连续可调直流电压源毕业设计.docx
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连续可调直流电压源毕业设计
连续可调直流电压源
一、设计题目
连续可调直流电压源的设计
二、设计目的
1）学习电子电路设计方法。
2）熟知整流电路、滤波电路和稳压电路的工作原理及特点，熟知直流电源的构成和工作原理。
3）通过设计培养学生自学能力和分析问题、解决问题的能力。
4）通过设计使学生具有一定的计算能力、制图能力以及查阅手册、使用国家技术标准的能力和一定的文字表达能力。
三、设计依据
1、设计一个输出为3V-10V的连续可调的直流电源，输入电源电压为220V；
2、为直流电源设计保护电路；
3、稳定性要求不超过0.1v
4、设计稳压电源目的就是要把工频交流电源或者直流变化的电源通过此装置变为直流稳压电源，并画出整体电路。
四、设计内容
1）复习课本，收集查阅资料，选定设计方案；
2）绘制电气框图、电气原理图；
3）对主要元器件进行计算选择，列写元器件的规格及明细表；
4）设计总结及改进意见；
5）参考资料；
目录
1序言...........................................1
2设计思想......................................3
2.1设计步骤.................................3
2.2稳压源基本组成...........................3
3单元电路...............................................4
3.1电源变压器..........................................4
3.2整流电路...........................................5
3.3滤波电路.......................................7
3.4稳压器.....................................8
3.5电路图及器件明细............................10
3.5.1连续可调直流电压源电路图....................10
3.5.2元件电路参数计算............................10
3.5.3器件明细表..................................12
4电路常见故障及原因...........................................13
5附录LM317资料...........................................14
6课程设计体会......................................15
7参考文献................................................16
1绪言
1.1随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。
由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。
集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。
对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。
而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。
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。
不过你可不要小看了这个电池电源电路，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。
另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。
为此，Pecker'sHome专门开辟了这个直流稳压电源技术专题，希望给初学阶段的电子爱好者一些帮助。
同时也可以作为普通爱好者电源技术方面的参考资料，供日常学习、制作参考上之用。
1.2直流稳压电源的种类及选用
直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：
1.2.1化学电源：
平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。
随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。
1.2.2线性稳压电源：
线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。
由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。
而且由于变压器工作在工频（50Hz）上,所以重量较大。
线性稳压电源又分为串联型稳压电源盒交流型稳压电源。
该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。
缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。
这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。
从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。
从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。
1.2.3开关型直流稳压电源：
与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。
它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。
功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P）,好的可做到十几mV（P-P）或更小）。
它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。
1.3稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求
1.3.1稳定性好
当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：
S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。
通常S约为10-2~10-4。
1.3.2.输出电阻小
负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。
稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小，则Ifz变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。
1.3.3.电压温度系数小
当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示.
1.3.4.输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。
经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
2设计思想
2.1设计步骤
（1）电网供电电压交流220V（有效值）频率为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。
（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（即脉动大）。
（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。
（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。
2.2稳压源基本组成
直流稳压电源是将频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的直流电源，其基本组成如上图所示：
直流稳压电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。
变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。
可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。
对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。
