LM317和LM337可调电源.docx

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LM317和LM337可调电源

物理实验室常用直流稳压电源设计

摘要：

设计并制作了一款适合物理和电子实验室使用的直流稳压电源。

该电源利用三端稳压器件LM317、LM337实现3~37V输出可调的正负直流电压，输出电流可达1.5A；使用LM7805、LM7905、ASM1117实现+5V、-5V、+3.3V的直流稳压输出。

整个电源主要由变压器、整流电路、滤波电路，以及稳压电路几部分组成，采用AltiumDesigner软件设计了电路PCB，用热转印技术和化学腐蚀方法进行了PCB板制作，其体积小，稳定性好且性价比较高。

实测数据和实验结果表明该电源可调性灵活、精度高、正负电源对称性好，具有极高的实用性及经济性。

该电源除了可用于物理、电子实验室外，还可给各类电子设计提供稳定、可靠和廉价的电源，具有广泛的实用价值。

关键词：

稳压电源；正负可调；PCB设计；AltiumDesigner；热转印；化学腐蚀

Abstract:

DCpowersupplyisdesignedandfabricatedinordertoadapttotheuseinaphysicalandelectroniclaboratory.ThepowersupplydevicemakesuseofathreeterminalregulatorLM317,LM337toachievepositiveandnegativeoutputadjustableDCpowersupplybetween3Vand40V,andputstouseLM7805,LM7905,ASM1117toachieveDCpowersupplyof+5V,-5V,+3.3V,whoseoutputcurrentcancomeupto1.5A.Thewholepowersupplyismainlymadeofthepowertransformer,rectifier,filtercircuitandvoltageregulatorcircuit,designedbyadoptingAltiumDesignersoftwareofthecircuitPCB.PCBboardsarefabricatedinthepowersupplybyusingthemethodsofthermaltransfertechnologyandchemicalcorrosionmethodsbecauseofowingtosmallsizes,goodstabilityandhighercost-effective.Measureddataandexperimentalresultsshowthatthepoweradjustableisflexibleandhashighprecisionandgoodsymmetryofpositiveandnegativepower,whichishighlypracticalandeconomical.Thepowersupplycanbeusednotonlyinphysicalandelectroniclaboratories,butalsotoprovidestable,reliableandaffordablepowersupplyforalltypesofelectronicdesign,withawiderangeofpracticalvalue.

Keywords:

Powersupply;Positiveandnegativeadjustable;PCBdesign;AltiumDesigner;Heattransfer;Chemicalcorrosion

物理实验室常用直流稳压电源设计

0引言

在电子线路的相关应用中，电源是其必不可少的部分，电源系统质量的优劣和性能的可靠性直接决定着整个电子设备的质量。

直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。

随着电子技术的日益发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去一个不太复杂的电子线路发展到今天具有较强功能的模块。

人们对电源的质量、功能和性能要求也随之变得越来越高。

其中利用集成稳压器制作的集成稳压电源，凭借自身的优点，受到人们越来越多的青睐，应用也越来越广泛。

本文介绍一种以可调式稳压器为核心组成的正负输出可调的直流稳压电源。

该电源主要由电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等部分所组成。

单向交流电经过这几部分电路后即可转换成正负输出可调的稳定直流电压。

在本电源设计中，不仅制作了实用的稳压电源，更是结合模拟电路和数字电路等学科，提高电源的性能和功能，使电源设备功能更加完善，使用方便，显示直观。

初步实现了电子产品的体积小、功能多、性能高、价格低等方面的优势。

1设计要求分析及方案选择论证

1.1方案的可行性论证及设计思路

1.1.1设计要求分析

（1）设计要求

设计并制作一款适合物理和电子实验室使用的直流稳压电源。

该直流稳压电源系统由四部分组成，它们分别是电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路，其系统组成框图如图1.1所示。

（2）基本要求

①具有常用电压输出功能，包括正负12V、正负5V正3.3V

②各路输出电流不小于700mA

③制作出相应PCB板

图1.1稳压电源组成框图

1.1.2方案的可行性论证

现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主导作用，为设备能够稳定工作提供保证。

220V/50Hz的单向交流电源经电源变压器降压后，再经过整流滤波可获得低电压小功率直流电压。

然而，由于电网电压可以有±10%的变化，另外，负载变化引起直流电源内阻上压降变化，均导致整流滤波后输出直流电压发生变化。

为此，必须将整流、滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载，使负载上直流电源电压受上述因素的影响程度达到最小。

