固定直流稳压电源课程设计.docx
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固定直流稳压电源课程设计
一、引言
国内外概况
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。
大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。
当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。
超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。
通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。
袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。
比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。
可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。
一方面， 电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。
国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。
总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。
电路的新颖之处
1）高效率
2）电路简单实用
3）制作容易
4）可以输出两档3v、6v电压
5）采用发光二极管组成的数字显示器来显示输出电压
二、总体电路
总体电路
工作过程简述
该固定直流稳压电源电路，采用七只发光二极管LED组成的数字显示器来显示输出电压。
稳压电源电路由电压源变压器T、整流二极管VD1-VD4，滤波电容器C1、C2、伞端稳压集成电路LM317、电阻器R1-R3和电压选择开关J（J1、J2）组成。
显示电路由电阻器R4、发光二极管VL1-VL7和J1组成。
220V交流电压经T降压、VD1-VD4整流以及C1滤波后分成两路:
一路经由R4限流降压后，作为显示电路的工作电源；另一路径经由LM317稳压及C2滤波后输出。
将开关置于右端“6v”位置时，R3介入稳压控制电路，LM317的输出电压为+6V；此时发光二极管LED2因负极被J2断开而不发光，显示器显示数字“6”。
将开关置于“3V”位置时，R2被J1短路，LM317的输出电压为+3V，此时发光二极管LED5和LED6不发光，显示器显示数字“3”。
三、电路工作原理与仿真原理
电路元器件的工作原理
半导体二极管
将一个PN结用外壳封装起来，并引入两个电极，由P区引出阳极，由N区引出阴极，就构成了半导体二极管，简称二极管。
1.半导体二极管的结构
半导体二极管常见的结构有三种，即点接触型、面接触型和平面型。
2.半导体二极管的分类
半导体二极管的种类很多，按材料分类可分为锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管等；按结构分三种，即点接触型、面接触型和平面型；按工作原理分有隧道二极管、雪崩二极管、变容二极管等；按用途分可以分为普通二极管和特殊二极管。
普通二极管包括检波二极管、整流二极管、开关二极管和稳压二极管；特殊工极管包括变容二极管、光电二极管和发光二极管。
发光二极管
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。
特性
与白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。
把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9，10个阿拉伯数字以及A，B，C，D，E，F等部分字母（必须区分大小写）。
七段式LED显示器
共有7个发光二极管组成的显示数字的显示器，各个发光情况以及显示数字如下表：
显示数字
亮起发光二极管编号
1
b、c
2
a、b、g、e、d
3
a、b、c、d、g
4
f、g、b、c
5
a、f、g、c、d
6
a、c、d、e、f、g
7
a、b、c
8
a、b、c、d、e、f、g
9
a、b、c、d、f、g
电容
电容是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件
在直流电路中，电容器是相当于断路的。
电容器是一种能够储藏电荷的元件，也是最常用的电子元件之一。
这得从电容器的结构上说起。
最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。
通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。
不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。
我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。
电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。
不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。
但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。
而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。
实际上，电流是通过电场的形式在电容器间通过的。
电解电容
电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。
同时电解电容正负不可接错。
LM317
LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。
此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。
LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。
特性:
1）可调整输出电压低到1.2V。
2）保证1.5A输出电流。
3）典型线性调整率0.01%。
4）典型负载调整率0.1%。
5）80dB纹波抑制比。
6）输出短路保护。
7）过流、过热保护。
8）调整管安全工作区保护。
9）标准三端晶体管封装。
10）电压范围LM117/LM3171.25V至37V连续可调
主要参数
●输出电压：
1.25-37VDC；
●输出电流：
5mA-1.5A；
●芯片内部具有过热、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；
●使用环境温度：
-10-+85℃。
●存储环境温度：
-65-+150℃。
实际应用
LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
317系列稳压块的型号很多：
例如LM317HVH、W317L等。
电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。
稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。
仅仅从公式本身看，R1、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，R1和R2的阻值是不能随意设定的。
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/R1的比值范围只能是0—28.6。
