125V至20V可调直流稳压电源设计方案

直流稳定电源设计 制作人:某某 题目： 直流稳定电源的设计 一、 任务： 设计并制作交流变换为直流的稳定电源。 二、 要求： 1． 基本要求 （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..。

直流稳定电源设计 制作人:某某 题目： 直流稳定电源的设计 一、 任务： 设计并制作交流变换为直流的稳定电源。 二、 要求： 1． 基本要求 （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 的条件下： 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 时的相对变化率） （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、 关机时产生的“过冲” （2） 提高稳压电源的技术指标 a． 提高电压调整率和负载调整率 b． 扩大输出电压调节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， 稳压电源的研究背景 本电源在市场上很有应用前景， 可以作为收音机或掌机的外接电源， 也可以用作手机电池的充电器， 功率高点的还作为小型电视或其他家用电器的电源。 直流稳压电源是电子技术常用的仪器之一， 它现在广泛的应用在学校教学， 科学研究等领域， 是电子设计人员进行实验操作和科学研究必不可少的电子仪器。 在日常的电子电路中， 供电电源常常要用到稳压直流电源。 所以， 稳压直流电源具有非常重要的研究意义。 在日常生活中， 很多家用电器或者 IT 产品都要用到稳压直流电源供电。 但是在实际生活中， 我们的家庭用电都是 用到 220V 的交流电网。 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的直流电， 供家用电器使用。 变压器可以将 220V 的交流电转换成适合用电器的低压交流电。 整流器由二极管组成， 用于滤去整流输出电压中的纹波。 四、 课题的设计 （1） . 电源的输出控制 本系统利用 lm317 的稳压及其电压可调的功能， 通过旋转接在调整脚的电位器， 实现输出电压在 1. 25-20V 内连续可调，旧电瓶回收多少钱 调整精度较高。 LM317 的电压调整电路图如图 1 所示。 VI3VO2ADJ1U1LM317LR1220RRV1POT 图 1 lm317 的电压调整原理电路图 如图 1 所示， 通过调整可调电阻 RV1 的阻值， 就可以调 整输出电压 Vo 的大小。 所以， 如果希望调整的精度高， 可调电阻 RV1 的调整精度也要高。 （2） . 方案的设计思路： a． 输出电压调节范围的制定（经小组协商确定其调节范围为 1. 25 至 20v）。 利用 lm317 集成稳压芯片为核心， 通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。 再用数字显示电压表头（内含 ICL7107 芯片）， 表头的供电也是用 lm317 制作+5V 的稳压电源提供。 方案系统框图如图 3 所示。 图 3 方案三系统框图 a． 1 LM317 芯片的选择理由 Lm317 是可调节三端正电稳压器， 在输出电压的范围是1. 25V-37V 的时候能够提供超过 1. 5A 的电流， 此稳压器非常容易使用， 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补偿从而使之能防止烧断保险丝。 220AC 输入 变压器 LM317 稳压电路 输出 电压表头 Lm317 是应用很广泛的集成电路之一。 它不仅能构成三端稳压电路的最简单形式， 同时输出电压具有可调的功能。 此外， 它还有众多的优点， 例如， 调压范围宽， 稳压性能好，噪声低， 纹波抑制比高。 它的主要性能参数如下： 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， 表头供电等电路的设计 （b. 1） 整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。 完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用， 因此二极管是构成整流电路的关键元件。 在小功率整流电路中， 常见的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的单相整流电路。 在工作时， 电路中的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的正半周； 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的负半周。 在负载电阻上正、 负半周经过合成， 得到的是同一个方向的单向脉动电压。桥式整流电路原理图如图6所示。 V3V2V4V1RL 图6 桥式整流电路原理图 选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。 由于滤波电容的容量愈大， 二极管导通角愈小， 通过二极管脉冲电流的幅度愈大， 因此， 整流管的幅值电流必须加以考虑。 流过整流管的平均电流： 2DIiI= 2oiRIII=+ 210.01RRadjIAII=+ 式中Ii 为稳压器的输入电流， IR1、 IR2、 Iadj 分别为流过R1、 R2， 以及调整端的电流， 则： 0.012oDII=+ 考虑到电容充电电流的冲击， 正向电流一般取平均电流的2～3 倍。 