直流稳定电源设计制作人某某题目直流稳定电源的设计任务设计.docx

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直流稳定电源设计制作人某某题目直流稳定电源的设计任务设计

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～+12V

　　b．最大输出电流为1.5A

　　c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）

　　d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）

　　e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（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：

4～20mA可调

　　b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω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10mA

　　b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）

　　c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）

　　d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（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-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lm317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。

LM317的电压调整电路图如图1所示。

图1lm317的电压调整原理电路图

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lm317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lm317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．1LM317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：

1.25-37VDC；

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：

40VDC；

最小输入输出电压差：

3VDC

b．整流，滤波，稳压，保护，DC-DC变换，稳流，表头供电等电路的设计

（b.1）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V1、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（V1、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。

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：

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：

考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2～3倍。

二极管最大反向电压：

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5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：

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。

图9电容滤波电路

经过滤波，电路的电压、电流波形如图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3～5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C≥（3~5）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2200uF。

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V1、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=Uc≈U2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=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.

（b.3）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，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。

图11稳压电路原理图

稳压电源的输出电压可用下式计算：

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＝1.25V—45V），所以R2/R3的比值范围只能是0—28.6。

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TJM,当T

因此，稳压器的散热能力愈强,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Rθ1表示从结到器件外壳的热阻，Rθ2表示从器件外壳到散热片表面的热阻，RθA表示从结到散热片表面的热阻，则RθA=Rθ1+Rθ2。

若令Rθd表示散热片到周围空气的热阻，Rθ’表示加散热片后结到空气的总热阻，则Rθ’=RθA+Rθd。

设集成稳压器的最高允许结温为TJM，最高环境温度为TAM，加散热器后器件的功耗为PD，则有关系式：

所以器件的最大功耗必须满足PDM≤PD。

（b.4）过流保护

电路的过流保护原理图如图12所示。

图12过流保护电路原理图

R6为取样小电阻。

当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。

由于直流电机启动瞬时电流iout较大（约为额定电流的8～10倍），iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。

通过设定R6、C4的值，使充电时间τ大于电机启动时间δ，Q1（9013）处于截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。

一旦电机发生短路或堵转，使电容C4两端电压达到Q1的导通电压，则Q1导通，强制稳压器的输出电压降为基准电压1.25V。

电机启动时必须满足充电时间τ大于启动时间δ，Q1不导通，电机才能正常启动。

由于启动电流很大，一般是额定电流的4~7倍，可看成不变，设为I=5I0。

根据图15，可得以下公式：

由于R4

R5，所以iR5

iR5因此i约等于iR5。

此时为一阶零状态输入响应，求解得：

假设电容C4的电压达到0.7V为充电时间

，得：

设电机负荷在额定状态下运行，电机电流I0已经稳定。

电机短路或堵转后，电流突然增大到短路电流IS，电容C4开始充电。

考虑一定的设计余量，取保护电流设定值IG

（1）同样成立此为一阶全响应方程，初始条件uc4（0+）=I0iR5,强制分量uc4（∞）=IGR5,求解得：

假设

增大到V2导通电压0.7的充电时间为

’,则

’必须小于允许短路时间t,即：

要使保护起到作用，uc4（∞）必须大于0.7V，即：

（b.5）表头供电电路

用LM317集成稳压模块制作一个+5V的电源，然后用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

表头正负5v供电电路

（b.6）稳流电路

本电路的稳流模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳流电路，将上一级产生的12v稳定电压转化成输出端的4——20MA的稳定电流，有稳压源供电，利用三极管的输出特性设计，R4，D6，D7组成三极管T的偏置稳压电路，利用二极管的稳压作用，三极管T可得到稳定偏置电流Ib，T就有稳定的集电极电流Ic=Io=βIb，Ic的大小不受输入电压和负载电阻变化的影响，实现稳定输出可调电流的题目要求。

稳流电路原理图

（b.7）DC-DC变化电路

五：

扩充部分：

（1）扩大输出电压调节范围为1.5至20v；

（2）过热不保护，在LM317上加有散热片；

（3）用数字显示输出电压

六：

整体电路原理图

七：

实物图