可调直流稳压电源
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指导教师：
学 院：电气信息学院
日 期：2014/1/9
前言
本次设计是通过变压器将220V交流电，经过整流桥和前级滤波电路以及LM317、LM337的稳压及可调功能最后经由后级滤波电路，形成从正负1.25到正负18V可调直流电压源；同时本设计经由自己动手设计并包装完成。 关键词：变压器 整流桥 滤波 LM317 LM337。
目 录
前言 .................................................................................................................................................. 1
第一章 设计目的与方案 ............................................................................................................... 3
1.1设计目的 ............................................................................................................................. 3
1.2设计方案 ............................................................................................................................. 3
1.2.1方案一 ...................................................................................................................... 3
第二章 电路仿真 ........................................................................................................................... 4
2.1元器件说明 ......................................................................................................................... 4
2.2理论计算 ............................................................................................................................. 9
第三章 实物电路设计 ................................................................................................................. 10
3.1电路模块 ........................................................................................................................... 10
3.1.1模块一：变压电路 ................................................................................................ 10
3.1.2模块二：整流部分 ................................................................................................ 11
3.1.3模块三：前级滤波部分 ........................................................................................ 12
3.1.4模块四：稳压部分 ................................................................................................ 13
3.1.5模块五：后级滤波部分 ........................................................................................ 14
3.2仿真与设计总结 ............................................................................................................... 15
第四章 设计总结 ......................................................................................................................... 17
附 表 ............................................................................................................................................ 18
附表一 电路所用元器件 ....................................................................................................... 18
附表二 实物图 ....................................................................................................................... 19
第一章 设计目的与方案
1.1设计目的
设计一个输出电压连续可调的集成稳压电源，输出电压在+/-1.25-- +/-20V之间连续可调，输出最大电流可达1.1A。要求制作产品并调试。
1.2设计方案
1.2.1方案一