二极管最大反向电压： 2max2U21.2diUU== 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： max1.2=1.2(10) 12 1.2=ooidUUUU=++ 设计时可考虑一定的余量。 根据计算， 1N4007的二极管符合设计要求， 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的作用， 并联的电容器在电源供给的电压升高时， 能够把部分能量储存起来， 而当电源电压减低的时候， 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的作用。 电容滤波电路比较简单， 而且负载直流电压比较高，纹波也比较少， 适用于负载电压较高， 负载变动不大的场合，也减轻了 电路设计和实际焊接的工作。 电容滤波电路原理图如图 9 所示。 V3V2V4V1RLC 图 9 电容滤波电路 经过滤波， 电路的电压、 电流波形如图10所示。 滤波电解电容C的选择原则是： 取其放电时间常数RLC大于充电周期的3～5 倍， 其耐压值必须大于脉动电压峰值。 对于桥式整流电路来说， 脉动电压峰值为2U2， C的充电周期等于交流电源周期T的一半， 即C(3~5) T2RL， 式中RL为整流后的等效负载电阻， 经过考虑， 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， 同时电流经 V1、 V3 向负载电阻供电。 忽略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=UcU2， 在 u2 达到最大值时， Uc 也达到最大值， 然后U2 下降， 此时， UcU2， V1、 V3 截止， 电容 C 向负载电阻RL 放电， 由于放电时间常数 =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， 以后重复上述充放电 过 程。 其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压， 使负载电压的波动大为减小. （b. 3） 稳压电路 稳压电路是整个设计之中一个很重要的组成部分， 几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源供电才能正常工作。所以， 研究和熟悉稳压电路的组成和设计具有非常重要的意义。 稳压电路主要用于提供更加稳定的直流带能源。 考虑到整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还是有相当的距离， 主要是存在两方面的问题： 第一方面， 但负载电流变化的时候， 因为整流滤波电路存在一定的内阻， 所以输出的直流电压将有可能随之发生变化。 第二方面， 由于电网电压并不稳定， 当电网电压发生波动时， 整流电路的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相应的发生变化。 因此， 在设计中， 采用三端集成稳压器 lm317 来实现稳定电压的功能。 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 的集-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的采样电压进行比较， 然后再放大并送到调整管的基极。 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的一种， 而串联型直流稳压电路的输出电压和基准电压成 正比， 因此， 基准电压的稳定性将直接影响稳压电路的输出电压的稳定性。 采样电路由两个分压电阻组成， 它将输出电压变化量的一步份送到放大电路的输入端。 启动电路的作用是在刚接通电流输入电压的时候， 是调整管、 放大电路和基准电源等建立各自的工作电路， 而当稳压电路正常工作是启动电路被断开， 影响稳压电路的性能。 保护电路主要起到限流保护， 过热保护和过压保护的作用。 稳压部分的电路原理图如图 11 所示。 VI3VO2ADJ1U1LM317LR2POTR3200RD61 N4002D51 N4002C31 0u 图 11 稳压电路原理图 稳压电源的输出电压可用下式计算： 231.25(1)oRRV=+ 仅仅从公式本身看， R3125V至20V可调直流稳压电源设计方案 R2 的电阻值可以随意设定。 然而作为稳压电源的输出电压计算公式， R3 和 R2 的阻值是不能随 意设定的。 1， 2 脚之间为 1. 25V 电压基准。 为保证稳压器的输出性能， R3 应小于 240 欧姆。 改变 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 的 输 出 电 压 变 化 范 围 是 Vo ＝1. 25V37V（ 高输出 电 压的 317 稳压块如 LM317HVA、LM317HVK 等， 其输出电压变化范围是 Vo＝1. 25V45V）， 所以 R2/R3 的比值范围只能是 028. 6。 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 内置有过载保护、 安全区保护等多种保护电路。 LM317 属于深度负反馈的稳压电路， 其功耗比较大， 所以有必要讨论一下 LM317 稳压模块的散热问题。 稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温TJM， 当TTJM时稳压器才能正常工作。 