应用电子技术毕业设计-数显式直流稳压电源电路设计

应用电子技术毕业设计-数显式直流稳压电源电路设计内容摘要：

为获得较高的输出电压值， LM317稳压器的调节端与地之间的电阻 R2值及其压降往往较大，在 R2两端并接一个不小于 10uF的电容 C3，可有效地抑制输出端的纹波。 由于稳压器在 1∶ 1的深度负反馈下工作，当输出端负载为容性的某一值时，稳压器有可能出现自激现象。 因此，在稳压器的输入端接入 C2，输出端接入 10uF的电解电容 C5，提供足够的电流供给，同时可以防止可能发生的自激振 荡以及减小高频噪声和改善负载的瞬态响应。 当输入端发生短路时， C5通过稳压器的调整管放电， C5值较大，则放电时的冲击电流很大，电压会通过稳压器内部的输出晶 9 体管放电，可能造成输出晶体管发射结反向击穿。 为此，在稳压器两端并接二极管 D6，输入端短路时 C5通过 D6放电，保护 LM317稳压器。 整流滤波电路 因为课题需要 5V12V的稳压直流电，所以需要用到 220V转 18V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。 因为课题不需要用到 20V以上的电压，所以应该选用 18V24V的变压器，这样可以降低 LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。 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 V V3导通（ V 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 V V4导通（ V 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 10 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： 2D IiI  2 oi RI I I  21 0 .0 1RR adj AI I I   式中 Ii 为稳压器的输入电流， IR IR Iadj 分别为流过 R R2，以及调整端的电流，则： oD II   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： 2m a x 22 1 .2d iUU U 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 UiU0=10V，得： m a x 1 .2 1 .2 ( 1 0 ) 1 2 1 .2ooidU U U U    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。 桥式整流电路电压和电流波形如图 7所示。 11 图 7 桥式整流电路电压和电流波形 如图 7所示，在交流电压 u2的整个周期内，负载 Rl都有同方向的电流通过， 故 Rl 上得到单方向全波 脉动的直流电压。 这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。 滤波电路 整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。 所以我们需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。 对于滤波电路的选择有两种方案： 方案一：采用电感滤波电路。 由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。 在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。 一般的情况下只适用于低电压，大电流的场合。 电感滤波电路图如图 8所示： 12 V3 V2V4 V1RLL1 图 8 电感滤波电路 方案二：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。 V3 V2V4 V1RLC 图 9 电容滤波电路 经过分析，最终决定采用方案二。 13 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， V V3导 通， C被充电，同时电流经 V 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=Uc≈ U2，在 u2达到最大值时， Uc也达到最大值，然后 U2下降，此时， UcU2， V 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， V 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。 图 10 桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形 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。 14 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。 VI3VO2ADJ1U1LM 31 7 LR2P O TR320 0 RD61N40 0 2D51N40 0 2C310 u 图 11 稳压电路原理图 15 LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。 317系列稳压块的型号很多：例如 LM317HVH、 W317L等。 电子爱好者经常用 317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。 稳压电源的输出电压可用下式计 算 ： 231 .2 5 (1 )oRV R  仅仅从公式本身看， R 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。 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＝ — 37V（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＝ — 45V） ，所以 R2/R3的比值范围只能是 0—。 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。 其次是 317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。 最小稳定工作电流的值一般为。 由于 317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于 5mA。 当 317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时， 317稳压块就不能正常工作。 当 317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时， LM317稳压块就可以输出稳定的直流电压。 如果用 LM 317稳压块制作稳压电源时，没有注意 LM317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。 在使用 317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时 ,必 须保证 R1≥ 和R2≤ 两个不等式同时成立 ,才能保证 317稳压块在空载时能够稳定地工作。 当然在 317稳压块的输出端并联泄流电阻 R(如图所示 ),也可以为 317稳压块提供最 小稳定工作电流。 但是 ,由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化 ,如果要保证 317 稳压块在输出电压为 ,其输出电流大于其最小稳定工作电流 ,则在 317稳压块的输出电压 16 为 37V时 ,流过泄流电阻的电流就太大了 ,这样不仅浪费了电能 ,而且增加了 317稳压块的负担 ,不是一种妥当的办法。 通常 LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM117/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。 输入至少要比输 出高 2V，否则不能调压。 输入电要最高不能超过 40V。 输出电流不超过 1A。 输入 12V的话，输出最高就是 10V左右。 由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。 当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意 317的功耗不要过大。 一般加散热片后功耗也不超过 20W。 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 Rθ 1 表示从结到器件外壳的热阻， Rθ 2 表示从器件外壳到散热片表面的热阻， Rθ A 表示从结到散热片表面的热阻，则 Rθ A=Rθ 1+Rθ 2。 若令 Rθ d 表示散热片到周围空气的热阻， Rθ ’表示加散热片后结到空气的总热阻，则 Rθ ’ =Rθ A+Rθ 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： 39。 J M J MAM AMD A dT T T TP R R R  所以器件的最大功耗必须满足 PDM≤P D。 过流保护 在 目前 ，各种直流电源产品 的应用非常广泛 ，电源技术已经比较成熟。 但是 ，基于成本的考虑，对于电源性能要求不是很高的场合，可采用带有过流保护的集成稳压电路，同样能满足产品的要求。 过流保护电路作为电源电路中不可缺少的一个组成部分， 能够有效地保护电子元件， 根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式，而直流电机电源较宜采用关断方式。 过流保护电路首先要有一个电流取样环节，常用做法是串联一个小电阻或者是霍尔元件来获得电流信号。 由于霍尔元件体积比较大，价格昂贵，因而考虑采用串联一个小电阻的方法。 17 电路的过流保护原理图如图 12所示。 Q190 1 3R4 R5R6C4 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。