其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。
最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。
由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。
当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。
当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。
如果用317稳压块制作稳压电源时（如图所示），没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：
稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。
在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。
引脚图
电路工作原理与仿真原理
元件参数计算
C1：
在电源设计中,滤波电容的选取原则是:
C≥2.5T/R
其中:
C为滤波电容,单位为UF;
T为频率,单位为Hz
R为负载电阻,单位为Ω
计算得：
C≥0.16UF
R3：
流过R1的电流是LM317的Adj端电流与流过R3的电流之和。
为削弱Adj端电流（最大100μA）对输出电压的影响，流过R3的电流应远大于100μA（一般取5mA），因此
R3=1.25/5=250Ω
根据标称值取240Ω。
R1与R2:
由LM317的特性
Vo=1.25[1+（R1+R2）/R3]
当开关向左端时，R2短路,要求输出电压为3V左右，所以有
3=1.25（1+R1/240）
计算得出R1=360Ω
当开关向右端时，要求输出电压为6V左右，所以有
6=1.25[1+（360+R2）/240]
计算得出R2=560Ω
单相桥式整流电路
工作原理
桥式整流电路的工作原理如下：
e2为正半周时，对VD1、VD3加正向电压，VDl、VD3导通；对VD2、VD4加反向电压，VD2、VD4截止。
电路中构成e2、VD1、VD3通电回路，在负载上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对VD2、VD4加正向电压，VD2、VD4导通；对VD1、VD3加反向电压，VD1、VD3截止。
电路中构成e2、VD2、负载、VD4通电回路，同样在负载上形成上正下负的另外半波的整流电压。
如此重复下去，结果在负载上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
理论波形
实际使用Multisim仿真出波形
输出参数
电压平均值：
U0=0.9U2=16.2V
滤波电路
工作原理
利用储能元件电容器C两端的电压（或通过电感器L的电流）不能突变的性质，把电容C（或电感L）与整流电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。
理论波形
实际使用Multisim仿真出波形
输出参数
U0=1.2U2=21.6V
稳压电路
工作原理
在输入直流电压和负载之间串联入一个三极管，用三极管的管压降代替稳压二极
管电路中的稳压电阻R。
当或变化引起输出电压变化时，的变化将反映到三极管的发射结电压上，引起的变化，从而调整，以保持输出电压的基本稳定。
根据三极管所起的作用，称为调整管。
它主要由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件组成。
比较放大可以是单管放大电路、差动放大电路、集成运算放大器。
调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联，取样电路取出输出电压的一部分和基准电压VREF比较。
按键1连向右端（6V）时使用Multisim仿真出波形
输出参数
按键1连向左（3V）端时使用Multisim仿真出波形
输出参数
七段LED显示器
按键2连向右端（6V）时
LED134567亮起，对应LED显示器中acdefg
按键2连向左端（3V）时
LED12347亮起，对应LED显示器中abcdg
所用元器件一览表
名称
型号
价格/元
数量/个
1/2W金属膜电阻器
360Ω
0.01
1
1/2W金属膜电阻器
560Ω
0.01
1
1/2W金属膜电阻器
240Ω
0.01
1
1/2W金属膜电阻器
300Ω
0.01
1
铝电解电容器
25V
0.01
1
铝电解电容器
16V
0.01
1
发光二极管
2mmx5mm扁方型
0.03
7
三端可调集成稳压器
LM317AH
1.25
1
名称
型号
价格/元
数量/个
3-5w二次电压15-18V电源变压器
13
1
四、结论（后记）
此电路优点：
1）效率较高
2）电路简单实用
3）制作容易
4）可以输出两档3v、6v电压
5）采用发光二极管组成的数字显示器来显示输出电压
此电路缺点
1）相比于可调直流稳压电路，此电路只能输出3V、6V两种电压。
2）工作电流小
3）稳定电压不能连续调节
五、本次课程设计的体会
本次课程设计是自己对一个完整的电路从陌生到熟悉课程设计是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。
它将书本上学到的理论知识和基本技能运用到实践中，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。
作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。
通过这次课程设计学习，使我对电子工艺的理论有了更深的了解。
这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义。
通过本次课程设计，让我真正体验了一次探索学习的过程。
从对整个电路的不解和疑惑，到最后经过查找资料了解每一电路元件的工作原以及特性，到最后完全掌握了光控电路的工作原理及在日常中的应用方式，从理论到实践，自己的各方面知识都又有了进一步的丰富和提高。
本次设计的主要收获是不但巩固了电子技术的相关知识，也体验了电路仿真软件Multism的应用，是我对电子这门课程有了更深，更全面的了解。
通过本次的课程设计，我们深刻体会到了自己原来所学的东西只是一个表面性的，甚至有时是理想化的，理论方面的指示，设计一个很简单的电路，所要考虑的问题要比考试的时候考虑的多的多，它在现实中还存在的很多问题，如要考虑它的可行性，实用性等等；正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。
”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。
因此，学习中应多与实际应用相联系。
同时我也在整个过程中学习了如何与他人交流帮助得到有用的信息，在今后的学习中，我们要以学习理论知识为基础，尽量多学实际应用知识。
更需要特别提高动手操作、分析问题、解决问难题等的能力，使自己学到的只是更全面，更具体，并能熟练的在今后的工作，生活中进行应用
六、参考文献
[1]:
《电工电子技术实验及课程设计》申永山机械工业出版社2013.9
[2]:
《电工技术》龚淑秋李忠波机械工业出版社2010.1
[3]:
《电子技术》龚淑秋李忠波机械工业出版社2010.1
[4]：
《全新实用电路集萃》全新实用电路集萃委员会张庆双机械工业出版社2006.1
[5]：
XX百科
[6]：
《固定直流稳压电源设计》李琪安阳工学院2013.6.7
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