基于M317的可调稳压电源.docx
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基于M317的可调稳压电源
创新与设计
(二)
基于LM317的可调稳压电源
可调的直流稳压电源电路设计
4.1、连续可调电压部分具体设计
4.2、电路工作原理
4.3、参数的确定于选取
5、电路的Multisim仿真与调试
摘要
通过创新设计与制作二课程,在课程快要结束的时候通过对某一专题独立地开展电子电路的设计,运用所学的知识,培养和提高分析、解决实际电路问题的能力,是一种综合性训练。
本设计通过对课本所学知识的归纳总结,以课堂所讲内容为基础,对课程设计的题目进行仔细分析后,在所学基本电路的基础上进行了一系列的改进,设计出了3~21v可调的直流稳压电源。
综合运用了所学内容将课本知识转化为实践操作。
虽然它在精度和稳定度上与高质量的直流稳压电源有一定的差距,但在一般情况下误差允许范围内还是有一定的使用价值的,能满足一般的应用。
并且它具有结构简单,成本低廉的优点,稳定性和精度相对来说也比较高。
一、设计题目:
基于LM317的可调稳压电源的设计
二、设计目的:
通过本课程设计,学习电子系统设计的一般方法,要求学会选择变压器、整流二极管、滤波电容及三极管来设计直流稳压电源;掌握稳压电源的主要性能参数;掌握Multism仿真软件的应用;掌握常用元器件的识别和测试;熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法。
三、设计要求:
设计一个可调稳压电压,主要芯片为LM317输入AC220V,输出直流3~21V。
四、技术指标:
输入交流电压:
220V/50Hz
输出直流电压:
3~21V
输出电流:
≤300mA
稳压系数:
<0.1Ω
五、整体方案设计
1设计原理
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路组成,其基本原理框图如图1所示。
(1)首先选用合适的电源变压器将电网电压降到所需要的交流电源。
(2)降压后的交流电压,通过整流电路整流变成单项脉动直流电压。
直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压,即滤除交流成分,保留直流成分,滤波电路一般有电容组成,其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。
(3)稳压电路:
稳压电路的作用适当外界因素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时,能是输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。
图1直流稳压电源基本原理框图
2总体方案论证与选择
该系统总体方案设计主要在可调电压输出部分,其要求是输出电压从3V开始连续可调。
因此,以下主要对三种方案进行论证与选择。
◆方案1:
晶体管串联式直流稳压电路。
交流电压经整流滤波后,得到平滑的直流电压,作为稳压电路的输入电源从UI输入。
同时运用了比较放大电路,它的核心是调整管,输出电压的稳定使管压降相应改变,使输出电压保持稳定。
图2.1方案1的框图
◆方案2:
采用三端可调集成稳压器电路。
它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整范围宽,此稳压器的基准电压是1.25V,而要求电压从3V起连续可调,因此需要设计电压补偿电路才可实现输出。
图2.2方案2的框图
◆方案3:
此方案的控制部分采用单片机,输出部分不再采用调整管或稳压方式,二十载D/A转换之后,经过问低昂的功率放大得到输出电压。
采用单片机编程,一定程度上增加了系统的灵活性。
该电源稳定性好、精度高,且能够输出可调的直流电压,其性能由于传统的可调直流稳压电源,此方案框图如图2.3所示。
图2.3方案3的框图
分析:
方案一是采用分立元件进行设计虽然满足要求,且元件比较容易获得,但是电路复杂,电阻较多,电源效率不高电路结构没有方案二简洁;方案三电路比较复杂,成本较高,适用于要求较高的场合。
在实际中,多为对电路要求不太高的情况,故采用第二种设计方案。
3单元电路的方案选择与论证
3.1整流电路模块
该模块主要利用二极管的单向导电性组成整流电路,将交流电压变换为单方向脉动电压。
实现方法主要有以下三种。
◆方案一:
单相半波整流电路
(a)电路图
