简易直流稳压电源

<一>课题名称与技术要求：设计课题：简易稳压直流电源（1）输出直流电压U O的调节范围为3 — 12V，且连续可调；（2）最大输出电流I LM≤200mA；（3）稳压系数S r<10%；（4）具有过流保护功能。

<二>摘要：直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

直流稳压电源，能为负载提供稳定直流电源的电子装置。

直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。

直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

电源是各种电子、电气设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分。

在工农业生产中主要采用交流电，而在电子线路和自动化控制中还需要稳定的直流电。

为了得到直流电除了直流发电机外多采用直流稳压电源，目前广泛采用各种半导体直流电源。

集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。

对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。

而在这种类型的器件中，又以三端式稳压器应用最为广泛。

本文设计的是输出3—12V连续可调的直流稳压源，最大输出电流为 200mA，另外采用LM317 集成器件。

集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。

<三>总体方案设计与论证及选择：1.总体设计思路根据课本教材可知直流稳压电源一般要包括4个部分,即整流变压器,整流电路,滤波器,稳压环节.其框图如下所示如图所示,首先应经过整流变压器将交流电压变换为符合整流需要的电压,然后经过整流电路将交流电压变换为单向脉动电压,其中的整流元件(二极管或晶闸管)之所以能整流是因为他们都具有单向导电的共同特性.接着通过滤波器减少整流电压的脉动程度，以适合负载的需要，滤除交流成分，保留直流成分。

最后通过滤波环节在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。

根据要求所设计的直流稳压电源应符合幅值稳定，平滑，变换频率高，负载能力强，温度稳定性好的特点。

由于知识有限，本着简单，易懂，经济，安全的原则对各个环节进行方案的选择2.方案论证选择（1）整流电路的选择整流分为半波整流，全波整流，与桥式整流a、单向半波整流半波整流是最简单的整流电路，原理简单就不再论述,有整流变压器Tr ，整流元件D 及负载电阻Rl 组成。

公式为 U0=()t d u ⎰πωπ0021=()()t d t u ⎰πωωπ02sin 221=π2U 2=0.45 U 2优点:结构简单，使用的元件少缺点：输出电压脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器含有直流部分，容易饱和。

只能用于输出功率较小，负载要求不高的场合b 单向全波整流通过查阅治疗可知：全波整流的输出电压时半波整流的两倍，输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。

全波整流电路在负半周时二极管承受的反向电压较高，其最大值等于2，且电路中每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器利用率不高。

+-UoUo +-c 单向桥式整流电路单向桥式整流电路的工作原理可分析如下。

为简单起见，二极管用理想模型来处理，如图，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

在U2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管 D1流向RL,再由二极管 D3流回变压器，所以 D1、D3正向导通，D2、D4反向截止。

在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。

其电流通路可用下图中实线箭头表示。

在 U2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副线圈的下端流出，只能经过二极管 D2流向 RL，再由二极管 D4流回变压器，所以 D1、D3反向截止，D2、D4正向导通。

电流流过 RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。

其电流通路如图中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

各方案的优缺点比较：单向半波整流电路虽然简单但是只有电源的半周被整流输出，存在着输出电压低，脉动大，变压器利用率低的缺点，一般只适合于负戴电流小于10mA的场合。

单向全波整流电路虽然输出电压的脉动程度比单向半波整流电路有所降低，但在交流电源电压和变压器变比相同的情况下，输出直流电压并没有比半波整流电路提高，而且在交流电的正负半周内每次只有一半副绕组在工作，因此，变压器的利用率仍然较低，其应用受到了限制！综上所述，结合本实验选择单向桥式整流电路（2）滤波电路的选择经整流后的电压仍具有较大的交流分量，必须通过滤波电路将交流分量滤掉。

尽量保留其输出中的直流分量，才能获得比较平滑的直流分量。

滤波电路分为电容滤波器，电感电容滤波器，π型滤波器电感电容滤波器电感较大，其匝数较多，电阻也较大，因而其上也有一定的直流电压降，造成输出电压的下降。

π型滤波器也有同样的缺点，电容滤波已经完全符合本实验的要求而且简单，易懂，经济，故选择电容滤波器。

（3）稳压电路的选择稳压电路的作用是在外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能够输出不受影响而维持稳定的直流电压。

稳压电路包括固定式三端稳压器，串联型直流稳压电路，三端可调稳压电源固定式三端稳压器包括W78XX系列，W79XX系列，W78XX系列输出的固定电压有5V，6V，9V，12V等，电流的等级有三个，1.5A，0.5A，0.1A，输入与输出电压不得小于2V，一般在5V左右。