本设计采用变压器将220V交流电转换成12V的交流，然后12V的交流经过桥式整流电路将交流整成直流，再经过电容的充放电和滤波调整波形，之后由LM317和LM337为主要器件组成的稳压电路将电压稳定在一定范围内，最后经过此案容的二次滤波，输出+/-1.25--+/-20V之间的可调直流电压。
第二章 电路仿真
2.1元器件说明
三端稳压器
主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。本次设计主要用到的是LM317和LM337。
LM317
LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。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。内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到输入端的连线超过 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。LM317能够有许多特殊的用法。比如 把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
特性简介：可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。 电压范围：LM317 1.25V 至 37V 连续可调。
工作原理：输入最大电压为30多伏，输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个
引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容。
LM317标准应用：
图2-1-1 LM317的标准应用电路
当稳压器离电源滤波器有一定距离时Cin是必需的，Co对稳定性而言不必要，但改进瞬态响应
输出电压计算公式：Vout=1.25（1+R2/R1）+IadjR2
实物图
图2-1-2 LM317实物图
LM337 LM337是比较常见的降压型线性稳压器,目前市面上有很多家有提供同型号性能相近的产品。意法半（ST）、安森美（Onsemi，老牌子是摩托罗拉），国半（NS）、德州仪器（TI）、凌特（Linear）以及其它国内产品，同一品牌可能有不同的外观和品质，这点需要注意。如果要构成对称双电源输出，最好挑选同品牌同一生产批号的产品。
LM337 的输出电压范围是 -1.2V 至 -37V，负载电流最大为 0.4~2.2A。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。LM337 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常 LM337 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM337 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。
LM337 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过 LM337 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
为前置级音响电路、精密电路、电子制作等对电源要求实现高精度供电的电路，其内阻小，电压稳定，噪音极低，输出纹波小（输出端仅用100uf），能有效的保证电路的高度稳定工作，提高瞬态特性和高频特性。
特性简介
典型线性调整率 0.01%。
典型负载调整率 0.1%。
80dB 纹波抑制比。
输出短路保护。
过流、过热保护。
调整管安全工作区保护。
输入输出最小压差降为0.2V
封装形式：TO-220 塑料封装，TO-3 铝壳封装，TO-202 塑料封装，TO-39 金属封装
LM337是LM317的负电压版本。
LM337
的典型应用和实物图：
变压器 图2-1-3 LM337典型应用电路 图2-1-4 LM337实物图 变压器在电器设备和无线电路中，变压器常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器的最基本形式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。主要产品有：变压器系列（单相、三相电源变压器、单相及三相自耦变压器，机床控制变压器，启动自耦变压器，节能变压器，斯考特变压器，三相变单相，单相变三相，UPS变压器等非标变压器）、电抗器系列（变频器用输入、输出电抗器、直流平波电抗器、串并联电抗器，滤波电抗器，空心电抗器等）、 滤波器系列
基本组成：变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
工作原理：变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
技术参数:初级电压： 440V/415V/380V/220V/200V（客户指定） 次级电压：380V/220V/200V/110V/100V/36V/24V/12V/6.3V/3.6V(客户指定)
工作频率：50/60Hz
绝缘等级: T40/B(130℃);T40/F(155℃); T40/H(180℃)@50Hz&额定电流 抗电强度：P-S /1min无击穿及闪络
P-E 2500V/1min2500V无击穿及闪络
绝缘电阻：≥100MΩ
冷却方式：空气自冷（风冷）
联结方式：Y/Y Y/△ △/Y 客户指定
温升限值：铁芯不超过80K（温度计法），线圈温升不超过80K（铂电阻法）。 工作噪音：小于60dB(与变压器水平距离点1米处)
电压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级。
在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2
U1/U2=N1/N2
式中n称为电压比（圈数比），当n>1时，则N1>N2，U1>U2，该变压器为降压变压器。反之则为升压变压器.
另有电流之比I1/I2=N2/N1
电功率P1=P2
注意：上面的式子，只在理想变压器只有一个副线圈时成立。当有两个副线圈时，P1=P2+P3，U1/N1=U2/N2=U3/N3，电流则须利用电功率的关系式去求，有多个时，依此类推。
主要分类：一般常用变压器的分类可归纳如下：
1、按相数分：
1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。
2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。
2、按冷却方式分：
1）干式变压器：依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。
