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稳压源电子实训
可调直流稳压电源的设计
摘要：
本文应用变压器（220V/15V）、整流桥（2A）、三端可调稳压器LM317、电解电容、电阻、电位器、二极管、电源开关和PCB板来实现可调直流稳压电源的设计。
该设计电路的主要技术指标为：
（1）输出电压在1.5V-12V范围内连续可调，输出电流最大可达1A；
（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于3%，输出电阻小于0.1Ω。
本次电子技术应用与产品制作的实验作品可调直流稳压电源，可以为部分电源电压要求不同的电路提供连续可调的直流输入电压，这在实际应用中具有很大的，普遍的实用价值。
关键词：
整流桥，LM317，PCB
Abstract:
thispaperappliestranformer（220V/15V）,rectifierbridge（2A）,threeendadjustableregulatorsLM317,electrolyticcapacitorandresistor,potentiometer,diodes,powerswitchandPCBtoachieveadjustableDCvoltage-stabilizedsourcedesign.Thedesignofthemaintechnicalindexesforcircuit:
（1）Theoutputvoltagein12Vrange1.5V-continuouslyadjustableoutputcurrentbiggestcanreachto1A;
（2）Theoutputripplevoltagelessthan5mVvoltagecoefficient,lessthan3percent,lessthan0.1Ωoutputresistance.
TheelectronictechnologyapplicationsandproductsproductionexperimentworksadjustableDCvoltage-stabilizedsource,canforpartofthepowersupplyvoltagerequiredifferentcircuitsprovidecontinuousadjustabledcinputvoltageinpracticalapplication,ithasgreatpracticalvalue,thegeneral.
Keywords:
rectifierbridge,LM317,PCB
1引言
从七十年代开始，我国集成稳压器的研制和生产得到了飞速地发展，现已能生产上百个品种，初步形成了完整的系列产品。
集成稳压器在较短时期内能够获得迅速发展和广泛应用，乃是基于它通用性强的特点。
因为不管是哪种电子设备，几乎毫无例外地都需应用直流稳压系统。
随着电子设备功能日趋复杂，性能不断提高，设备内部所应用的各种元器件和组件也日益复杂化和多样化，而这些元器件和组件所要求的供电电压并不完全相同。
这样，在电子设备中必须引入多种稳压电源系统才能满足需要。
如果仍沿用过去由分离元器件组成的稳压电源系统。
必将大大的增加电子设备的体积、重量和成本。
当采用集成稳压电源后，整个复杂设备只要求提供一个经过简单整流的电源系统，然后针对设备中不同部分所要求的供电电压值，分别应用一块相应的集成稳压器进行稳压就可以了。
这样做的好处是简化了设备中各个单元之间的去耦隔离问题。
应用分离元器件组装的稳压系统要达到很高的稳压精度很不容易，只有利于集成工艺技术的稳压器，才能实现高精度、低成本的目标。
这是现代集成稳压器获得蓬勃发展的主要原因之一。
若实现稳压电源，首先就要就电路进行稳压。
在稳压方面可选用变压器来完成。
由输入交流电压变为直流则须对电路进行整流。
本次电子实训选用全波桥式整流电路进行整流。
然后要对输入的电压进行调节。
在调节方面，选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317）。
通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波，然后输出即可。
最终达到输出电压在1.5V-12V范围内连续可调，输出电流最大可达1A，输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于3%，输出电阻小于0.1Ω的性能目标。
本次可调直流稳压电源的设计框图如图1所示：
图1可调直流稳压电源的设计框图
2基础理论
我们小组经过理论分析论证，本次电子实训产品的整机电路图采取图2所示的电路图。
图2可调直流稳压电源的整机电路图
2.1电源变压器
城市电网提供的一般为220V（或380V）/50HZ的正弦交流电，电源变压器的作用是将电网交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
然后再将其次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。
图3几种常见变压器实物
图4变压器的原理图
变压器部分参数介绍：
a）电压比
初、次级电压和线圈圈数具有以下关系，即：
。
b）效率
在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值称为变压器的效率，即：
。
变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗就越小，效率也就越高；反之，功率越小，效率也就越低。
c）额定电压
指在变压器的初级线圈上所允许施加的电压，正常工作时，变压器初级绕组上施加的电压不得大于规定值。
d）额定功率
额定功率是指变压器在规定的频率和电压下能长期工作，而不超过规定温升时次级输出的功率。
e）调整率
变压器的调整率=（空载电压-满载电压）/满载电压。
一般10W以下变压器的调整率在20%以上，要想在使用中降低变压器的调整率，只有选大一些的功率变压器，如3W的变压器的调整率为28%，使用功率为1.5W。
2.2整流电路
桥式整流电路的作用是利用单向导电性的整流元件二极管，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。
