直流稳压电源设计论文

模拟电路课程设计报告设计课题：直流稳压电源设计

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直流稳压电源设计

一、设计任务与要求

1．输出电压可调：Uo=+3V～+9V

2．最大输出电流：Iomax=800mA

3．输出电压变化量：ΔV op_p≤5mV

4. 稳压系数：S

V ≤3

10

3-

?

二、方案设计与论证

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+

u1u2 u3 u I U0 _ 变压器_ 电路_ 电路_ 电路_

（a）稳压电源的组成框图

u u u3

图1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程

方案一：

单相半波整流电路：

单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=，变压器的利用率低。方案二：

单相全波整流电路：

使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。整流器件所承受的反向电压较高。

方案三：

单相桥式整流电路：

使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。

综合3种方案的优缺点:决定选用方案三。

三、单元电路设计与参数计算

整流电路采用桥式整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻R L ，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均

电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压

为22U (U 2是变压器副边电压有效值)。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：U o1=～U 2，直流输出电流： （I 2是变压器副

边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

总体原理电路见图4。

3．1选择集成三端稳压器

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为~37V ，最大输出电流m ax O I 为。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调

图4 稳压电路原理图

12

1

o f I I =()

2~5.12

1I

I o =t

?0π

π2π

3π

42

2U t

?0π

π2π3π

4o

u 2

2U 图2整流电路

图3输出波形图

整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和lM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4和图5.

图4管脚图图5典型电路输出电压表达式为:

?

?

?

?

?

+

=

1

1

1

25

.1

R

RP

U

o

式中，是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压

REF

V，此电压加于给定电阻1R 两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器1

RP，电阻1R常取值Ω

Ω240

~

120，在这里，因为只买到10K的电位器，再串联一个R2，根据LM317输出电压表达式，取：R1=,R2=2k。我们1

RP一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10μF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

LM317其特性参数：

输出电压可调范围：～37V

输出负载电流：

输入与输出工作压差ΔU=U i-U o：3～40V

能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

3．2选择电源变压器

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：

2

P是变压器副边的功率，

1

P是

变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：

副边功率

2

P

VA

10

30

~

10VA

80

~

30VA

200

~

80

1

2

P

P

=

η

因此，当算出了副边功率2P 后，就可以根据上表算出原边功率1P 。

由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值()V U U o I 3min =-，输入电压与输出电压差的最大值()V U U o I 40max =-，故LM317的输入电压范围为： max min min max )()(o I o I o I o U U U U U U U -+≤≤-+ 即 V V U V V I 40339+≤≤+ V U V I 4312≤≤

V U U in 111

.112

1.1Im 2==≥

， 取 V U 122= 变压器副边电流： A I I o 8.0max 2=>，取A I 12=， 因此，变压器副边输出功率： W U I P 12222=≥ 由于变压器的效率7.0=η，所以变压器原边输入功率W

P P 1.172

1=≥η，为留有余

地，选用功率为W 20的变压器。

3．3选用整流二极管和滤波电容

由于：V U U RM 1712222=?=>

，A I 8.0max 0=。

IN4001的反向击穿电压V U RM 50≥，额定工作电流max 01I A I D >=，故整流二极管 选用IN4001。 3．4滤波电容

根据 3

00103,5,12,9--?==?==v p p I S mV U V U V U ， 和公式

常数

常数

==??=

o I T I

I v U U U U S 0

可求得： V S U U U U v

I p op I 2.210

3912

005.03

0=???=

?=

?-- 所以，滤波电容：

uF F U T I U t

I C I

I

c 3636003636.02

.2215018.02

max 0==?

?=

??=?=

电容的耐压要大于V U 1712222=?=，故滤波电容C 取容量为F μ4700，耐压

为V 25的电解电容。

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图、PCB 图

1．元件清单

元件序列 型号 元件参数值 数量

备注 Ji

变压器

12V

1

实际输入电压大

五、安装与调试(使用multisim 调试)

按PCB图所示，制作好电路板。安装时，先安装比较小的元件，所以先安装整流电路，再安装稳压电路，最后再装上滤波电路（电容）。安装时要注意，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，用万用表检查整流后输出LM317输入端电压U I的极性，若U I的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。然后接通电源，调节R W的值，若输出电压满足设计指标，说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。因在multisim没有LM317元件，故用同一系列的LM117代替。