2）
油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
3、按用途分： 1
）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。
2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。
3）试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。
4）特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。
4、按绕组形式分：
1）双绕组变压器：用于连接电力系统
中的两个电压等级。
2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。
3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。
5、按铁芯形式分：
1）芯式变压器：用于高压的电力变压器。
2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。
3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
两种变压器的实物图：
图2-1-5 中型变压器 图2-1-6 小型变压器
桥式整流
原理：桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。
图2-1-7桥式整流电路的典型接法
如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。
桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。
半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。 桥式整流器 BRIDGE RECTIFIERS，也叫做整流桥堆。
桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。
选择和运用:
需要特别指出的是,二极管作为整流元件,要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当,则或者不能安全工作,甚至烧了管子,或者大材小用,造成浪费。
本次设计对桥式整流的精度要求不是很高，故次模块用四个二极管1N4007按所需的桥式整流电路图连接而成。
2.2理论计算
电解电容的大小选择：
因为要求最大输出电流为Imax=0.5A，而整流桥输出的最大输出电压为17V，故最大负载电阻Rmax=17/0.5Ω=34Ω。要求t=RC>T=1/50=0.02s，故C>0.02s/34Ω=0.0006F=600uF，出于电路稳定性的考虑，应选用大于理论值的数据，故选用1000uF的电容。
实际输出电压的范围值估算：
1.25V/240=(U0—1.25)/R，因为滑动变阻器R的阻值变化范围为0~5k，所以输出电压的变化范围为0~27.3V。
第三章 实物电路设计
3.1电路模块
3.1.1模块一：变压电路
图3-1-1 变压电路
功能：调整电压大小,将220V的电压调整到12V，理论波形应该是一个周期20ms，峰值电压为12√2V=17V的正弦波形。
此时的理论波形为：
图3-1-2 变压器二级线圈理论波形
实际波形为：
图3-1-3 变压器二级线圈实际输出波形
测量波形时不能连接电路的，以免影响正弦波的波形，所以在焊接电路时应先焊接变压器部分，并将其波形测出，再进行接下来的电路焊接。
观察此时的实际波形可以看出，实际波形的峰值约为19V，大约理论计算的17V，分析其原因：1.变压器本身匝数比和所标识的电压比之间并不相等，也就是说器件本身存在误差；2.交流电部分供电的电压的有效值并不是220V，是略大于220V的。 3.1.2模块二：整流部分
图3-1-4 整流部分
功能：整流，将交流电转换成直流电。
此时的正相实际波形应该是整流桥将变压器输出波形第4象限的波形镜像到第1象限。幅值不变，周期变为之前的一半，
理论波形如下： 实际测得的正向波形为：
图3-1-5 整流桥正向输出波形 图3-1-6 整流桥正向输出波形
实际波形周期为20ms，幅值约为20V。反相波形亦是如此。
此时的反相实际波形应该是整流桥将变压器输出波形第1象限的波形镜像到第4象限。幅值不变，周期变为之前的一半，
理论波形如下： 实际测得的反向波形为：
图3-1-7 整流桥反向输出波形
图3-1-8 整流桥反向波形
3.1.3模块三：前级滤波部分
图3-1-9正向1000uF初始电压充电波形
由波形可以看出，在首次充电时，电容的电压逐渐上升，并稳定在大约16V左右。
稳定后的波形如下图：
图3-1-10 正向1000uF电压稳定波形
3.1.4模块四：稳压部分
图3-1-11 正向稳压部分
功能：稳压，调节输出电压的大小。
稳压部分是本次设计的核心部分，稳压器件的选择是根据设计要求的调整电压范围来选用，本次设计要求的输出电压范围是1.25~20V左右，故选用可调稳压器件LM317，其稳压范围是1.25~37V，满足本次试验要求的电压范围。LM317的输出电压计算公式在元器件介绍中已经给出，这里不再累述。
另外，为了防止LM317输出电压高于输入电压是损伤器件，故在输入、输出端反接一个二极管，保护稳压器件。在240Ω电阻两端反接的二极管也是为了在输出端电压过高时通过二极管把多余的电流释放出去。
稳压后的波形：
图3-1-12 LM317输出的充电波形
由波形可以看出此时的充电波形已经接近稳定，稳定在16V左右。 3.1.5模块五：后级滤波部分
图3-1-13 后级滤波电路
功能：对从稳压电路出来电压进一步过滤，以达到输出更为理想的直流电压。主
要起缓冲波形的作用，这里选用470uF的电解电容。 此时的波形大致趋于稳定，其充电过程如图：
图3-1-14 输出的初始充电波形
3.2仿真与设计总结
图3-2-1 总仿真图
调试：在仿真与实际检测之间总会存在误差值，像由于供电电压不稳定、变压器标示变压范围和实际变压范围之间的差距。所以要求我们在测量时注意调整测量的精度。由上面测得的几个实际波形图也可以推断，电容充电的波形在经过稳压、二次滤波后，波形逐渐变得平滑，应趋向于一条平稳的直线。
第四章 设计总结
本次电源设计是做一个集成稳压可调电源，本次课程设计把重点放在电路的设计、制作和调试上。大家都知道，在电路运用日趋广泛的情况下，独立运用一个集成电路中的某一部分的元件运用逐渐减少，因此本设计的主要在于桥式整流电路、滤波电路、稳压电路的运用和选择上，理解并学会调整电路的各部分器件的参数，以适应不同的设计需要。
附 表
附表一 电路所用元器件
附表二 实物图