模电集成直流稳压源课程设计报告——武汉理工

                             课程设计任务书

         工作单位：信息工程学院

题目：集成直流稳压源的设计

初始条件：

副边电压15V、功率20W 的变压器一个，IN 4001型号的二极管四个，型号为ＩＮ4148的二极管一个，2200uF/25V的电解电容两只，10uF电容一个，1uF及0.1uF的钽电容各一个，可调式三端稳压器CW317一个，电阻器240Ω、18Ω和4.7KΩ的滑动变阻器各一个，散热片、电路板、导线若干。

要求完成的任务：

  已知条件：集成稳压器CW317。

性能指标要求：输出电压+3Ｖ~+９Ｖ可调，输出电流Ｉomax=1A;

 纹波电压：小于或等于5mV   电压调整率：Ku ≤3%

 电流调整率：Ki≤1%

时间安排：第14周理论讲解，时间：礼拜一5，6节  地点：鉴四605

第14-20周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）

指导教师签名：                    年     月   日

系主任（或责任教师）签名：           年     月    日

集成直流稳压源的设计

目录：设计任务与要求………………………………………3

设计报告的具体内容…………………………………..4

考虑过的方案……………………………………………11

    元件参数的选择…………………………………………13

    电路安装与指标测试 ………………………………….15

    性能测试数据……………………………………………16

    实际调试过程…………………………………………..18

    收获与体会………………………………………………19

    元件清单………………………………………………….20

    参考文献…………………………………………………21

1、设计任务与要求

1.1设计目的：

  通过集成直流稳压源的设计、安装、和调试，要求学会：

1.1.1选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；

1.1.2掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

1.1.3学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

                                                                                            

、设计报告的具体内容：

直流稳压电源的一般设计思路为：由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形式，通过计算极限参数（电压、电流和功耗）选择器件；由稳压电路所要求的直流电压、直流电流输入确定整流滤波形式，选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压的有效值，电流的有效值及变压器功率。最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。

  输入电压U1的确定：为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求

      Ｕｉ　≥Ｕｏｍａｘ　＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ…………………….(2-1)

　　式中，（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V变化±10%时，电源应稳态。所以稳态电路的最低输入电压

UImin  ≈[Ｕｏｍａｘ　＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ]/0.9。………………(2-2)

  另一方面，为保证稳压器安全工作，要求

         Ui  ≤Ｕｏｍin　＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍax………………………(2-3)

  式中（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍax 是稳压器允许的最大输入输出压差，典型值为35V。

直流稳压电源一般由直流电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。

     

                       图2.1  直流稳压源基本框图

            

2.1变压电路

 电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。

变压器副边与原边的功率比为

                    P2/P 1=η……………………………………….(2-4)

式中，η为变压器的效率。

经变压器后，电压的波形图如下：

                  2.2整流电路：

整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。常用的直流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流电路。

各滤波电容C满足：                   

                   RL1C=（3~5）T/2………………………..….(2-5)

 式中T为输入交流信号周期；RL 1为整流滤波电路的等效负载电阻。

  次实验的整流部分主要采用桥式电路，即由四个二极管交叉而成。

                  图2.3  桥式整流典型电路

但使用二极管时应注意以下问题：

①最大整流电路If指二极管长期运行允许通过的最大反向平均电流。若使用时超过此值，有可能烧坏二极管。

②最高反向工作电压Ｕrm指允许施加在二极管两端的最大方向电压通常为击穿电压的一半。

③反向电流Ir指二极管未击穿时的反向电流值。其值会随温度的升高而急剧增加，其值越小，二极管的单向导电性越好。但是反向电流值会随温度的上升而显著增加。

④最高工作频率f指保证二极管单向导电时的最高导电频率。当工作频率超过其限度时，二极管的单向导电性能就会变差。

  桥式整流电路相当于理想二极管，及正偏时导通，电压降为零，相当于理想开关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。在交流电压的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻R，故R上得到单方向全波脉动的直流电压。在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在输入电压的正半周期，D1  和D3  导通时，可将它们看成短路，这样D2  和D4  就并联在输入电压上，其承受的反向峰值电压为

        VRM  =  √2V2 ……………………………………………(2-6)

同理D2  和D4   导通时，D1  和D3  截止，其承受的反向峰值电压值，大小与上式相同。

整流后电压波形图如下:

2.3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)。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部分。

   在整流器的输出端并联一个电容器，就是电容滤波器，一个实际的单相桥式整流滤波电路图如

               图2.5  滤波的典型电路

其工作原理为:当负载R未接入时的情况，设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当输入电压v为正半周期时，v通过　　Ｄ１　、Ｄ３  向电容C充电，v为负半周期时，经D2  、D4  向电容充电，充电电流方向相同。

充电时间常数τ=RC  …………………………………………….(2-6)

式中R为包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于R一般很小，故充电的时间常数也就很小，因此电容器上的电压很快充电到交流电压v的最大值1.414v。因而使整流二极管的外加要么为反向电压，要么为零电压；此时，电容器无放电回路，故输出电压Vo   （即电容两端的电压）保持在1.414V2，输出为恒定的直流，如图所示：