U2UoUd
(b)波形图
图1单相半波整流电路
在变压器次级电压u2为正的半个周期内(如图1(a)中所示上正下负),二极管导通,在RL上得到一个极性为上正下负的电压;而在u2为负的半个周期内,二极管反向偏置,电流基本上等于0。
所以在负载上的电压
的极性是单方向的(如图1(b)所示)。
正半周内Uo=U2,Ud=0;负半周内Uo=0。
Ud=U2。
由此可见,由于二极管的单向导电作用,把变压器次级的交流电压变换为单向脉动电压,达到了整流的目的。
其优点是结构简单,使用的元件少,但也有明显的缺点:
输出电压脉动大,直流成分比较低;变压器有半个周期不导电,利用率低;变压器含有直流部分,容易饱和。
只能用于输出功率较小,负载要求不高的场合。
◆方案二:
单相全波整流
(a)电路图
U2IoUo
O
tO
tO
t
(b)波形图
图2全波整流电路
全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合,使两个二极管在正、负半周轮流导电,而且二者流过RL的电流保持同一方向,从而使正、负半周在负载上均有输出电压。
电路如图2(a)所示。
正半周内D1导通,D2截止,在负载RL上得到的电压极性为上正下负;负半周内,D1截止,D2导通,在负载上得到的电压仍为上正下负,与正半周相同。
全波整流波形如图2(b)。
全波整流的输出电压时半波整流的两倍,输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。
全波整流电路在负半周时二极管承受的反向电压较高,其最大值等于
,且电路中每个线圈只有一半时间通过电流,所以变压器利用率不高。
◆方案三:
单相桥式整流
1、单相桥式整流电路如图3(a)。
由图可见,U2正半周时D1、D4导通,D3、D2截止,在负载电阻RL上形成上正下负的脉动电压;而在U2负半周时,D2、D3导通,D1、D4截止,在RL上仍形成上正下负的脉动电压。
如果忽略二极管内阻,有Uo≈U2。
桥式整流电路波形如图3(b)所示。
正负半周均有电流流过负载,而且电路方向是一致的,因而输出电压的直流成分提高,脉动成分降低。
单相桥式整流电路主要参数:
输出直流电压
脉动系数S,二极管正向平均电流I
二极管最大反向峰值电压U
。
桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点,用一次级线圈的变压器,达到了全波整流的目的。
因此选用方案三单相桥式整流。
2、单相桥式整流电路技术指标
(1)输出电压平均值
Uo=
直流电流
(a)电路图
U2IoUo
O00
(b)波形图
图3单相桥式整流电路
(2)脉动系数
图a输出波形中包含的若干偶次谐波放量称为纹波,它们叠加在直流分量之上我们把最低次谐波振幅与电压平均值之比称为脉动系数S全波整流的脉动系数S约为0.67故要进行滤波。
(3)流过二极管的正向平均电压
(4)二极管最大反向电压
3.2滤波电路模块
该模块实现降低输出电压的脉动成分,尽量保留直流成分的功能。
利用电容和电感的滤波作用达到降低交流保留直流成分的目的。
◆方案一:
电容滤波
(a)电路图
(b)滤波后输出的波形
图4单相桥式整流电容滤波电路
如图4所示为单相桥式整流电容滤波电路。
利用电容的储能特性,使波形平滑,提高直流分量,减小输出波纹,其输出波形如图4(b)所示。
电容滤波有以下特点:
1加入滤波电容后,输出电压的直流成分提高,脉动成分减小。
2电容滤波放电时间常数(
)越大,放电过程越慢,输出直流电压越高,纹波越小,效果越好。
为了获得较好的滤波效果,一般选择电容值满足
~5)
,此时,输出电压的平均值
。
3电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小,所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。
◆方案二:
电感滤波
单相桥式整流电感滤波电路如图5,利用电感不能突变的特性,使输出电流波形平滑,从而使输出电压波形也平滑,提高直流分量,减小输出纹波。
(a)电路
滤波前滤波后
t
(c)滤波后的输出波形
图5单相桥式整流电感电路
◆方案三:
复式滤波
复式滤波电路由电阻和电容,电阻和电感或电感和电容组合成的滤波。
几种常见的复式滤波电路如图6所示。
图6(a)所示为
型滤波电路,这种电路的缺点是在R上有压降,因而需要提高变压器次级电压;同时,整流管的冲击电流仍然较大,这种电路知识和小电流负载的场合。