1.1.3直流稳压电源设计思路

（1）电网供电电压为单相交流220V（有效值）/50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

其主要元器件是电源变压器。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大。

该部分组成主要元器件是二极管。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

主要采用电容滤波电路。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

主要器件采用集成稳压器。

因此，直流稳压电源系统一般由四部分组成，它们分别是电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

1.2集成稳压器的分类

所谓集成稳压器，就是用半导体工艺和薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元件制作在同一半导体或绝缘基片上，形成具有稳压功能的固体电路。

集成稳压器在近十多年内发展很快，按电路的结构方式分，有单片式集成稳压器和组合式集成稳压器；按电路的工作方式分，有线性集成稳压器和开关式集成稳压器；按管脚的连接方式分，有三端式集成稳压器和多端式集成稳压器；按制造工艺分，有半导体集成稳压器，薄膜混合集成稳压器和厚膜混合集成稳压器。

集成稳压器是在半导体硅片上使用外延、氧化、光刻、扩散和金属蒸发等工艺制作而成的稳压电路。

这种集成稳压器的各种元件在同一工序中制成。

常用的集成稳压器有下列几种：

1.多端可调式集成稳压器

这种稳压器取样电阻和保护电路的元件需要外接，它的外接端比较多，便于适应不同的用法。

它的输出电压可调，以满足不同输出电压的要求。

目前国内生产的这类产品有WB712、WB724、WA705～WA724、5G11、5G14、CW611、CW616、BG602、CW200系列。

2.三端固定式集成稳压器

这类固定输出的通用型线性稳压器，有输入、输出和公共端3个端子，一般来说正电压输出的用四位数字78XX（或中间加一位字母）表示基本型号。

举例来说，7805表示正5V输出的线性稳压器额定电流是1000mA。

7800系列的输出电压为5，6，9，12，15，18，24V共7个档次，7806、7808、7809、7812、7815、7818、7824分别表示6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V电压输出、额定电流1000mA的线性稳压器，如果在中间加一个字母L（例如78L05）表示额定电流为100mA，如果加字母M表示额定电流为500mA，如果加字母H表示额定电流为5000mA，如果加字母P表示额定电流为10000mA；负电压输出的用四位数字79XX（或中间加一位字母）表示基本型号。

举例来说，7905表示负5V输出的线性稳压器额定电流为1000mA，其他和78XX系列相同。

但是各厂家的型号前缀和后缀各不相同，比如同为7805，ON的产品前缀是MC，型号是MC7805，松下的产品前缀是AN，ST的产品前缀是L，NS的产品前缀是LM等等，这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛的应用。

3.三端可调式集成稳压器

三端可调式集成稳压器是指输出电压可调的稳压器，它与三端固定式稳压器的外形和管脚的编号相同，但管脚功能有区别，是在三端固定式稳压器的基础上发展而成的，只需少量的外围元件就可以组成精密可调的稳压电路。

在要求稳压精度较高，且输出电压须在一定范围内做任意调节的场合，可选用这种集成稳压器。

例如：

输出正电压的CW117/CW217/CW317系列和输出负电压的CW137/CW237/CW337系列。

各系列的内部电路和工作原理基本相同，但工作温度不同，分别为（-55℃～150℃）、（-25℃～150℃）和（0℃～125℃）。

根据输出电流的大小，每个系列又分为L型（0.1A）、M型（0.5A），如果不标M或L，输出电流最大为1.5A。

三个管脚分别为输入端Ui、电压调整端ADJ和输出端Uo，没有地端。

当输入电压在3～40V范围内变化时，电路均能正常工作，此时输出端与调整端的电位差为1.25V，如果把调整端接地，它就成为输出为1.25V的固定输出三端稳压器。

4.跟踪集成稳压器

有很多电路需要正负电源来组成，而用跟踪式集成稳压器更为理想。

跟踪稳压器能保证正负输出电压始终是平衡的，它的中点始终为地电位，并有自动跟踪能力，这类稳压器有LMY10、MC1568、MC1468等。

[13]