                图2.6  滤波后的电压波形

滤波电路通常由电抗元件组成，由于电抗元件在电路中有储能的作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，可以把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，又可以把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用。滤波电路形式多种多样，依不同的划分标准又可进行不同的分类，根据需要选择。在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容C充电的瞬时电流较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流余量，以免烧坏。

2.4稳压电路

 2.4.1 三端集成稳压器分为固定式和可调式两种。在此选用LM317可调式三端集成稳压器。LM317三端可调正输出稳压器的输出电压范围为1.2-37V，最大输出电流为1.5A，最小输入输出电压差（Vi  -Vo）min =3V,最大输入输出电压差（Vi  -Vo）max=40V。

  为保证稳压器能正常工作，对输入直流电压也有所要求，一般输入直流电压比输出直流电压高出3-5V，不宜高出太多，高出太多会使稳压器功耗过大，易损坏稳压器。同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线电阻上产生误差。

317系列集成稳压器的典型应用电路如下：

           图2.7  317系列集成稳压器典型应用电路

2.4.2稳压器主要参数及测试方法

2.4.2.1稳压系数SV

当输出电流不变（ 且负载为确定值）时，输入电压变化将引起输出电压变化，则输出电压相对变化量于输入电压相对变化量之比，定义为稳压系数，用SV表示

           SV =ΔVOVi/ΔViVo   ……………………………………(2-7)

        测量时，如选用多位直流数字电压表，可直接测出当输入电压Vi 增加或减少10%时，其相应的输出电压Vo  、Vo1  、Vo2，求出ΔVO1、ΔVo2 ，并将其中数值较大的ΔVO 代入SV 表达式中。显然

SV   愈小，稳压效果愈好。

2.4.2.2输出电阻RO

输入电压不变，当负载变化使输出电流增加或减小，会引起输出电压发生很小的变化，则输出电压变化量与电流变化量之比，定义为稳压电源的输出电阻，用RO 表示。

RO =ΔVO /ΔIL ……………………………………………(2-8)

式中ΔIL =ILmax-ILmin (ILmax为稳压器额定输出电流，ILmin=0)。

  测量时，令Vi=常数，用直接测量法分别测出Ilmax时的Vo1和ILmin=0时的VO2，求出ΔVO，即可算出RO。

2.4.2.3纹波电压

纹波电压是指输出电压交流分量的有效值，一般为毫伏数量级。测量时，保持输出电压VO 和输出电流IL 为额定值，用交流电压表直接测量即可。

3、考虑过的方.1方案一

按照通常的设计方案，经变压器变压获得所需的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，整流电路有四个二极管（IN4001）组成；在此脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，选用两个2200uF/25V的电容用来滤波，案

3从而可以得到平滑的直流电压。

经滤波之后也并不能保证输出稳定的电压，它还会随电网电压波动、负载和温度的变化而变化，故在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路，这里采用LM317可变三端集成稳压器，稳压器内部含有过流、过热保护电路，用以稳定输出直流电压。

R1  与R2 组成电压输出调节电路，输出电压

Vo=1.25(1+R1/R2) ……………………………………(2-9)

R2的值为120Ω～240Ω，流经R2的泄放电流为5mA～10mA. R1为精密可调电位器，通过调节RP就能改变输出电压。选用一个型号为IN4181的二极管作为保护二极管，当输入端短路时，给输出电容C一个放电通路，防止C两端电压作用于调整管的be结，击穿损坏稳压器。电容C3与R1 并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。

   集成稳压器的输出电压VO与稳压电源的输出电压相同。稳压器最大允许电流ＩＣＭ﹤Io max ,输入电压Ui的范围为：

Ｕｏｍａｘ＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ≤Ui ≤Ｕｏｍin＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍax …(2-9)

式中，Ｕｏｍａｘ为最大输出电压；Ｕｏｍin为最小输出电压；（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ为稳压器的最小输入、输出电压差；（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍax为稳压器的最大输入、输出压差。

              图3.1  方案一完整电路设计

3.2方案二

具体变压方案与上述相同，根据桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。选择整流二极管IN5401，滤波电容C1为2200uF/25V的电解电容。如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33uF的旁路电容C2。接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。当C3的容量为10uF时，纹波抑制比可提高20dB，减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，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管而损坏稳压器。为了防止这种情况下C3的放电电流流过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定地工作。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1uF的钽电容或25uF的铝电解电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上该电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4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VD1。

                  图3.2  方案二完整电路设计

  总的来说，方案一的设计步骤清晰，简单明了，方案二与方案一基本类似，在经过考虑之后，决定采用方案一的电路设计形式，这个方案性能好、工作稳定、体积小、制作安装简单方便无论从经济方面还是从实际操作方面来说，同时结合方案二，在三端集成稳压器两端加一个保护二极管。完整的电路图如下：