(b)所示为
型滤波电路,这种滤波电路的优点是:
简单经济,能兼起限制浪涌电流的作用,滤波效果较好。
其缺点是带负载能力差,滤波电路有功率损耗。
它适合负载电流小,纹波系数小的场合。
(c)所示为
倒L型滤波电路,整流后输出的脉动直流经过电感,交流成分被削弱,再经过C滤波后,可在负载上获得更加平滑的直流电压。
这种滤波电路的优点是:
滤波效果好,几乎没有直流损耗。
其缺点是低频时电感体积大,成本高。
(a)
型滤波(b)
型滤波(c)
倒L型滤波
图6常见复式滤波电路-===----
综合考虑:
由于在小功率电源中电容滤波最为常见,,满足本设计要求,故选择方案一。
3.3稳压电路设计
图(a)稳压电路设计:
LM317的典型应用电路
(1N4003做保护)
三端可调式集成稳压器是在固定式集成稳压器的基础是发做起来的。
它的三个端子为输入端Ui,输出端Uo,可调端ADJ,其特点是可调端ADJ的电流非常小,用很小的外接元件就可以组成精密可调的稳压电路和恒流源电路。
三端集成稳压器有正电压输出型LM117、LM217、LM317系列;负电压输出型LM137、LM237、LM337系列。
其输出电压在1.25~37V范围内连续可调,这里以LM317LM为例,三端可调稳压电路典型应用电路如上图a。
它可以输出100mA电流的能力,输出1.2~37V,若要求更大电流,请使用LM317(没有后缀LM),它就可以输出高达1.5A的电流,根据需要设计。
输出电压经过R3、R2分压(R5起电压补偿作用,分析时与滑动变阻器加一块)加到ADJ端,ADJ端对地电压恒为1.2V(也叫基准电压)。
Uo=
其中,,R3可调,R5电压补偿,当R3变化时,Uo在3~21V可调,C4起滤除纹波作用。
3.4整体电路图:
4参数的确定于选取
4.1.确定变压器次级电压
为了保证LM317工作,通常输入输出电压差至少为2~3V,最大输入电压为40V考虑到本题要求,最大输出电压为21V考虑余量的基础上,我们确定输入LM317的电压为24V,由于输入电压较大,考虑到元器件的发热,故在LM317上加一块散热片。
认为二极管为理想元件,则
取,则要求变压器二次电压为
此时,,,,
因此,要买一个变压比为8:
1的变压器,市场上可以选择24V的变压器也是符合要求的,买一个24V,20W的。
4.2.确定整流滤波电路参数
桥式整流电路流过每个二极管的直流电流为最大负载电流的一半,则有:
==×(1.5)=×1.5×300mA=225mA
当电网电压升高10%时,每个管子承受的最大反向电压为
=1.1××=1.1×1.2×21=32.7V
可选用1N4003,参数为:
=200V,=5A
4.3.电容的选取(C1~C4)
在单相桥式滤波电路中,一般要求C1>=(3~5)1/T
即RC1>=200,当电路处于极限状态时,Uo=3V,Im=300mA,此时,C1=2000uF,
为了留取较大的余量,取滤波电容C1=2200uF,同时,为了进一步减小纹波,提高脉动系数S,取C2=1.1uF,C3为元件的去耦电容,为了消除元件的自激震荡。
C4是滤波电容,进一步滤波去耦,提高脉动系数,取1uF。
4.4.滑动变阻器及分压电阻的选取
理论上电阻可以随便取,但是本电路要满足以下要求:
(1)电压约束
3V<=1.25(1+(R3+R5)/R2)<=21V
为了满足要求,先取消R5,令R3=0,则,Uo=UZEF=1.25V,为了抬高基准电压UZEF’=3V,加补偿电阻R5应满足:
1.25(1+R5/R2)=3(R2待定)
(2)LM317LM工作条件约束:
为了使LM317LM稳定工作,必须使芯片流过最小工作电流5mA,而,UREF=1.25V恒定,于是:
UREF/R2>=1.25
同时要求UREF/2R2<=1.25;
解得:
120<=R2<=240Ω
最终确定:
那么取一个居中一点的R2=140Ω,则上面所有式子都可求解,得
R2=140Ω(补偿电阻)
R3=2K(电位器,分压)
R5=200Ω(分压电阻)
下面求功率,以确定去多少瓦的电阻
Min=P=1.25*1.25/R2+(Uo-1.25)^2/(R3+R5)
在LINGO软件中敲人命令:
Min=1.25*1.25/R2+(Uo-1.25)^2/(R3+R5);
R2=140;
R3+R5>=1.4*R2;
R3+R5<=15.8*R2;
1.25/R2>=0.005;
Uo>=3;
Uo<=21;
显示结果为:
Localoptimalsolutionfound.