2系统设计与理论分析

本设计是由两块相对独立的电路组成，由±1.25~±37V可调电压电路为主电路，主要由变压器、整流、滤波、稳压等部分所组成。

±5V及+3.3V输出电压电路为副电路，主要由稳压、保护等电路组成。

副电路直接接在主电路稳压部分之后，因此可以少去为副电路设计整流及滤波电路。

同时，副电路+5V电压为显示电路既数字电压表供电，使数字电压表头正常工作。

2.1±1.25~±37V可调电压电路的设计方案

2.1.1拟选方案的工作原理

本设计电路主要采用三端可调式集成稳压器LM317和LM337，构成正负输出可调的稳压电源电路，并用数码管直观显示电压数值。

使用时，只需调节电源电压调节器，即可得到所需的电压，并在数码管上显示电压数值，使用方便，显示直观，适应范围较广。

本电源电路的原理图如图2.1所示，其主要由变压器、整流、滤波、稳压等部分所组成。

2.1.2电路工作原理分析

（1）电源变压器

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器按冷却方式分为：

干式（自冷）变压器，油浸（自冷）变压器，

图2.1±1.25~±37V可调电压电路原理图

佛化物（蒸发冷却）变压器；按防潮方式分为：

开放式变压器，灌封式变压器，密封式变压器；按铁芯或线圈结构分为：

芯式变压器，壳式变压器，环形变压器，金属箔变压器；按电源相数分为：

单相变压器，三相变压器，多相变压器；按用途分为：

电源变压器，调压变压器，音频变压器，中频变压器，高频变压器，脉冲变压器。

本设计是为实验室提供低压直流电源使用，是将市电变为低电压的装置，并且该设计是正负电压输出。

因此，只须选用单相双输出电源变压器即可。

[12]

（2）整流部分

方案一，单相半波整流电路。

单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。

但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vi，变压器的利用率低。

方案二，单相全波整流电路。

使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。

无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。

变压器二次绕组需中心抽头。

整流器件所承受的反向电压较高。

方案三，单相桥式整流电路。

使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。

[6]

综合以上三种方案的优缺点，本电路采用单相桥式整流电路，其由四只二极管组成，构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值。

单相桥式整流的特点：

整流管耐压低，变压器次级绕组匝数不需要增加一倍，纹波电压小，电源内阻较大，变压器利用率较全波整流电路高。

（3）滤波电路

经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电路的工作性能。

可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并入两个电容作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路。

滤波电容容量较大，因此一般均采用电解质电容，在接线时要注意电解质电容的正负极。

电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。

如果将两个滤波电容相连接，且连接点接地，就可同时得到输出电压平滑的正负电源。

在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压与变压器副边电压相等。

而当变压器副边电压上升到峰值后开始下降，电容便通过负载电阻放电，其电压也开始下降，趋势与变压器副边电压基本相同。

但是由于电容按指数规律放电，所以当其下降到一定数值后，电容将继续通过负载放电，电容两端电压按指数规律缓慢下降。

总之，在电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器电阻和二极管的导通电阻，其数值很小，因而时间常数很小。

电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数RLC通常远大于充电的时间常数。

因此滤波效果取决于放电时间。

电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。

换言之，当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小（即负载电流增大），则时间常数RLC减小，放电速度加快，输出电压平均值即下降，并且脉动变大。

[1]

（4）稳压部分

集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端，输出端和公共端，因而称为三端稳压器。

按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路；前者的输出电压不能进行调节，为固定值；后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。

便于实时控制，此设计采用可调式三端稳压器LM317和LM337。

LM317和LM337可调式三端稳压器有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端（简称调整端）。

调整端是基准电压电路的公共端，其典型值为±1.25V。

其典型线性调整率为0.01％，负载调整率为0.1％，80dB的纹波抑制比，其工作温度范围为0℃至+125℃。

LM317和LM337可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的，为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。

LM317和LM337的外形及管脚和典型的电路如图2.2及图2.3所示。

[7]

图2.2LM317的外形及管脚和典型的电路

图2.3LM337的外形及管脚和典型的电路

为了减小电位器上的纹波电压，可在其上并联了一个10uF的电容，由于电容容量较大，一旦输入端断开，电容将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏，因此在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，并且在输出短路时，电容将向稳压器调整端放电，并使调整管发射结反偏，为了保护稳压器，故加一个二极管。

利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，因此可在集成稳压器的输入端并接一个瓷片电容，其容量较小，一般小于1uF，故在此选择0.1uF。

（5）电压显示部分

输出电压值的数码管显示，采用量程为±20V的三位半数字电压表表头即可。

2.2±5V、+3.3电压电路的设计方案

2.2.1拟选方案的工作原理

本设计电路主要采用三端集成稳压器LM7805和LM7905，构成正负输出5V的稳压电源电路，及用ASM1117-3.3构成输出为+3.3V的稳压电源电路。

使用方便，输出电流大，适应范围较广。

本电源电路的原理图如图2.4所示，其主要由稳压、保护等部分所组成。

图2.4±5V、+3.3V电压输出电路原理图

2.2.2电路工作原理分析

（1）稳压部分

固定式三端稳压器是构成集成稳压电路的核心部分，该芯片有三个引脚，即不稳定电压输入端（接Vi），稳定电压输出端（接负载RL）及公共接地端。

固定式三端正稳压器有LM78××系列稳压器输出固定的正电压，如LM7805输出为+5V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使