                    图3.3  最后确定方案完整电路

 4、元件参数的选择

4.1选择变压器

由式 Ｕｏｍａｘ＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍｉｎ≤Ui ≤Ｕｏｍin＋（Ｕｉ－Ｕｏ）ｍax

                               9V+3V≤Vi ≤3V+40V

12v ≤Vi ≤43V

副边电压V2  ≥Vimin/1.1=12/1.1V ,取V2=15V，副边电流I2＞Iomax=0.8A ,取I2=1A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=11W。

变压器效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=15.7W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。

4.2选整流二极管及滤波电容

  整流二极管D选IN4001，其极限参数为VRM≥50V，IF=1A。满足VRM＞V2,IF=Iomac的条件。

滤波电容C可由纹波电压ΔV0pp和稳压系数SV来确定。已知，VO=9V，Vi=12V，ΔV0pp=5mA，SV=0.003，则可得稳压器的输入电压的变化量

ΔVi=ΔVOPPVi/VO SV=2.2V

滤波电容C=Ict/ΔVi=3636uF

电容C的耐压应大于V2=15.4V。故取2只2200uF/25V的电容相并联。

6．性能测试数据            

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。

6.1输出电压U0和最大输出电流Iomix的测量

稳压电源正常工作时能输出的最大工作电流，用Iomax表示，一般情况下的工作电流Io<Iomax.稳压电源内部应有保护电路，以防Io>Iomax时损坏稳压器。

6.2输出电压

同时测量Vo与Iomax.测试过程是：输出端接负载RL,输入端接220V的交流电压 数字电压表的测量值为Vo;使RL逐渐减小，直到Vo的值下降5%，此时流经负载RL的电流即为Iomax.

6.3纹波电压

叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。

 6.4稳压系数S 的测量

6.4.1稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即：

Sv=(V-Vo)/(Vi/VI)……………………………(6-1)

 6.4.2 电压调整率：输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

6.5输出电阻及电流调整率
   输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

5.电路安装与指标测试

 5.1安装整流滤波电路

  首先应在变压器的副边接入保险丝，以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查二极管是否接反，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），用滑线变阻器做等效负载，用示波器观察输出是否正常。

 5.2安装稳压电路部分

 集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器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U1（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RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。

5.3总装及指标测试

 将整流滤波电路与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：

5.3.1UI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）。

5.3.2UI为最低值，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。

7．实际调试过程

第一次焊接好电路，用示波器观察输出波形，得到直流输出，但输出电压可变范围为40mV～2.5V，电压偏低，不符合要求；同时观察到输出波形中纹波较大，不稳定。

之后改变滤波电容、抑制自激的容性负载C2以及电压调节电阻R2的值，观察输出波形的变化情况。发现负载电阻偏小，将负载由18Ω增加到470Ω，电阻R2由240Ω减小到120Ω，发现输出波形的稳定性明显改善，同时调节范围变为0～4.25V。考虑到电路带负载的能力有限，将负载去掉，再次测量输出电压，其可调范围变为0～15.16V。

8.收获与体会

8.1 从最开始着手准备资料，到近期课程设计的结束，以长达半个月之久。期间

让我感触最深的就是，理论和实践确实相差很多，即使我们可以把原理弄得很清楚，但当自己把元件拿到手，开始做实物时，又是另一回事儿，因为在做的过程中，我们会发现许多新的问题，是在理论学习中所没有考虑过的、没想过的。我们应该在实践操作中发现问题、寻找问题，而把自己闷在课本里是不会有质的飞跃的。当在实践中碰上问题时，就要想方设法去弄明白，因为这样才可能得到自己想要的结果，所以就应该利用身边可利用的资源去查阅资料，把问题解决。在这个过程中，我们会学到很多东西，掌握很多东西，了解许多书本上找不到的东西。通过本次直流稳压源的设计，我真正体验到了一个设计从前期的找资料到自己设计电路图，自己焊接，自己调试这样一个一个完整的设计过程。在这个过程里将以前所学的知识进行了综合的运用，发现了自己很多不足的地方，理论知识与实际应用之间的距离也充分的体现了出来。当然，更多的是掌握了许多经验，为以后的设计打好基础。

8.2 焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于

8.3测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。

8.4注意LM317芯片的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性，不应反接。

8.5 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。

9.元件清单

10.参考文献：

《电子技术基础 实验与课程设计》高吉祥 主编  电子工业出版社

《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编  华中科技大学出版社

《模拟电子技术基础》吴友宇 主编 清华大学出版社

《电子技术基础课程设计》，康华光主编，高等教育出版社

张蓉:振动和波动（8题）：  P64：例7.1 和7.3；     P177：10； P179：12；     P183：10和11  P185：12和13；   光学（12题）：  P75：例8.1和8.3；     P76：例8.5；    P193：11和12；              P195：14；   P197：15和16  P201：10和11；P203：12   P209：9    量子物理（8题）：   P87：例10.1和10.2；P217；12   P219：13和14                    P221：15；        P223：17 和18

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