直流可调稳压电源的设计.docx

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直流可调稳压电源的设计

创新设计与实践

题目:

直流可调稳压电源的设计

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摘要

本设计采用LM317可调式三端稳压器件，LM317可调式三端稳压器件能够连续输出可调的直流电压，它使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，稳压精度高，输出纹波小，其一般输出电压为1.25～37v连续可调，因此它的性能优良，可靠性高。

又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。

通过对参数的计算，确定变压器，电阻器，电容器阻值，构建满足设计要求的电路，通过调试修改副边的电抗值来满足要求，在系统的调试过程中，通过改变滑动变阻器的阻值，输出不同的电压值，根据仿真结果分析设计是否满足要求。

关键字：

稳压器；变压器；电容器；参数的确定

目录

1课题简介1

1.1课题研究背景1

1.2国内外研究现状1

1.3本课题研究内容2

2方案论证2

2.1方案一2

2.2方案二3

2.3方案比较3

3主要参数确定3

3.1变压器参数的确定3

3.2电阻参数的确定3

3.3滑动变阻器及电容参数的确定4

4硬件设计4

4.1基本原理4

4.2变压电路4

4.3整流及滤波电路5

4.4集成稳压电路6

5系统调试与分析7

5.1变压电路的调试7

5.2总体电路的调试9

5.3调试结果分析11

结论12

参考文献13

附录114

附录214

1课题简介

1.1课题研究背景

随着电子技术的发展，电子设备在人们的生活和生产中的地位也越来越重要，许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。

而这其中相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电源,而是需要稳定的直流电源，因此对直流电源的性能、体积、重量等的要求也不断提高，再加上当今世界能源贫乏，于是对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；同时，电子设备种类的不断增加，使得其对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。

1.2国内外研究现状

在上世纪80年代的第一代分布式供电系统开始转向到上世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战。

随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。

如今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。

并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。

如：

扬州鼎华公司近些年来结合美国SorensenAmrel等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可以并联32台（可扩展到64台），使最大输出功率可以达到7600kW以上。

智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。

它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。

而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。

1.3本课题研究内容

直流可调稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。

变压器把家用照明电交流电压220V变为所需要的低压交流电。

桥式整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现如下功能：

1.电压可在1.25V-37V可调；

2.最大输出电流为1.5A；

3.电压调整精度达0.1%

2设计方案论证

2.1方案一

采用固定式稳压器件W78XX和W79XX：

W78XX稳压器件用来稳定正电压，而W79XX稳压器件用来稳定负电压。

它们的输出电压各有7个等级，W78XX输出电压有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V。

如W7805输出+5V直流电压，W7809输出+9V直流电压。

输出电流有三个等级，分别是1.5A，0.5A（M）和0.1A（L）。

如W7805最大输出电流为1.5A，W78M05最大输出电流为0.5A，W78L05最大输出电流为0.1A。

2.2方案二

采用LM317可调式三端稳压器件：

LM317可调式三端稳压器件能够连续输出可调的直流电压.不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻（R）和一个可变电位器（RP）组成电压输出调节电路,输出电压为:

Vo=1.25（1+RP/R），LM317输出电压范围是1.25-37V，负载电流最大为1.5A。

2.3方案比较

由方案一和方案二可见LM317可调式三端稳压器件的性能和稳压稳定都比一个固定式稳压器件要好,固定式稳压器件不能够连续输出可调的直流电压，而LM317可调式三端稳压器件能够连续输出可调的直流电压，它使用非常简单，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固定式稳压器件W78XX和W79XX好，并且LM317内置有过载保护及安全区保护等多种保护电路。

所以采用LM317可调式三端稳压器件方案可行,此器件就选用了LM317三端稳压器件，故本设计选择方案二。

3主要参数确定

3.1变压器参数的确定

打开变压器属性对话框，按照变压器的变比与电压的变比关系

L1×L1：

L2×L2=U1：

U2=n，保持原边电感为1H不变，修改副边电感值为0.033H左右，运行仿真，直到副边交流电压表的读数为29V左右。

3.2电阻参数的确定

一般来说，全波整流之后的电压平均值为前面变压器副边电压有效值的1.35倍；滤波之后的电压平均值为全波整流电压平均值的1.2倍。

还要在滤波电容两端并联一电源指示电路，即一个电阻串联一个发光二极管，电路调试时，如果发光二极管亮，则说明滤波之前的电路无故障；否则可判断出前面电路有问题。

现在来计算一下与发光二极管串联的电阻值，发光二极管要想点亮有一个最小电流，一般为nmA，这里nmA取值为6mA。

发光二极管导通时两端的管电压降为2V左右，而滤波之后的电压为

V=1.35×1.2×29≈47V

电阻就等于其两端的电压除以流过它的电流，即

R=（47-2）/6=7.5KΩ

3.3滑动变阻器及电容参数的确定

集成稳压电路的核心器件是LM317L，对输出端和调节端和地之间的两个外接电阻的计算，由于调节端的输出电流仅为100mA，可以忽略不计，电阻R2和RV4可认为是串联关系，而LM317L的输出端2和调节端1之间的输出电压已知为1.25V，最大输出电压为37V，所以滑动变压器的最大值可以算出。

一般设R2为100-200Ω，典型值为120Ω，这里设为200Ω，在实际接线时，这个电阻应尽量靠近LM317L元件来接，因为它本应是LM317L内部电阻。

R2：

RV4=200：

RV4=1.25:

37，RV4=5.92KΩ，这里取RV4=5.7KΩ，此时最大电压为37.2V。

电容C2和C3分别为去抖和滤波作用，C2并联在滑动变阻器两端，可以防止滑动变阻器在调节过程中由于抖动而产生的谐波，一般经验值为10uF，C3为输出侧二次滤波，其目的是去掉输出电压波形中细小的纹波。