交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
3单元电路
3.1电源变压器
电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。
实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。
根据输出电压的范围，可以确定变压器副边电压。
小型变压器的效率
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
3.2整流电路
3.2.1半波整流
整流电路图所示，其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值U1（AV）。
从波形图所示可知，当t=0～π时，Uo=
U2sint;当t=π～2π时，Uo=0。
所以，求解Uo的平均值Uo（AV），就是将0～π的电压平均在0～2π时间间隔之中，，写成表达式为:
Uo（AV）=1/2π
U2sintd（t）
解得:
Uo（AV）=
U2/π≈0.45U2
负载电流的平均值:
Io（AV）=Uo（AV）/RL
半波整流电路中的二极管安全工作条件为：
a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即IF＞IDO=ULO/RL=0.45U2/RL
b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=
U2
单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。
但是由于它只是利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。
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，适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。
3.1.2全波桥式整流电路
设变压器次级电压U2=U2msint=
U2sint，其中U2m为其幅值，U2为有效值，在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。
U2和UL的波形如图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。
全波整流电路中的二极管安全工作条件为：
a）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。
由于4个二极管是两两轮流导通的，因此IF＞IDO=0.5ULO/RLb二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即UR＞URM=
U2。
单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点，因此得到广泛的应用。
它的主要缺点是所需二极管的数量比较多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就比较大。
综合以上分析采用单相桥式整流电路
3.3滤波电路
电容滤波电路是最常见的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，如下图所示：
该电路工作原理：
设U2=U2msint=
U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。
现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2＜UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数d=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。
与此同时，U2仍按
U2sint的规律上升，一旦当U2＞UC时，D1、D3导通，U2对C充电。
然后，U2又按
U2sint的规律下降，当U2＜UC时，二极管均截止，故C又经RL放电。
同样，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。
这样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。
由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：
a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压，一般取RLC≥（3～5）T/2式中，T为交流电源电压的周期。
由上式可以解得C=（3～5）T/2RL≈400μF
b）RL越小输出电压越小。
若C值一定，当RL∞，即空载时有ULO=
U2≈1.4U2。
当C=0，即无电容时有ULO≈0.9U2。
当整流电路的内阻不太大（几）和电阻RL电容C取值满足上式时，有ULO≈（1.1～1.2）U2
总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合
3.4稳压器
稳压器为电源的核心部分。
尽管经过整流滤波后的直流电压，可以充当某些电子电路的电源，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大。
因此还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。
图5为直流稳压电源稳压器电路，通过三端可调线性集成稳压器LM317的稳压，输出电压在输入电网波动±10%、输出负载变化以及温度波动几种情况下仍然可以保持不变。
直流稳压电源稳压器电路
三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的，但可以通过外接元件R2、R3来扩展输出电压，达到调压作用，如图所示。
输出电流可达1.5A。
输出端和调节端之间在工作时产生标称值为1.25V的基准电压UREF输出电流可达1.5A。
，这个基准电压加在电阻R3上，由于电压是恒定的，就有一个恒定的电流流过输出设定电阻R2，得到的输出电压是：
UO=RREF（1+R3/R2）+IADJR3
IADJ代表了一个误差项，在设计LM317时尽量减小IADJ，并使之等于一个常数，完全不随输入电压和负载变化，于是：
UO≈1.25（1+R3/R2）
为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C4但是，在输出开路时，C4将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D6，提供一个放电回路，D5,D6起保护作用。
由于加外接保护电路C5的存在，容易发生电容器发电而损坏稳压器。
若有外接保护二极管D6，电容器C5放电时，D5导通钳位，使稳压器得到保护。
可见，当R3取定（通常取R3=240Ω）后，改变R2的值，输出电压UO也随之改变，即输出UO可调。
C2：
应靠近稳压器，输入电容器C1用于抑制纹波电压
C4：
为一旁路电容，可进一步抑制纹波，当输出电压升高时，C3可防止纹波的放大。
（即将R3上的纹波旁路掉）
C5：
由于使用了C2、C4等，与任何反馈电路一样，某些数值的外接电容（500рF~5000рF）可能引起振荡，C5的作用就是消除这种效应，确保工作稳定。
用于消除输出电压中的高频噪音，可取小于1μF的电容
实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表，作UO的指示。
由于设计要求电压不是从零开始调起，LM317集成稳压器不需要电压补偿电路来抵消LM317的1.25V最小输出电压，
3.4.1LM317其特性参数
输出电压可调范围：
1.2V～37V；输出负载电流：
1.5A；输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：
3～40V
3.4.2串联型稳压电路的主要特点
a）稳定性好
当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：
S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越
小，电源的稳定度越高。
通常S约为
。
b）输出电阻小
负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。
稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至0．01欧。
c）电压温度系数小
当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示.
