直流稳定电源设计制作人某某题目直流稳定电源的设计任务设计.doc

直流稳定电源设计

制作人:某某

题目：直流稳定电源设计

一、任务：设计并制作交流变换为直流稳定电源。
二、规定：
1．基本规定
　（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：
　　a．输出电压可调范围为+9V～+12V
　　b．最大输出电流为1.5A
　　c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
　　d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）
　　e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）
　　f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
　　g．具有过流及短路保护功能
（2）稳流电源 在输入电压固定为＋12V条件下：
　　a．输出电流：4～20mA可调
　　b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时相对变化率）
　（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V～+12V条件下：
　　a．输出电压为+100V，输出电流为10mA
　　b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）
　　c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）
　　d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV （输入电压+9V下，满载）
2．发挥部分
　　1）扩充功能
　　a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态
　　b．过热保护
　　c．防止开、关机时产生“过冲”
　　（2）提高稳压电源技术指标
　　a．提高电压调整率和负载调整率
　　b．扩大输出电压调整范围和提高最大输出电流值
　　（3）改善DC-DC变换器
　　a．提高效率（在100V、100mA下）
　　b．提高输出电压
　　（4）用数字显示输出电压和输出电流.
三，稳压电源研究背景
本电源在市场上很有应用前景，可以作为收音机或掌机外接电源，也可以用作手机电池充电器，功率高点还作为小型电视或其他家用电器电源。
直流稳压电源是电子技术常用仪器之一，它目前广泛应用在学校教学，科学研究等领域，是电子设计人员进行试验操作和科学研究必不可少电子仪器。在平常电子电路中，供电电源常常要用到稳压直流电源。因此，稳压直流电源具有非常重要研究意义。
在平常生活中，诸多家用电器或者IT产品都要用到稳压直流电源供电。不过在实际生活中，我们家庭用电都是用到220V交流电网。这就需要通过变压，整流，滤波，稳压电路来将交流电转换成稳压直流电，供家用电器使用。变压器可以将220V交流电转换成适合用电器低压交流电。整流器由二极管构成，用于滤去整流输出电压中纹波。

四、课题设计
（1）. 电源输出控制
本系统运用lm317稳压及其电压可调功能，通过旋转接在调整脚电位器，实现输出电压在1.2520V内持续可调，调整精度较高。LM317电压调整电路图如图1所示。

图1 lm317电压调整原理电路图
如图1所示，通过调整可调电阻RV1阻值，就可以调整输出电压Vo大小。因此，假如但愿调整精度高，可调电阻RV1调整精度也要高。
（2）.方案设计思绪：
a．输出电压调整范围制定（经小组协商确定其调整范围为1.25至20v）。
运用lm317集成稳压芯片为关键，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定直流电。再用数字显示电压表头（内含ICL7107芯片），表头供电也是用lm317制作+5V稳压电源提供。方案系统框图如图3所示。

输出
LM317稳压电路
变压器

220AC输入

电压表头

图3 方案三系统框图
a．1 LM317芯片选择理由
Lm317是可调整三端正电稳压器，在输出电压范围是1.25V-37V时候可以提供超过1.5A电流，此稳压器非常轻易使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。此外，还使用内部限流，热关断和安全工作区赔偿从而使之能防止烧断保险丝。
Lm317是应用很广泛集成电路之一。它不仅能构成三端稳压电路最简朴形式，同步输出电压具有可调功能。此外，它尚有众多长处，例如，调压范围宽，稳压性能好，噪声低，纹波克制比高。它重要性能参数如下：
输出电压：1.25-37V DC；
输出电流：5mA-1.5A；
保护电路：芯片内部有过热，过流，短路保护电路；
最大输入输出电压差：40V DC；
最小输入输出电压差：3V DC
b．整流，滤波，稳压，保护，DC-DC变换，稳流，表头供电等电路设计
（b.1）整流电路

整流电路任务是将交流电变换成直流电。完毕这一任务重要是靠二极管单向导电作用，因此二极管是构成整流电路关键元件。在小功率整流电路中，常见集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是工程上最常用单相整流电路。在工作时，电路中四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波负半周。在负载电阻上正、负半周通过合成，得到是同一种方向单向脉动电压。桥式整流电路原理图如图6所示。

图6 桥式整流电路原理图
选择二极管要根据二极管反向耐压VRM和正向电流IF。由于滤波电容容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流幅度愈大，因此，整流管幅值电流必须加以考虑。流过整流管平均电流：

式中Ii 为稳压器输入电流，IR1、IR2、Iadj 分别为流过R1、R2，以及调整端电流，则：

考虑到电容充电电流冲击，正向电流一般取平均电流2～3 倍。二极管最大反向电压：

式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电压(即稳压器输入电压)。为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui与输出电压U0之差一般在5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：

设计时可考虑一定余量。根据计算，1N4007二极管符合设计规定，可以用作整流桥。
（b.2）滤波电路
采用电容滤波电路。由于电容在电路中也是起到储存能量作用，并联电容器在电源供应电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压减低时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波作用。电容滤波电路比较简朴，并且负载直流电压比较高，纹波也比较少，合用于负载电压较高，负载变动不大场所，也减轻了电路设计和实际焊接工作。电容滤波电路原理图如图9所示。