W79XX系列输出固定负电压，其参数与W78XX系列基本相同。

结合本实验如果使用固定式三端稳压器，那么就必须结合运算放大器进行。

串联型稳压电路由采样环节，基准电压，比较放大电路，调整环节构成，元器件相对较多，结构复杂，相对两者三端可调稳压电源比较简单，经济，可靠，完全满足实验需求综上所述本设计电路主要采用三端可调式集成稳压器LM317，稳压器内部设置了过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护及稳压器芯片过热保护等电路,十分安全可靠<四>设计方案原理框图、总体电路原理图及说明1.原理框图如图所示包括4个部分,即整流变压器,整流电路,滤波器,稳压环节.最终将交流电变成幅值稳定，平滑的直流电2.总体电路原理3.说明从图中可以看出220v的市电经过整流变压器降到所需要的整流电压值，再将降压后的交流电压通过整流电路变换为单向脉动电压，直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压，即滤除交流成分，保留直流成分，最后通过三端可调稳压电源输出稳压电压，通过改变Rp的阻值大小，即可改变R2/R1，近而调整输出电压U0的大小，实现电压从3V起连续可调。

<五>单元电路设计原理，主要器件选择及参数计算1、整流变压电路电源变压器是将来自电网的220V交流电压变换为电路所需电压。

变压电路如图220 u所示。

变压器参数计算：LM317输入电压设为Ui则U0min=3V、U0max=12V Ui-U0max≥（Ui-U0）minUi-U0min≤（Ui-U0）max。

其中：（Ui-U0）min=3V，（Ui-U0）max=40V。

所以15V≤Ui≤40V，稳压器的压差不宜过大，因此选择Ui=15V。

则变压器二次侧电压U=Ui/1.2=12.5V取U=13V。

考虑到变压器上的绕组即管子上的压降等因素，变压器二次侧电压大约要高出10％，即 13*1.1=14.3V取15V。

稳压器输入输出电流基本保持不变Ii≤200mA,则变压器二次侧的电流有效值I=200*1.1=220mA。

这样变压器的输出功率P=UI=15*0.22=3.3W。

故选用10W的变压器。

2．整流电路：变压器二次侧电压有效值为U=15V，于是U RM=1.414*15≈22V。

I D=I0/2=100mA。

查二极管分立元件参数表，二极管选用2CZ55B （I OM=1000mA；U RWM=50V）满足电路需求。

整流后的图像如下3.滤波电路对于桥式整流电路来说，滤波电解电容 C的选择原则是：R L C≥（3～5）T/2，式中，T是U1的周期，取T=0.02s。

R L为负载电阻，考虑到为了保证稳压器 LM317 稳定运行，输入电压 Ui 与输出电压U0之差在3～40之间，，考虑到电压差增大则LM317损耗也随之增大，故取Ui- U0=3。

I i≈I o。

则R L =Ui/ I o。

最后可以得出C=667μF。

故选用C=700μF，耐压为50V的极性电容器。

4、稳压电路此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大器而损坏稳压器。

为了防止在这种情况下C2的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管D5。

LM317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。

但当输出端有500-5000pF的容性负载时，就容易发生自激。

为了抑制自激，在输出端接一只 1μF的钽电容或 25μF的铝电解电容C1。

该电容还可以改善电源的瞬态响应。

但是接上盖地拿容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C1将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管D6。

稳压电路中各元件参数的计算：根据内部电路设计，流过R1的电流I=5mA，R1=UREF/I=1.25/0.005=250Ω，考虑器件参数的分散性，实际I可能大于5mA，因此R1值应小于250Ω。

此处取R1=240Ω。

为了使输出基准电压为3v应在Rp下方串联一个电阻阻值为R3=(3-1.25)*240/1.25=336Ω，故取R3=330Ω。

U0=1.25（1+R2/R1），所以R2=[（U0 -1.25）R1]/1.25，当U0取最大值12V时，R2max=（12-1.25）*240/1.25-336=1734Ω。

故取常用绕组滑动器Rp最大值2.0kΩ。

D5和D6分别是为了防止输入短路和输出短路时电容器放电使得LM317损坏，应在LM317的输入端与输出端、控制端与输出端分别接二极管D5、D6.如上图所示。

查表得2CZ55B的最大反向工作电压为50V，最大整流电流1A，满足电路的需要。

因此D5、D6均选择2CZ55B。

另外C3=0.33μF C2=10μF C1=1μF 采用正温度系数的PTC热敏电阻,在常温下其阻值很小，当输出电流过大或短路时，PTC受热阻值迅速增至无穷大大，切断输出。

类似于电视机显像管消磁线圈中的消磁机制。

从而达到过流保护的目的。