d）输出电压纹波小
所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。
经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
3.5电路图及器件明细
3.5.1连续可调直流电压源电路图
3.5.2元件电路参数计算
a）输出电压计算公式
带入数据可得1.25=1.25（1+R2/R3）
（1）10=1.25（1+R2/R3）
（2）有
（1）
（2）可得：
取滑动变阻器：
，则
，
的阻值不是标称值，取标称阻值
。
根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。
因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。
可调式集成稳压器，常见主要有LM317,317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为6V~13V，最大输出电流为1.5A。
稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。
其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。
b）选集成稳压器，确定电路形式
选可调式三端稳压器LM317，其特性参数Vo=1.2V~37V，Iomax=1.5A，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。
组成的稳压电源电路。
由计算得Vo≈1.25（1+R2/R3），取R3=240，则RPlmin=48，RPlmax=912，故取R2为2.7k的精密线绕可调电位器。
c）选电源变压器
由计算可得输入电压Vi的范围为
Vomax+（Vi-Vo）min≤Vi≤Vomin+（Vi-Vo）max
3V+3V≤Vi≤1.5V+40V
6V≤Vi≤41.5V
副边电压V2≥Vimin/1.1=6/1.1V，取V2=6V，副边电流I2>Iomax=0.3A，取I2=0.5A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=3W。
变压器的效率η=0.6，则原边输入功率P1≥P2/η=5W。
为留有余地，选功率为10W的电源变压器。
d）
整流二极管耐压VD＞VOM=
V2ID＞IOmax=0.3A
为了焊接便利，选择整流桥KBPC610（1000V6.0A）作为整流部分。
滤波电容:
为了留有余地，取2200uF/50V作滤波电容。
e）保护管VD1,VD2
集成稳压器如果离滤波电容C1较远,应在靠近317输入端接0.33微法旁路电容C2.接在调整端和地之间的电容C3用来旁路电位器两端的纹波电压.当C3容量为10微法时,纹波抑制比可提高20DB,减小到原来的十分之一.另一方面,由于C3的接入,一旦输入或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器.故在R1两端并接二极管D5。
在没有容性负载的情况下,稳压器可以稳定地工作,但当输出端有500-5000PF的容性负载时,容易发生自激.为抑制自激,在输出端接一只1微法的钽电容或25微法的铝电解电容C4,它还可以发送电源的瞬态响应.但当输入端发生短路时,C4中储存的电荷将对稳压器输出端放电,放电电流可能损坏稳压器.故在稳压器两端并接保护二极管D6。
VD1和VD2都选用IN4007额定电流1A，最大反向电压100V。
3.5.3器件明细表
元件
型号或数值
数量
作用
稳压器
LM317
1
三端集成稳压器
变压器T
/
1
电源变压器，将输入220V，50Hz交流电压降压
保险管Fu
1A
1
防止电流过大损坏器件
二极管D1～D4
1N4007
4
桥式整流，将交流信号变成脉动直流
二极管D5、D6
1N4007
2
保护，防止调整器外接电容通过小电流端放电而进入调整器
电容C1
4000μF
1
滤波电容，滤除交流成分，使脉动直流更加平滑
电容C2
0.01μF
1
消振电容，靠近稳压器，起消振作用（即防止自激振荡）
电容C3
47μF
1
旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大
电容C4
100μF
1
消振电容，消除某些数值的外接电容（500
~5000
）可能引起振荡
电容C5
0.01μF
1
防止负载连续突变而造成对T1连续冲击（防干扰），T2的交流旁路电容
电容C6
100μF
1
输出电容，滤波、防止当输出电压突变时造成对负载冲击（消振）
电阻R3
240Ω
1
调压
电位器R2
2.7kΩ
1
调压
4电路常见故障及原因
4.1、降压变压器故障
直流稳压电源变压器电路中，有接线插头、电源开关、变压器、保险管。
故障现象：
变压器次级无输出交流电压。
产生原因：
可能是接线插头断路、电源开关断路、变压器损坏、保险管熔断等。
查找方法：
先测量变压器的初级是否有220V交流电压，从而判断故障点在变压器之前还是之后。
若无220V交流电压，说明是接线插头断路或电源开关断路。
若有220V交流电压，可取出保险管测量，进一步判断故障源。
4.2、电容滤波电路故障
a）故障现象：
输出直流电压约为1.4U2（正常应为1.2U2）
产生原因：
输出负载空载。
b）故障现象：
输出直流电压约为1U
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