集成直流稳压电源的设计与制作

集成直流稳压电源的设计与制作一.设计要求1.初始条件：（1）集成稳压器选用LM317与LM337或其他芯片，性能参数和引脚排列请查阅集成稳压器手册。（2）电源变压器为双15Ｖ／25Ｗ。（3）其参考电路之一如图1所示图1±1.25V-±15V连续可调直流稳压器参考电路原理图2.主要性能指标：（1）输出电压Vo：±1.25-±12V连续可调。（2）最大输出电流Iomax=800mA（3）纹波电压ΔVop-p≤5mV（4）稳压系数Sv≥3X10-33.设计要求：（1）依据已知设计条件确定电路形式。（2）计算电源变压器的效率和功率。（3）选择整流二极管及计算滤波电容（4）安装调试与测量电路性能，画出实际电路原理图。（5）按规定的格式，写出课程设计报告。二.总体设计思路在本次课程设计中我准备采用串联型稳压电路，集成稳压器选用LM317与LM337，电源变压器选用双15Ｖ／25Ｗ。由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。本课程设计中采用三端可调稳压器LM317与LM337。1.LM317与LM337集成稳压器的特性简介三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出波纹小。其一般的输出电压为1.25~35V或-1.25~-35V。比较典型的产品有LM317和LM337等。其中LM317的输出电压范围是1.2V至37V，LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，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。LM317/LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。特性简介可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。电压范围输入输出最小压差降为0.2VLM317/LM3371.25V至37V连续可调。LM317与LM337集成稳压器的特性满足设计要求的输出电压Vo：±1.25-±12V连续可调。封装形式TO-220塑料封装，TO-3铝壳封装，TO-202塑料封装，TO-39金属封装图3TO-220塑料封装图图4TO-3铝壳封装图图5TO-39金属封装图一般应用电路图6是三端可调输出集成稳压器的一般应用电路。电路中的R1、R2组成可调输出的电阻网络。为了能使电路中的偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定R1为120~240欧姆。通过R1泻放的电流为5~10mA。输入电容器C1用于抑制纹波电压，输出电容器C2用于消震，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。由于加外接保护电路C2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D2，电容器C2放电时，D1导通钳位，使稳压器得到保护。D1是为了防止调节端旁路电容器C3放电时而损坏稳压器的保护二极管。旁路电容器C3也是为了抑制波纹电压而设置的。当C3为10uF时，能提高纹波抑制比15dB。LM317图6LM317应用电路图LM337图7LM337应用电路图1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317/337。这类稳压器是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。三端可调式稳压器的典型应用电路的输出电压为:LM317的VREF=1.2V，Iadj=50mA，由于IadjI1，所以2.稳压电源的技术指标稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。3.串联型稳压电路的主要特点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，输出电压的变化高。通常S约为。越小，电源的稳定度越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。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.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。三.设计的主要思路上一小节介绍的串联型稳压电路，用做一种简单的稳压电源，可以满足一般无线电爱好者的需要。但是，这种电源还有许多“天生的”缺陷，要提高对性能的要求，就必须再做一些改进。从以下四个方面对它的性能加以改善，便可做成一台有实用价值的稳压电源了。这就是：增加放大环节，提高稳定性，使输出电压可调；用复合管做调整管，使输出电流增大；增加保护电路，使电源工作安全可靠。直流稳压电源主要由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。如图8所示：1．电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。2．整流电路：将变压器次级交流电压u2变成单向的直流电压u3，它包含直流成份和许多谐波分量。3．滤波电路：滤除脉动电压u3中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压u4。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。4．稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。图8直流稳压电源四.单元电路的设计串联式直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路所组成，各部分电路的形式与作用如下。1.电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：12PP其中：2P是变压器副边的功率，1P是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1小型变压器的效率副边功率2PVA10VA30~10VA80~30VA200~80效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率2P后，就可以根据上表算出原边功率1P。设计要求的电源变压器为双15Ｖ／25Ｗ。原边输入功率为125Pw。副边输出功率为2220.81512PIUw因为所选电源变压器为双15Ｖ／25Ｗ，由表中数据可知0.7，则12/12/0.717.1PPw，所选25W符合要求。电源变压器的实际效率为2112100%48%25PP2.桥式整流电路桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。图9桥式整流电路主要参数：3.滤波电路整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。本设计中采用电容滤波电路图10电容滤波电路图10分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设t0时，电容器C已经充电到交流电压V2的最大值（如波形图所示）。整流二极管VL1~VL4组成单相桥式整流电路，将交流电压U2变成脉动的直流电压。再经滤波电容滤除波纹Ui.Ui与交流电压U2的关系为Ui=(1.1~1.2)U2每支整流二极管的最大反向电压Urm=2U2。通过每支整流二极管的平均电流20.45DUIR。式中R为整流滤波电路的负载电阻，为电容提供放电回路，RC放电时间常数应该满足RC(3~5)/2T.式中T=20ms。4.电路参数设计（1）确定R1、R2的阻值。以LM317为例说明。电路图如下所示：图11LM317电路图输出电压计算公式)RR1.25(1U120带入数据可得1.25101.25(1)R（1）1221R1.25(1)R（2）有（1）（2）可得：218.6RR取滑动变阻器：21Rk，则1116R1116R的阻值不是标称值，取标称阻值200。（2）整流二极管及滤波电容的选择整流二极管选1N4001,其极限参数为vURM50,而2221.21Uv,因为IIoOVUUUUS,而312,15,5,310OioppVUvUvUmvS所以5152.08123oppiiOVUUUVUS滤波电容为max3846CoiiItICFUU,电容C的耐压应大于2221.21Uv故取2只2200F/25V的电解电容相并联作为滤波电容。同理LM337的参数为31Rk、4120R。五.总体电路图与工作原理1.总体电路图图12总体电路原理图2.电路工作原理LM317三端可调稳压器的工作原理如下。输出电压取决于外接电阻R1、可调电阻R2的分压比。LM317输出端与调整端之间的电位差恒等于1.25V，调整端1的电流极小，所以流过R1、R2的电流几乎相等（约几毫安电流），通过改变电位器的阻值就能改变输出电压。LM317三端可调稳压器为了保持输出电压的稳定性，要求流经R1的电流要小于5mA，这就限制了电阻R1的取值。此外，还应注意：LM317在不加散热片时的最大允许功耗为2W。在加200mm×200mm×4mm散热板后，其最大允许功耗可达15W。六.电路的安装与调试1.整流滤波电路的安装首先应在变压器的副边电压接入保险丝FU，以防电源输出端短路损坏变压器或其他元件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器作等效负载，用示波器观察输出是否正常。2.稳压部分的安装集成稳压器要安装适当的散热器，根据散热器的安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器，输出电压随之变化，说明稳压电路正常工作。注意检查在额定负载电流下的稳压器的发热情况。3.组装及指标测试将整流滤波电路和稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：（1）Ui为最高值，Uo为最小值，测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应使输出电流为最大负载电流）。（2）Ui为最小值，Uo为最大值，测稳压器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。如果上述结果符合设计要求，便可以进行质量指标测试。七.元器件列表表2元器件列表元器件名称型号数量电阻1202滑动变阻器1K2电容1000uF4电容0.1uF2电容10uF2电容1.0uF2集成稳压器LM3171集成稳压器LM3371二极管1N40018八.课程设计体会“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，通过此次课程设计实践，使