电路稳定工作。

Ci，Co最好采用漏电流小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中数值增加10倍。

三端固定正稳压器的典型应用电路如图2.5所示。

为防止输入端短路而烧毁集成电路，可以在稳压器的输入、输出端接一个大电流二极管。

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图2.57805正稳压器典型应用电路

固定式三端负稳压器有LM79××系列稳压器输出固定的负电压，如LM7905输出为-5V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

三端固定负稳压器的典型应用电路如图2.6所示。

为防止输入端短路而烧毁集成电路，可以在稳压器的输入、输出端接一个大电流二极管。

图2.67905负稳压器典型应用电路

固定式三端正3.3V稳压器有ASM1117系列稳压器输出固定的正电压，如ASM1117-3.3输出为+3.3V，输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态

图2.7ASM1117-3.3正稳压器典型应用电路

影响，使电路稳定工作。

三端固定正稳压器ASM1117的典型应用电路如图2.7所示。

为防止输入端短路而烧毁集成电路，可以在稳压器的输入、输出端接一个大电流二极管。

集成稳压电路具有体积小、外围元件少、性能稳定可靠、使用调整方便和价廉等优点。

因此，考虑到上述优点，我这里所采用的稳压电路是集成稳压电路。

（2）保护部分

为了减小输出的纹波电压，在其输出端并联了一个10uF的电容，由于电容容量较大，一旦输入端断开，电容将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏，因此在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管。

同时利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，因此可在集成稳压器的输入端并接一个瓷片电容，一般小于1uF，故在此选择0.1uF。

[14]

3主要硬件的选择

3.1主电路性能指标

集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器，集成稳压器，整流二极管及滤波电容。

3.1.1正负可调稳压器的选择

LM317、LM337的电压输出范围是±1.25V～±37V，负载电流最大为1.5A,仅需两个外接电阻来设置输出电压，连续可调。

此外,它的线性调整率为0.01%和负载调整率0.1%也比标准的固定稳压器好。

并且该器件内置过载保护电路、安全保护等多重保护功能。

内阻小、电压稳定、噪音极低、输出纹波小，实际使用效果比LM78××、LM79××等稳压模块好。

因此，在本电路中选用三端可调集成正稳压器LM317和三端可调集成负稳压器LM337。

3.1.2稳压电阻R1、R2及VR1、VR2的选择

要保证LM317和LM337在空载时能够稳定地工作,只要保证

就可以了。

1.5mA为LM317和LM337稳压块的最小稳定工作电流。

我选择R1、R2为270Ω的固定电阻。

选择VR1、VR2为5.1KΩ的电位器。

改变VR的值可以调节输出电源值，输出电压计算公式如下：

（3-1）

3.1.3电容器的选择

（1）C1、C2的选择：

C1、C2将整流后的电压进行滤波，平滑脉动电压，提供给下一级电路。

其电容容量计算公式如（3-2）所示

（3-2）

取C1=C2=2200uF。

电容器耐压

（3-3）

取UCM≥25V，则电容器C1、C2参数为:

2200uF/50V。

（2）C3、C4、C7、C8、C9、C10的选择：

C3、C4称三端稳压器的输入电容，用于抑制纹波电压对电源调整的干扰，防止输出电压增大时纹波被放大。

当稳压器距输入电源的滤波电容C1、C2为5~10cm时，需要接C3、C4。

距离愈远C3、C4愈大，C3、C4一般取0.1~1uF，这里我们选用0.33uF/30V的瓷片电容，用于改善高频纹波。

C7~C10称三端稳压器的输出电容。

用于改善负载的瞬时特征，C7、C8一般取100uF/30V。

C9、C10一般取0.1uF/30V。

3.1.4二极管的选择

（1）D1、D2、D3、D4的选择：

整流电路采用桥式整流电路，电路如图3.1所示。

在U2的正半周内，二极管D1、D4导通，D2、D3截止；U2的负半周内，D2、D3导通，D1、D4截止。

正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

电路的输出波形如图3.2所示。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即If=1/2Io1。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压为

（U2是变压器副边电压有效值）。

整流桥内每只二极管承受的反向电压URM为

（3-4）

整流管内每只二极管承受的冲击电流iC为

，取iC=3IO=3A。

通常取1N4007型低频整流二极管，其最高反向电压URM为1000V，额定整流电流IF为1A，反向电流最大为5A。

（2）D5、D6、D7、D8的选择：

D5、D6的作用是防止输入短路时，C5、C6经集成电路放电；D7、D8的作用是防止输出短路时，C9、C10通过集成电路放电。

D5、D7和D6、D8的组合，防止输入短路时C9、C10通过集成电路放电，对稳压器起保护作用。

通常取1N4001型低频整流二极管，其最高反向电压URM为50V，额定整流电流IF为1A。

3.1.5变压器的选择

考虑到平时使用的电源大多在0～15V之间，而且LM317、LM3