但是，这种单向电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。
图5整流电路原理图
2.3滤波电路
滤波电路由电容、电感等储能元件组成。
它的作用是尽可能地将单向脉动电压中交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。
图6滤波电路
2.4稳压电路
稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。
随着集成技术的发展，稳压电路也迅速实现集成化。
目前已能大量生产各种型号的单片集成稳压电路。
集成稳压器具有体积小，可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活，价格低廉，被广泛应用于仪器，仪表及其它各种电子设备中，特别是三端集成稳压器。
图7常见稳压块
2.5元器件选择
2.5.1输出电压调整
2.5.2确定R2’值
由设计性能知
图8输出电压调整电路
2.5.3R1的选定（180Ω~250Ω）
1）LM317稳定工作要求的最小电流为：
Iomin〞=1.5mA~5mA（安全）
2）证明
3）R1取值过小会使LM317的电流分流过多,导致IL下降，所以R1的下限取为180Ω。
2.5.4电容的选取
C1：
滤波，C1=1200µF；
C2：
抑制自激振荡，
C2=（0.1～0.3）µF/63V；
C3：
滤波，用以减小输出电压的波纹电压（即输出电压中的交变电压分量）。
C3=10uF/16V；
C4：
滤波作用，使Uo中的波动减小;
C4=100µF/16V。
2.6二极管及电位器的选取
D1：
选用1N4001或1N4007。
作用：
无D1时，C3上的电压UC3>U1时,C3的放电回路是：
C3→R1→D2→C2→C3，即在R1上将建立一个下正上负的电压UR1’，在LM317的公共端产生一个反向倒灌电流I反使其损坏。
接入D1后，使UR1’=UD≈0.7V,I反↓→保护LM317。
D2：
选用1N4001或1N4007。
作用：
无D2，当LM317输入端元件短路时，出现UI这个电流将可能损坏LM317。
接入D2后，D2提供一个泄放电流的通路（D2正偏）,从而保护了LM317。
RP1：
1.5KΩ，1/8W粗调。
RP2：
220Ω，1/8W细调。
2.7整流桥
由于整流电路通常为桥式整流电路，故一些公司将4个整流二极管封装在一起，这种组件通常称为整流桥（BridgeRectifier）或者整流全桥（简称全桥）。
图9整流桥
整流桥选用型号：
平均电流为2A（2W10，2W06等）。
注：
在选取元件时，若没有全桥，也可用4个整流二极管连接代替。
2.8LM317性能
LM317是美国国家半导体公司的三端可调整稳压器集成电路。
（1）输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A，典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%，80dB纹波抑制比，输入输出电压差≥2V。
（2）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标准的固定稳压器好。
（3）内置有多种保护电路，如过载保护，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护。
（4）通常不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
（5）另有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
3安装调试
3.1电路的安装
1）根据元器件清单配齐所需电路元器件。
2）用万用表检测各元器件的好坏并判定其参数是否满足要求。
3）准备焊接万能印制线路板所需的锡丝、松香和电烙铁等。
4）清除元器件引脚处的氧化层，电源连接线和负载连接线线段绝缘层、氧化层，并在清除氧化层处依据电路图，按照“从左到右，从低到高”的一般规则，将元器件焊接到万能印制板上。
整机的PCB板如下图所示：
图10可调直流稳压电源PCB板
用PROTEL99SE画出原理图，待通过ERC检测后选择UPDATEPCB，检测无误后生成PCB板。
手动布线制作PCB板，为了电路板的简洁应优先考虑单面板，对于单面板上不能完成的少量连接可考虑布置在PCB板顶层，在组件安装过程中以安装跳线的方式进行连接，集成块的耦合电容应尽量布在集成块电引脚附近。
电路板布线完成后对将合适尽尺寸的单面铜板打孔，并将其打印在热打印纸上，对孔后粘贴到敷铜板上，送入仪器中让电路图粘到敷铜板后放入FeC13溶液中进行氧化，氧化完成后取出，打磨，擦上松香晾干即可。
3.2电路的调试
安装后的电路，以检查确认无误后方可接通电源进行调试，其方法是：
先调试控制电路，再调试主电路。
3.3电路的故障检查
1）先调试电压过低，电路元件发热，发现是集成狂奔芯片LM317接入引脚错误，经修改后最终达到了预期的效果。
2）后续调试过程中陆续出现的电压和电流达不到预期值等问题，在张老师的帮助下都一一解决。
3.4器件清单
元件
型号/规格
数量
变压器
220/15V，15W
1
整流桥
2A
1
电解电容C1
1000uF/25V
1
三端可调稳压器
LM317
1
涤纶电容C2
0.1uF/63V
1
金属膜电阻R1
200Ω,1/8W
1
电位器Rp1
1.5KΩ,1/8W
1
电位器Rp2
220Ω,1/8W
1
电解电容C3
10uF/16V
1
电解电容C4
100uF/16V
1
二极管
IN4001orIN4007
2
电源开关K1
单刀双掷（拨子开关）
1
印制板
-
1
4结语
通过本次可调直流稳压电源的设计，理论知识与实践相结合，提升了我们用理论指导实践，用实践验证理论的科学意识；同时也提升了一些基本技能。
在设计过程中，我们组遇到了许多困难。
在解决问题的过程中我们学到了许多课堂上学不到的知识。
用PROTLE99SE画原理图，不但让我熟悉了绘图技巧，而且学会了PCB板的制作。
在制作PCB板中也遇到一些问题，比如元件库、封装库的制作。
总之，经过这次实训实验，我发现实践动手能力还需要加强锻炼。
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