电位器R2取最大值时，Uo=↑

电位器R2取最小值时,Uo=↑

电位器在0到10K 之间，输出电压连续可调：约为3V~9V 。

六、性能测试与分析

1．输出电压与最大输出电流的测试

测试电路如图5所示。一般情 自耦变压器 I o 电流表 况下，稳压器正常工作时，其输出 被测

I

电流o I 要小于最大输出电流max o I ， ~220V 稳压 U o V 电压表 R L

取A I 6.00=，可算出R L =20Ω， 电路 工作时L R 上消耗的功率为：

W I U P o o L 3.67.09=?==

故L R 取额定功率为10W ，阻值为 图5 稳压电源性能指标的测试电路 20Ω的电位器。

测试时，先使Ω=20L R ，交流输入电压为220V ，用数字电压表测量的电压值就是U o 。然后慢慢调小L R ，直到U o 的值下降5%，此时流经L R 的电流就是max o I ，记下max o I 后，要马上调大L R 的值，以减小稳压器的功耗。

R5（RL ）=20欧姆，Uo=, Io=↑

Uo 下降5%（）时，Io=,即Iomax=Io.↑

2．纹波电压的测试

用示波器观察U o 的峰峰值，（此时Y 通道输入信号采用交流耦合AC ），测量ΔU op-p 的值（约几mV ）。

由示波器得出：ΔU op-p =106。845uV 3．稳压系数的测量

按图5所示连接电路， 在V U 2201=时，测出稳压电源的输出电压U o 。然后调节自耦变压器使输入电压V U 2421=，测出稳压电源对应的输出电压U o1 ；再调节自耦变压器使输入电压V U 1981=，测出稳压电源的输出电压U o2。则稳压系数为：

o

o o o

o v U U U U U U U S 2

11

1198242220-?-=

??=

o o o v U U U S 215-?==

因为，在本调试中，无法得到自耦变压器，所以只能把电压归算到降压器的输出电压(Ui):

U1=198V , Ui= U1=220V , Ui= U1=242V , Ui=

Ui=12时，Uo= ↑

Ui=时，Uo= ↑

Ui=时，Uo=↑

所以，稳压系数：726

.8720

.8740.83-?=v S =

设计要求 测试结果 误差分析

Uo=+3V ～+9V ~ % Iomax=800mA

%

ΔVop_p ≤5mV 106。845uV

106．845uV 〈〈 5mV

S V ≤3103-?

2%

在允许的误差范围内，本设计已达到要求。

七、结论与心得

经过一个多月的努力，终天完成的这个设计。从选题到画图制板花了差不多一个星期的时间，后面的调试占了大部分的时间。由于没有找到示波器，所以调试时，除了测试电压电流用到实物外，其他参数测试只能在仿真软件下进行的。在这里选用了multisim进行仿真，虽然multisim不是很难学，但由于自己对multisim还没有熟练的掌握，仿真过程中还是会有一定的误差。

在实际做成的电路板中,由于买不到等值参数的元件，测量出来的性能指标参数难免会有一定的误差,对元件封装的不了解，也造成了铜板的浪费。第一次做成的板子，由于没有注意到protel给出的LM317的原理图管脚，花费了大量的时间去调试。正确的管脚为:1脚为调整，2脚为输出，3脚为输入。焊板的时候，不要对着3D来焊，应以PCB为基准。3D 图虽然形象的把电路板模拟出来了，但与实物还有有很大的差别的，特别是二极管，电解电容，极性错乱，而且有很多图没有样板。还有，12V的变压器输入的电压会比12V高一些的。虽然输出电压增加或减少由LM317的调整脚上的串联电位器（R2）来控制，但是并联在LM317调整脚和输出脚上的电阻R1也可改变输出电压的最小值。

本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。

但是由于水平有限，我们的课程设计难免会有一些错误和误差，还望老师批评指正。

八、参考文献

[1] 华成英童诗白，模拟电子技术基础，北京，高等教育出版社，2006

[2] 陈大钦,电子技术基础实验，北京，华中理工大学电子学教研室,2007

[3] 夏路易石宗义,电路原理图与电路板设计教程，北京，北京希望电子出版社，2002

[4] LM317资料

致谢

在本次设计中感谢老师以及同学们在设计中对我们的指导和帮助！

物理与电子信息工程系模拟电路课程设计成绩评定表专业：电气工程及其自动化班级：07电气1班学号：姓名：

2009年月日