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(gè)134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)論及使用說(shuō)明4.1.1 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)

20、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。4.1.2 直流穩(wěn)壓電源的使用說(shuō)明引入 220V 交流電后，經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后

21、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。可以根據(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(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

22、時(shí)用萬(wàn)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

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(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 multisim10.0 和 protel99SE 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，