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1、直流稳定电源设计制作人:某某题目：直流稳定电源的设计一、任务：设计并制作交流变换为直流的稳定电源二、要求：1基本要求（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+ 15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率W0.2% （输入电压220V变化范围+ 15%20%下，空载到满载）d负载调整率W1% （最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）W5mV （最低输入电压下，满 载）f效率40% （输出电压9V、输入电压220V下，满载） g具有过流及短路保护功能（2）稳流电源 在输入电压固定为+ 12V的条件下：a输出电流：420mA可调
2、b负载调整率W1% （输入电压+ 12V、负载电阻由200Q300Q变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb 电压调整率W1% （输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率W1% （输入电压+12V下，空载到满载）d 纹波电压（峰-峰值）W100mV （输入电压+9V下， 满载）2发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-
3、DC变换器a提高效率（在100V、100mA下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流.三，稳压电源的研究背景本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机 的外接电源，也可以用作手机电池的充电器，功率高点的还 作为小型电视或其他家用电器的电源。直流稳压电源是电子技术常用的仪器之一，它现在广泛 的应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行 实验操作和科学研究必不可少的电子仪器。在日常的电子电 路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。所以，稳压直流 电源具有非常重要的研究意义。在日常生活中，很多家用电器或者 IT 产品都要用到稳压直流电源供电。但是在实际生活中，我们的家庭用电都
4、是 用到220V的交流电网。这就需要通过变压，整流，滤波， 稳压电路来将交流电转换成稳压的直流电，供家用电器使 用。变压器可以将220V的交流电转换成适合用电器的低压 交流电。整流器由二极管组成，用于滤去整流输出电压中的 纹波。四、课题的设计（1）.电源的输出控制本系统利用Im317的稳压及其电压可调的功能，通过旋 转接在调整脚的电位器，实现输出电压在1.25-20V内连续 可调，调整精度较高。 LM3 1 7的电压调整电路图如图1所示。R1220R图1lm317的电压调整原理电路图POT如图1所示，通过调整可调电阻RV1的阻值，就可以调 整输出电压Vo的大小。所以，如果希望调整的精度高，可
5、调电阻RV1的调整精度也要高。（2）.方案的设计思路：a.输出电压调节范围的制定（经小组协商确定其调节范 围为1.25至20v）。利用Im317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流 滤波再稳压输出稳定的直流电。再用数字显示电压表头（内 含ICL7107芯片），表头的供电也是用Im317制作+5V的稳压 电源提供。方案系统框图如图3所示。图3 方案三系统框图a. 1 LM317芯片的选择理由Lm317是可调节三端正电稳压器，在输出电压的范围是 1.25V-37V的时候能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常 容易使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。此外，还使 用内部限流，热关断和安全工作区补
6、偿从而使之能防止烧断保险丝。Lm317是应用很广泛的集成电路之一。它不仅能构成三端 稳压电路的最简单形式，同时输出电压具有可调的功能。此 外，它还有众多的优点，例如，调压范围宽，稳压性能好， 噪声低，纹波抑制比高。它的主要性能参数如下：输出电压：1.25-37V DC;输出电流：5mA-1.5A；保护电路：芯片内部有过热，过流，短路保护电路;最大输入输出电压差： 40V DC;最小输入输出电压差：3V DCb整流，滤波，稳压，保护，DC-DC变换，稳流，表头供电 等电路的设计(b1)整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任 务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流
7、电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的集中整流电 路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用单 相桥式整流电路。单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。在 工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周 时，二极管VI、V3导通(V2、V4截止)，在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（VI、V3 截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上 正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。 桥式整流电路原理图如图6所示。CCCCCCCCV3V2图6 桥式整流电路原理图选择二极管要依据二极管的反向耐压 VRM和正向电流 IF。由于
8、滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二 极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加 以考虑。流过整流管的平均电流：I _:I 丿R 2 + -IR2 = IR1 + adj Q 0.01A式中Ii为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj分别为流过R1、R2,以及调整端的电流，则:0.01 +1考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流 的23倍。二极管最大反向电压:Ud max式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电 压(即稳压器输入电压)。为了保证稳压器LM317稳定运行， 输入电压Ui与输出电压U0之差一般在515V范围，取Ui-U0=10V，得:U=