图9 电容滤波电路
通过滤波，电路电压、电流波形如图10所示。滤波电解电容C选择原则是：取其放电时间常数RLC不小于充电周期3～5 倍，其耐压值必须不小于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C充电周期等于交流电源周期T二分之一，即C≥(3~5) T2RL，式中RL为整流后等效负载电阻，通过考虑，本设计取C为2200uF。
设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导 通，C被充电，同步电流经V1、V3向负载电阻供电。忽视二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=Uc≈U2，在u2到达最大值时，Uc也到达最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容 C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压Uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，后来反复上述充放电 过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压波动大为减小.
（b.3）稳压电路
稳压电路是整个设计之中一种很重要构成部分，几乎所有电子设备都需要稳定直流电源供电才能正常工作。因此，研究和熟悉稳压电路构成和设计具有非常重要意义。
稳压电路重要用于提供愈加稳定直流带能源。考虑到整流滤波电路输出电压和理想直流电源还是有相称距离，重要是存在两方面问题：第首先，但负载电流变化时候，由于整流滤波电路存在一定内阻，因此输出直流电压将有也许随之发生变化。第二方面，由于电网电压并不稳定，当电网电压发生波动时，整流电路输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也对应发生变化。因此，在设计中，采用三端集成稳压器lm317来实现稳定电压功能。
其中，调整管接在输入端和输出端之间。当电网电压或负载电流波动时，调整自身集-射压降使输出电压基本保持不变。放大短路将基准电压与从输出端得到采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管基极。放大倍数越大，则稳定性能越好。由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路一种，而串联型直流稳压电路输出电压和基准电压成正比，因此，基准电压稳定性将直接影响稳压电路输出电压稳定性。采样电路由两个分压电阻构成，它将输出电压变化量一步份送到放大电路输入端。启动电路作用是在刚接通电流输入电压时候，是调整管、放大电路和基准电源等建立各自工作电路，而当稳压电路正常工作是启动电路被断开，影响稳压电路性能。保护电路重要起到限流保护，过热保护和过压保护作用。
稳压部分电路原理图如图11所示。

图11 稳压电路原理图
稳压电源输出电压可用下式计算：

仅仅从公式自身看，R3R2电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源输出电压计算公式，R3和R2阻值是不能随意设定。1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器输出性能，R3应不不小于240欧姆。变化R2阻值即可调整稳压电压值。D5，D6用于保护LM317。
　　首先317稳压块输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），因此R2/R3比值范围只能是0—28.6。它使用非常简朴，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它线性调整率和负载调整率也比原则固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路
LM317属于深度负反馈稳压电路，其功耗比较大，因此有必要讨论一下LM317稳压模块散热问题。
稳压器最大容许功耗取决于芯片最高结温TJM,当T散热器后器件功耗为PD，则有关系式：

因此器件最大功耗必须满足PDM≤PD。
(b.4)过流保护
电路过流保护原理图如图12所示。

图12 过流保护电路原理图
R6为取样小电阻。当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。由于直流电机启动瞬时电流iout较大(约为额定电流8～10倍)，iout流过小电阻R6，并经R5对C4充电。通过设定R6、C4值，使充电时间τ不小于电机启动时间δ，Q1(9013)处在截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。一旦电机发生短路或堵转，使电容C4两端电压到达Q1导通电压，则Q1导通，强制稳压器输出电压降为基准电压1.25V。
电机启动时必须满足充电时间τ不小于启动时间δ，Q1不导通，电机才能正常启动。由于启动电流很大，一般是额定电流4~7倍，可当作不变，设为I=5I0。根据图15，可得如下公式：

由于R4R5，因此iR5iR5因此i约等于iR5。此时为一阶零状态输入响应，求解得：

假设电容C4电压到达0.7V为充电时间，得：

设电机负荷在额定状态下运行，电机电流I0已经稳定。电机短路或堵转后，电流忽然增大到短路电流IS，电容C4开始充电。考虑一定设计余量，取保护电流设定值IG)=I0iR5, 强制分量uc4 (∞)=IGR5, 求解得：

假设增大到V2导通电压0.7充电时间为’,则’必须不不小于容许短路时间t,即：

要使保护起到作用，uc4 (∞)必须不小于0.7V，即：

（b.5）表头供电电路
用LM317集成稳压模块制作一种+5V电源，然后用一只NPN三极管，两只电阻，一种电感来进行信号放大，把芯片38脚振荡信号串接一种20K－56K电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一种电阻（为了保护）和一种电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管“C”极电压为2.4V－2.8V为最佳。这样，在三极管“C”极有放大交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供应ICL710726脚使用。

表头正负5v供电电路
（b.6）稳流电路
本电路稳流模块采用了LM317集成稳压电源构成可调式稳流电路，将上一级产生12v稳定电压转化成输出端4——20MA稳定电流，有稳压源供电，运用三极管输出特性设计，R4，D6，D7构成三极管T偏置稳压电路，运用二极管稳压作用，三极管T可得到稳定偏置电流Ib，T就有稳定集电极电流Ic=Io=βIb，Ic大小不受输入电压和负载电阻变化影响，实现稳定输出可调电流题目规定。

稳流电路原理图
（b.7）DC-DC变化电路

五：扩充部分：
（1） 扩大输出电压调整范围为1.5至20v；
（2） 过热不保护，在LM317上加有散热片；
（3） 用数字显示输出电压
六：整体电路原理图

七：实物图