交流变换为直流的稳定电源设计方案

交流变换为直流的稳定电源设计方案1.1.设计目的及意义本次设计的直流稳压电源和直流稳流电源具有较高的实用价值。

通过本次设计让我充分理解了直流稳压电源和直流稳流电源的工作原理，了解其工作特点以及目前市面上一些直流稳定电源存在的一些缺陷。

通过设计尽量去完善直流稳定电源系统。

使得这个电源在使用的时候尽量便捷，尽量直观。

在一系列的设计过后能够使自己初步形成工程设计的基本思想和一般设计方法。

此外通过本次设计让我学到了一些东西：较熟练的掌握了电子线路仿真软件（Multisim2001）的使用。

1.2.设计的任务及要求要求完成的主要任务:设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

基本要求：（1）稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化围＋15%～－20%条件下：a．输出电压可调围为+9V～+12Vb．最大输出电流为1.5Ac．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化围＋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）2.设计方案2.1.直流稳压电源电路设计2.1.1.晶体管串联式直流稳压电路该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。

因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。

单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

2.1.2.采用三端集成稳压器电路该电路采用输出电压可调且部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。

该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

2.1.3.用单片机制作的可调直流稳压电源该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得0～24 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。

稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及外围器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。

电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。

电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。

掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V围的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。

在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。

2.2. 最终决定的直流稳压电源电路设计方案最终，我决定采用第二种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源，主要因为它的使用非常简单，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。

LM117/LM317 置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

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。

电路图如下：图1 LM317集成稳压电路317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调围为1.2~37V，最大输出电流为1.5A。

满足设计需要。

图中R1，R2，电位器组成电压输出调节电路，电容C1 /C2/ C3为滤波电容，电容C4与电位器并联组成输出滤波电容，减小输出的纹波电压。

二极管D5的作用是防止输出端与地短路时，电容C2上的电压损坏稳压器。

2.3.直流稳流电源电路设计2.3.1.高精度恒压恒流直流稳压电源电路该电路可以实现稳流输出，但毫无疑问的是过于复杂，精度极高，超出题目要求及制作条件，故不予考虑。

2.3.2.LM317构成的可调稳流源电路用12V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。

2.4 .最终决定的直流稳流电源电路设计方案最终我决定采用第三种设计方案，用LM317制作这一电路简单易行，在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。

图2 LM317集成稳流电路3.硬件电路设计3.1.电路图与主要工作原理经过仔细研究，我决定采用如下电路制作稳定电源实物。

图3 整体设计电路图3.1.1. 稳压模块工作原理本电路的稳压电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将220V-18V变压器变出的18V交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电压，在经过滤波电容减小电压脉动，最终经过LM317稳压后得到稳定的 1.25V 带隙电压。

再依靠R1电阻固定电流，经R2与RP1调整输出端的电压。

达到输出稳定可调电压的要求。

3.1.2.稳流模块工作原理本电路的稳流电源模块采用了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 稳定电压转换为输出端的4-20mA 的稳定电流。

由稳压源供电，仍然是依靠LM317的带隙电压，通过R4与R5电阻的调节控制输出端电流，实现稳定输出可调电流的题目要求。

3.2.主要参数的选择与计算稳压电源电源变压器的选择电源变压器的作用是将来自电网的220V 交流电压u 1变换为整流电路所需要的交流电压u 2。

电源变压器的效率为：其中2P 是变压器副边的功率，1P 是变压器原边的功率。

一般小型变压器的效率如表1所示：因此，当算出了副边功率2P 后，就可以根据上表算出原边功率1P 。

由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值()V U U o I 3min =-，输入电压与输出电压差的最大值()V U U o I 40max =-，故LM317的输入电压围为： max min min max )()(o I o I o I o U U U U U U U -+≤≤-+即 V V U V V I 409312+≤≤+V U V I 4915≤≤V U U in 6.131.1151.1Im 2==≥， 12P P =η输入电压变化围在＋15%～－20%条件下也满足，则178.06.132=≥=U 取 V U 182=变压器副边电流： A I I o 5.1max 2=>，取A I 6.12=，因此，变压器副边输出功率： W U I P 8.28222=≥ 由于变压器的效率7.0=η，所以变压器原边输入功率WP P 4121=≥η，为留有余地，选用功率为W 43的变压器。

整流二极管和滤波电容的选择 由于：V U U RM 2.2115222=⨯=>，A I 5.1max 0=。

IN5401的反向击穿电压V U RM 50≥，额定工作电流max 03I A I D >=，故整流二极管选用IN5401。

滤波电容根据 300103,5,18,12--⨯==∆==v p p I S mV U V U V U ，和公式常数常数==∆∆=o I T I I v U U U U S 00 可求得： V S U U U U v Ip op I 5.21031218005.030=⨯⨯⨯=∆=∆-- 所以，滤波电容：uF F U T I U t I C I I c 6000006.05.2215015.12max 0==⨯⨯=∆⋅=∆=电容C 的耐压要大于V U 2.2115222=⨯=，故取3只／F μ2200V 25的电解电容相并联。

电阻和电位器的选择输出电压表达式为:⎪⎭⎫ ⎝⎛++=121125.1R R RP U o 式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压REF V ，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP1，电阻RP1常取值ΩΩ240~120，根据LM317输出电压表达式，取：RP1=500 Ω，R1=210 Ω,R2=1.3k Ω。

我们1RP一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。

图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

LM317其特性参数：输出电压可调围：1.2V～37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差ΔU=Ui -Uo：3～40V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

稳流电源Ω=+=5.9702.0/)7.025.1(1R选Ω=911RΩ=-+=5.39691004.0/)7.025.1(RPΩ=500RP选4.仿真及分析4.1.稳压模块的仿真改变滑动变阻器的值，可以得到9~12V的直流电压，且电压的值随负载的改变量很小，满足要求。

图4.1 稳压模块仿真图图4.2 稳压模块仿真图图4.3 稳压模块纹波图4.2.稳流模块的仿真改变滑动变阻器阻值，可得到4~20mA的直流电流，且电流的值随负载的改变量很小，满足要求。

图5.1 稳流模块仿真图图5.2 稳流模块仿真图图5.3 稳流模块仿真图4.3.数据整理及最终分析4.3.1.稳压模块的数据结果稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化围＋15%～－20%条件下：a．输出电压可调围为+9.072V～+12.073Vb．最大输出电流为1.506Ac．电压调整率为0.177%（输入电压220V变化围＋15%～－20%下，空载到满载）d．纹波电压（峰-峰值）0.25mV（最低输入电压下，满载）e．效率43.36%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）4.3.2.稳流模块的数据结果如图所示，稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：a．输出电流：3.121～20.257mA可调b．负载调整率为4.92%（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）4.3.3. 整体分析由以上数据可知，本次设计基本成功，但在细节处与要求有一定得偏差，分析原因主要在于，一些元件的参数与计算值有一定得偏差，且温度等外部因素也对结果产生一定影响。