9、 1.2U.= 1.2(U +10) = 12+1.2Ud maxi o o设计时可考虑一定的余量。根据计算，1N4007的二极管 符合设计要求，可以用作整流桥。(b.2)滤波电路采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能 量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把 部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量 释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波 的作用。电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高， 纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合， 也减轻了电路设计和实际焊接的工作。电容滤波电路原理图 如图 9 所示。经过滤波，电路的电压、电流
10、波形如图10所示。滤波电 解电容C的选择原则是：取其放电时间常数RLC大于充电周期 的35倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。对于桥式整 流电路来说，脉动电压峰值为2U2, C的充电周期等于交流电 源周期T的一半，即CM(35) T2RL，式中RL为整流后的等效 负载电阻，经过考虑，本设计取C为22O0uF。设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输 入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导通，C被 充电，同时电流经VI、V3向负载电阻供电。忽略二极管正 向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此 Uo=UcU2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后 U2下降，此时
11、，UcU2, VI、V3截止，电容C向负载电阻 RL放电，由于放电时间常数t =RLC 一般较大，电容电压Uc 按 指数规律缓慢下降，当下降到|U2|Uc时，V2、V4导通, 电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压 的波动大为减小.(b3)稳压电路稳压电路是整个设计之中一个很重要的组成部分，几乎 所有的电子设备都需要稳定的直流电源供电才能正常工作。 所以，研究和熟悉稳压电路的组成和设计具有非常重要的意 义。稳压电路主要用于提供更加稳定的直流带能源。考虑到 整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还是有相当的 距离，主要是存在两方
12、面的问题：第一方面，但负载电流变 化的时候，因为整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出的 直流电压将有可能随之发生变化。第二方面，由于电网电压 并不稳定，当电网电压发生波动时，整流电路的输出电压直 接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也相应的发生 变化。因此，在设计中，采用三端集成稳压器lm317来实现 稳定电压的功能。其中，调整管接在输入端和输出端之间。当电网电压或 负载电流波动时，调整自身的集 -射压降使输出电压基本保 持不变。放大短路将基准电压与从输出端得到的采样电压进 行比较，然后再放大并送到调整管的基极。放大倍数越大， 则稳定性能越好。由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电 路的一种
13、，而串联型直流稳压电路的输出电压和基准电压成正比，因此，基准电压的稳定性将直接影响稳压电路的输出 电压的稳定性。采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电 压变化量的一步份送到放大电路的输入端。启动电路的作用 是在刚接通电流输入电压的时候，是调整管、放大电路和基 准电源等建立各自的工作电路，而当稳压电路正常工作是启 动电路被断开，影响稳压电路的性能。保护电路主要起到限 流保护，过热保护和过压保护的作用。稳压部分的电路原理图如图 11 所示。U11N40023D6FiR3D5200R1N4002R2ESS C310uPOT图 11 稳压电路原理图稳压电源的输出电压可用下式计算：V = 1.25(1+
14、3仅仅从公式本身看，R3、R2的电阻值可以随意设定。然而作 为稳压电源的输出电压计算公式，R3和R2的阻值是不能随 意设定的。1，2脚之间为 1.25V 电压基准。为保证稳压器的 输出性能，R3应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压 电压值。D5，D6用于保护LM317。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo = 1 25V 37V （高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等， 其输出电压变化范围是Vo=1.25V45V）,所以R2/R3的比 值范围只能是 028.6。它的使用非常简单，仅需两个外接 电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也 比标准的固定
15、稳压器好。 LM317 内置有过载保护、安全区保 护等多种保护电路。LM317 属于深度负反馈的稳压电路，其功耗比较大，所以有 必要讨论一下LM317稳压模块的散热问题。稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温 T ,当JMTT 时稳压器才能正常工作。因此，稳压器的散热能力愈强, JM结温就愈低，它所能承受的功率也愈大。稳压器的散热能力 取决于它的热阻给半导体器件加散热片后可减小总热阻。若 令R 表示从结到器件外壳的热阻，R 表示从器件外壳到e 162散热片表面的热阻，R 表示从结到散热片表面的热阻，贝UR eA=R +R。若令R表示散热片到周围空气的热阻，R 表 eA e1 e2ede示加散热片后结到空气的总热阻，则 R =R +R 。设集成 eeA ed稳压器的最高允许结温为T，最高环境温度为T，加散热器JMAM后器件的功耗为P,则有关系式：DP _ JM 二 AMd -R99 A _ 9 d所以器件的最大功耗必须满足P WP。DM D(b4)过流保护电路的过流