C1与C3的关系一般为22倍。

4.硬件设计

4.1基本原理

根据设计指标要求，该稳压电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路和指示电路等组成。

基本原理下图1所示。

图1.直流稳压电源的原理图

4.2变压电路

直流电源通常从市取电，把220V,50HZ的单相交流电压先降压，变成所需的交流电，然后再整流。

根据桥式整流电路和电容滤波器电路的输入和输出电压的比例关系，从输出电压的最大值37V倒退，可以算出所有使用的降压变压器的副边电压。

如图2

图2.变压电路图

4.3．整流及滤波电路

一般滤波电路常用的滤波电容有2200uF和1100uF两种，但要注意它的耐压值要大于电路中所承受的电压，并注意电压极性的接法是上正下负，如图3

图3.整流及滤波电路

4.4．集成稳压电路

集成稳压电路的核心器件是LM317L，在实际应用中要注意加装散热片，为了保护集成器件在接反的状态下不被烧坏，在输入输出端之间及输出与调节器之间分别接反向保护二极管IN4003，如图4

图4.集成稳压电路

5调试与结果分析

5.1变压电路的调试

从Proteus的元件中取变压器“TRAN-2P2S”，在原边接交流电源“ALTERNATOR”，原副边分别接交流电压表，且变压器的原副边同时接地，并与后面直流部分电路共勉。

打开交流电源的属性对话框，把频率改为50HZ，把幅值改为300V左右，运行仿真，观察原边交流电压表的读数，再次修改交流电源的幅值，直到原边电压表的读数为220V为止。

仿真结果图如图5

图5修改后电压表仿真图

打开变压器属性对话框，按照变压器的变比与电压的变比关系

L1×L1：

L2×L2=U1：

U2=n，保持原边电感为1H不变，修改副边电感值为0.033H左右，运行仿真，直到副边交流电压表的读数为29V左右，但是调节滑动变阻器时，当滑动变阻器的值从50%到0变化的过程时，输出电压变化较快，不利于输出电压的连续缓慢改变，所以重新改变副边的电感，使副边电压为21.5V左右。

仿真如图6

图6.修改副边电感值后仿真图

5.2总体电路的调试

滑动变阻器的阻值全部接入时，输出电压为37.2V，仿真图如图7

图7.滑动变阻器全部接入时仿真图

改变滑动变阻器的阻值，当接入阻值为90%时，输出电压为33.6V，仿真图如图8

图8.滑动变阻器接入90%时仿真图

改变滑动变阻器的阻值，当接入阻值为50%时，输出电压为19.3V，仿真图如图9

图9.滑动变阻器接入50%时仿真图

改变滑动变阻器的阻值，当接入阻值为10%时，输出电压为4.87V，仿真图如图10

图10.滑动变阻器接入10%时仿真图

改变滑动变阻器的阻值，当接入阻值为0时，输出电压为1.25V，仿真图如图11

图11.滑动变阻器接入0时仿真图

5.3调试结果分析

本课程设计的目的要求是设计一种输出电压连续可调的集成稳压电源，输出电压在1.25---37V之间连续可调，输出最大电流可达1.5A。

在调试变压电路时，保持原边电感为1H不变，修改副边电感值为0.033H左右，运行仿真，直到副边交流电压表的读数为29V左右，但是调节滑动变阻器时，当滑动变阻器的值从50%到0变化的过程时，输出电压变化较快，不利于输出电压的连续缓慢改变，所以重新改变副边的电感，使副边电压为21.5V左右，经调试后输出电压在1.25-37.2V间连续可调，电压调整精度达0.1%满足设计要求。

结论

通过这次课程设计，使我懂得了既要学习理论知识，还要通过实践对理论知识进行加深理解，这样才能把理论与实践相更好的结合，通过方案的比较得知LM317可调式三端稳压器件的性能和稳压都比一个固定式稳压器件要好，而LM317可调式三端稳压器件能够连续输出可调的直流电压，它使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。

通过选择合适的器件来设计电路，以达到设计的要求。

在参照参考书对电路进行仿真时，遇到了许多问题，也学到了许多东西，知道选材料时注意电容的最大耐压，知道LM317的使用及其引脚的正确接法，这加深了对理论知识的了解。

集成可调稳压源在实际中有很广泛的应用，它可以用在充电照明设备的充电器，手机等电子产品中，达到把交流电转变成比较稳定的直流电降低电压的目的从而满足人们的日常运用。

根据可调稳压电源设计，可以利用此原理做成实物，将他用于我们的实际生活中，这样我们的设计实物在现实生活中便可以得到广泛的用途。

参考文献

[1]李桂安、葛年明、周泉，电子技术实验及课程设计[M]，南京，东南大学出版社，2008

[2]江晓安、董秀峰，模拟电子技术（第二版）[M],西安，西安电子科技大学出版社，2008

[3]吉天祥、王厚军、习友宝、詹慧琴，电子测量原理[M],北京，机械出版社，2008

[4]薛学明,稳压电源及其电路实例[M]，北京,中国铁道出版社2007

[5]顾宝良,模拟集成电路原理与实用电路[M]，北京,人民邮电出版社2008

[6]张志悦,数字电路设计与实用电路[M],广州,华南理工大出版社2009

附录1直流可调稳压电源完整电路图

附录2元器件清单

元器件名称

数量

数值及型号

变压器

1个

TRAN-2P2S

二极管

2个

IN4003

整流二极管

4个

IN4007

LM317L

1个

电容器

1个

2200uF

电容器

1个

10uF

电容器

1个

100uF

滑动电阻器

1个

0-5.7KΩ

发光二极管

1个

电阻器

1个

7.5KΩ

电阻器

1个

200Ω