Objectivevalue:
0.1254521E-01
Infeasibilities:
0.000000
Extendedsolversteps:
5
Totalsolveriterations:
44
VariableValueReducedCost
R2140.00000.000000
UO3.0000000.000000
R30.0000000.000000
R52212.0000.000000
RowSlackorSurplusDualPrice
10.1254521E-01-1.000000
20.0000000.8960849E-04
32016.0000.000000
40.0000000.6259013E-06
50.3928571E-020.000000
60.000000-0.1582278E-02
718.000000.000000
功率最小为0.0125W,最大2W,但此时无意义,故综合考虑,R2、R3、R5都取1/4W的.
9.稳压系数及电源内阻
保持不变,改变的大小,观察的变化情况。
当时,测得;当时,。
当时,测得。
由此可得稳压系数为
令不变,将开路,测得,则稳压电路的内阻为
5电路的Multisim仿真与调试
Multisim是EDA众多优秀软件中较为突出的软件之一,它可以完成电路原理图的输入,电路分析,仿真等全套自动化工序。
5.1可调直流稳压电源部分仿真结果如图所示:
当负载空载时,输出直流电压变化范围为(8.988)V。
电源各部分输出波形:
整流滤波后,且稳压的波形Uo:
21.045V,最大值。
Uo最小=3.063.
加1K负载后:
的Uo最小
六、课程设计总结
通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知,通过亲自动手操作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改,善莫大焉。
在课程设计过程中,我们不断发现错误,不断改正,不断领悟,不断获取。
最终的检测调试环节,本身就是在践行“过而能改,善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在老师的指导下,终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中,一定要不懈努力,不能遇到问题就想到要退缩,一定要不厌其烦的发现问题所在,然后一一进行解决,只有这样,才能成功的做成想做的事,才能在今后的道路上劈荆斩棘,而不是知难而退,那样永远不可能收获成功,收获喜悦,也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
课程设计诚然是一门专业课,给我很多专业知识以及专业技能上的提升,同时又是一门讲道课,一门辩思课,给了我许多道,给了我很多思,给了我莫大的空间。
同时,设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用仪器、仪表;了解了电路的连线方法;以及如何提高电路的性能等等,掌握了可调直流稳压电源构造及原理。
我认为,在这学期的实验中,不仅培养了独立思考、动手操作的能力,在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战,只有不断的学习、实践,再学习、再实践。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后,不管有多苦,我想我们都能变苦为乐,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样,我们都可以在实验结束之后变的更加成熟,会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计,至今我仍感慨颇多,从理论到实践,在这段日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中,也对团队精神的进行了考察,让我们在合作起来更加默契,在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量,只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询,只要认真钻研,动脑思考,动手实践,就没有弄不懂的知识,收获颇丰。
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
变压器
220V/21V
1
功率30~50W
2
整流管VD1~VD4
IN4001
4
组成桥式整流
3
三极管
3DD4B、3DG7C、9013
1个、2个、1个
4
电阻
若干
5
稳压管
2DW12B
1
稳压
6
电容
30V/500uF
2
滤波
7
交流电源
220v/50Hz
1
提供输入
8
电位器
609Ω
1
实现输出电压可调
参考文献:
1.李哲英•电子技术及其应用基础•高等教育出版社•2003
2.潘松•EDA实用教程•科学出版社•2002
3.林涛•模拟电子技术基础•重庆大学出版社•2001
4.杨欣•电子设计从零开始•清华大学出版社•2005
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6.崔瑞雪·电子技术动手实践北京航天航空大学出版社·2007
7.《电子线路基础》华东师范大学物理系万嘉若、林康运等编著,高等教育出版社.
8.《电子技术基础》华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
9.《电子线路设计》(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社.
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