因此， 稳压器的散热能力愈强， 结温就愈低， 它所能承受的功率也愈大。 稳压器的散热能力取决于它的热阻给半导体器件加散热片后可减小总热阻。 若令R 1 表示从结到器件外壳的热阻， R 2 表示从器件外壳到散热片表面的热阻， R A 表示从结到散热片表面的热阻， 则R A=R 1+R 2。 若令R d 表示散热片到周围空气的热阻， R 表示加散热片后结到空气的总热阻， 则R =R A+R d。 设集成稳压器的最高允许结温为TJM， 最高环境温度为TAM， 加散热器后器件的功耗为PD， 则有关系式： JMJMRAMAMRDAdTTTTPR== 所以器件的最大功耗必须满足PDMPD。 (b. 4) 过流保护 电路的过流保护原理图如图 12 所示。 Q19013R4R5R6C4 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(约为额定电流的 8～10 倍) ， iout 流过小电阻 R6，并经 R5 对 C4 充电。 通过设定 R6、 C4 的值， 使充电时间大于电机启动时间 ， Q1(9013) 处于截止状态， 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 两端电压达到 Q1 的导通电压， 则 Q1 导通，强制稳压器的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 大于启动时间 ， 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 电流的 4~7 倍， 可看成不变， 设为 I=5I0。 根据图 15， 可得以下公式： 45444()cRcdtUR Cu=+ 54RRi i=i+ 由于 R4 R5， 所以 iR5 iR5因此 i 约等于 iR5。 此时为一阶零状态输入响应， 求解得： 4 4R C154(1)RRUie= 假设电容 C4 的电压达到 0. 7V 为充电时间 ， 得： 50.7445lnRRiR Ci= 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， 电流突然增大到短路电流 IS， 电容 C4开始充电。 考虑一定的设计余量， 取保护电流设定值 IGIS，式(1) 同样成立此为一阶全响应方程， 初始条件 uc4 (0+) =I0iR5， 强制分量 uc4 () =IGR5， 求解得： 4 4R C1554()coccUI RR II e=+ 假设增大到 V2 导通电压 0. 7 的充电时间为 ， 则 必须小于允许短路时间 t， 即： 55445ln()0.7cocR IR IR IR C= 要使保护起到作用， uc4 () 必须大于 0. 7V， 即： 50.7IcR （b.5） 表头供电电路 用 LM317 集成稳压模块制作一个+5V 的电源， 然后用一只 NPN三极管， 两只电阻， 一个电感来进行信号放大， 把芯片 38脚的振荡信号串接一个 20K－56K的电阻连接到三极管“B”极， 在三极管“C” 极串接一个电阻（为了 保护） 和一个电感（提高交流放大倍数）， 在正常工作时， 三极管的“C” 极电压为 2. 4V－2. 8V 为最好。 这样， 在三极管的“C” 极有放大的交流信号， 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， 可以得到负电压供给 ICL7107的 26 脚使用。 VI3VO2ADJ1U2LM317L1 N4002R724R872C61 0u+88.8Volts 表头正负 5v 供电电路 （b. 6） 稳流电路 本电路的稳流模块采用了 LM317 集成稳压电源构成的可调式稳流电路， 将上一级产生的 12v 稳定电压转化成输出端的 420MA 的稳定电流， 有稳压源供电， 利用三极管的输出特 性设计， R4， D6， D7 组成三极管 T 的偏置稳压电路， 利用二极管的稳压作用， 三极管 T 可得到稳定偏置电流 Ib， T 就有稳定的集电极电流 Ic=Io= Ib， Ic 的大小不受输入电压和负载电阻变化的影响， 实现稳定输出可调电流的题目要求。 D41 N4007D51 N4007R91 .5KRV225KR103.90KQ2ZTX689RV3500 稳流电路原理图 （b. 7） DC-DC 变化电路 U2UC3843A_DIP8COMP1VFB2ISENSE3RT/CT4GND5OUTPUT6VCC7VREF8R41kΩC1470FC21nFR222kΩQ1ZVN2106AR322kΩC31nFR8D1DIODE_VIRTUALC447FIC=160VR55.6kΩR682kΩR72.2kΩC54.7FIC=100VC61nFC71nFV112 V R110kΩ160kΩL1100HL210HXMM1 五： 扩充部分： （1） 扩大输出电压调节范围为 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 C12200uC31 0uC51 0uD61 N4002D21 N4002R11 KR30.2KR41KR51KVI3VO2ADJ1U1LM317LC20.1uC41uRV13.4KR61K+88.8VoltsQ1BFY90D1LED-REDB11 8VR2120VI3VO2ADJ1U2LM31 7LD31N4002R724R872C61 0u+88.8VoltsD41 N4007D51 N4007R91 .5KRV225KR1 03.90KQ2ZTX689RV3500 七： 实物图。