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LM317可调稳压直流电源电路设计与制作

发表时间:2015-4-25  作者:admin  浏览次数:25890  
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LM317可调稳压直流电源电路设计与制作

江西冶金职业技术学院  刘昆山 刘星慧

我们主张,电子初学者要采用万能板焊接电子制作作品,因为这种电子制作方法,不仅能培养电子爱好者的焊接技术,还能提高他们识别电路图和分析原理图的能力,为日后维修、设计电子产品打下坚实的基础。

上一篇文章《基于555定时器闪光电路设计与制作》我们重点介绍了555定时器的结构、引脚功能以及构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等电路,介绍了集成电路的使用方法及利用多谐振荡器产生的脉冲信号控制二个发光二极管实现闪光电路。本文完成本作品的主要目的是为了掌握变压器降压、二极管整流、电容滤波、LM317稳压等工作原理。

一、LM317可调稳压直流电源电路功能介绍

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一,它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式,又具备输出电压可调的特点。此外,还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

其主要性能参数如下:

输出电压:1.25-37V DC

输出电流:5mA-1.5A

芯片内部具有过热、过流、短路保护电路;

最大输入-输出电压差:40V DC,最小输入-输出电压差:

3V DC;使用环境温度:-10-+85 

我们用万用板设计的LM317可调稳压直流电源电路成品如图1所示。


220VAC市电经变压器降压,二极管桥式整流,电容C2滤波后,送入LM3173脚(输入端),第2脚(输出端)输出稳定的直流电压。第一脚为调整端,调整端与输出端最低的基准电压为1.25V。调节RP1可改变输出电压。

输出电压的计算公式位:UO=1.251+RP1/R2)。也就是1脚电压为0V的时候,输出1.25V

C1用于滤除由市电引入的干扰电压,C2为滤波电容,C3用于旁路基准电压的纹波电压,提高电源的纹波抑制性能,D6D7是保护二极管,R1D5为工作指示电路。

二、LM317可调稳压直流电源电路原理图

图 2 LM317可调稳压直流电源电路原理图

三、LM317可调稳压直流电源电路工作原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置,它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如下:

 

图 3直流稳压电源的原理框图和波形变换图

1、降压部分

电源变压器是降压变压器,它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器的变比由变压器的副边按比例确定,变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n,式中n是变压器的效率。

2、整流部分

该设计采用单相桥式整流电路。其由四只二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压u的整个周期内,负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目的,需要在Uz的正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变,设变压器副边两端分别为ab,则a“+”b时应有电流流出a点,a”b“+”时应有电流流入a点;相反,a“+”b时应有电流流入b点,因而ab点均应接两只二极管,以引导电流,具体电路原理如图4所示。

图 4 单相桥式整流电路

如果桥式整流电路变压器副边中点接地,就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。根据桥式整流电路的工作原理,当a点为“+”b点为时,DlD3导通,D2D4截止,U01=U2U02=U2;而当b点为“+”a点为时,D2D4导通,D1D3截止,U01=U2U02=U2,这样两个负载上就分别获得正、负电压。

若设变压器副边电压u2=U2sinwtU2为其有效值。当u2为正半周时,电流由a点流出,经DlRLD3流入b点,因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压,即uo=u2D2D4管承受的反向电压为一u2。当u2为负半周时,电流由b点流出,经D2RLD4流入a点,负载电阻RL上的电压等于一u2,即uo=u2D1D3承受的反向电压为u2。这样,由于D1D3D2D4两对二极管交替导通,致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,则输出电压uo=| U2sinwt|

3、滤波电路

经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。可利用电容的通交流,隔直流的特性,在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器,滤去其中的交流成分。

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。如果将两个滤波电容相连接,且连接点接地,就可同时得到输出电压平滑的正负电源。

在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压相等。而当其上升到峰值后开始下降,电容便通过负载电阻放电,其电压也开始下降,趋势与电容两端电压基本相同。但是由于电容按指数规律放电,所以当其下降到一定数值后,电容将继续通过负载放电,电容两端电压按指数规律缓慢下降。

总之,在电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器电阻和二极管的导通电阻,其数值很小,因而时间常数很小。电容放电时,回路电阻为RL,放电时间常数RL*C通常远大于充电的时间常数。因此滤波效果取决于放电时间。电容愈大,负载电阻愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。换言之,当滤波电容容量一定时,若负载电阻减小(即负载电流增大),则时间常数RL*C减小,放电速度加快,输出电压平均值即下降,且脉动变大。故在此选择一个滤波电容2200。输出电压的平均值U与放电时间常数RL*C有关。RL*C越大,电容器放电速度越慢,则输出电压所包含的纹波成分越小,U0越大。为获得平滑的输出电压,一般取放电时间常数为:


式中:T为交流电的周期,在滤波电路放电时间常数满足上式的关系时,可用下式对输出电压的平均值约为电容两端电压的12倍。滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算时,其波形近似为锯齿波,此时脉动系数S可按下式近似估算,其中T为电网电压的周期。


当滤波电容选定后,输出电压平均值U0和输出电流平均值I0的关系称为输出特性,脉动系数S和输出电流平均值I0的关系称为滤波特性。电容滤波电路如图5。输出特性和滤波特性如图6所示。


图5 电容滤波电路图


图6 输出特性级滤波特性

曲线表明,电容愈大电路带负载的能力愈强,滤波效果愈好;电流平均值愈大(即负载电阻的RL愈小),电压平均值愈低,S的值愈大。为减小输出电压的脉动成分,采用的滤波电容器的容值越大越好,交流电源的频率越高越好。目前在计算机、电视机等电子设备中采用了高频整流电源,它的滤波电容的容量就比50赫兹工频交流电的滤波电容小得多。

4、稳压电路

稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化,会引起其电流有很大变化这一特点,通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。

LM317可调式三端稳压电源能够连续输出可调的直流电压。不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路。由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R)

5、集成三端稳压器LM317

  LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压高得多的纹波抑制比。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%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,标准三极管封装。

LM317其特性参数:

可调范围为1.25V-7V

最大输出点流为1.5A

输入与输出工作压差为3V-40V

输出表达式为:

其中,是集成稳压器件的输出电压,为1.25V。如图2所示,改变RP1的值,Uo的值即可改变。当RP1短路时,Uo最小,为1.25V;当RP1大于零时,Uo都大于,最大可达37V

LM317可调式三端稳压器有三个引出端,分别为输入端、输出端和电压调整端(简称调整端)。调整端是基准电压电路的公共端,其典型值为125V。其典型线性调整率为0.01%,负载调整率为0.1%,80dB的纹波抑制比,其工作温度范围为o℃+125℃
    LM317
可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线上产生误差电压。

6、电源变压器

  (1)确定副边电压U2

  根据性能指标要求:

 

其中:   

此范围可任选:

   根据  

     可得变压的副边电压:

   (2)确定副边电流

      又副边电流 

      则

   (3)选择变压器的功率

     变压器的输出功率:

7、整流电路中的二极管

 变压器的伏变电压

桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为:

桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为:

查手册选整流二极管IN4007,其参数为:

反向击穿电

   最大整流电流

8、滤波电路中滤波电容

1)求

根据稳压电路的稳压系数的定义:

设计要求   

代入上式,则可求得

2)求滤波电容C

 设定

所以滤波电容:

电路中滤波电容承受的最高电压为,所以所选电容器的耐压应大于17V.

为了减小电位器上的纹波电压,可在其上并联了一个lo的电容,由于电容容量较大,一旦输入端断开,电容将从稳蘸器输出端向稳压器放电,易使稳压器损坏,因此在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管,并置在输出短路时,曦套将向稳压器调熬端放电,并使调整管发射结反偏,为了保护稳压器,故加一个二极管。利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生壹激振荡,其容量较小,一般小于1,故在此选择0.1

 

 

 

 

 

四、LM317可调稳压直流电源电路元件清单及实物图

5-LM317可调稳压电源电路元件列表及价格

序号

名称

代号

规格

数量

备注

1

电阻

R1

10K

1

2

电阻

R2

220

1

3

电位器

RP1

5K塑柄

1

4

整流二极管

D1-D4

IN4007

4

5

发光二极管

D5

3MM红色

1

6

二极管

D6,D7

IN4148

2

7

瓷片电容

C1

1040.1UF

1

8

电解电容

C2

50V/2200UF

1

9

电解电容

C3

25V/10UF

1

10

电解电容

C4

50V/470UF

1

11

变压器

T1

220V/6.3VX2

1

换成5W

12

稳压LM317

IC1

ST/LM317

1

13

万能板

玻纤板9*15

1

14

鳄鱼夹

小号红黑一对

1

15

输出电源线

红黑各30CM

1

16

专用铜导线

0.5铜导线

1

17

焊锡

凯纳0.8

2

 

LM317可调稳压直流电源电路清单实物图

 

五、LM317可调稳压直流电源电路安装与调试

LM317可调稳压直流电源电路安装成功后,接上市电220V交流电后,电源指示灯被点亮,从输出端输出可调的直流电压1.25V12V,调试效果如下图所示:

LM317可调稳压直流电源电路产品图正面

LM317可调稳压直流电源电路产品图反面

经常出现的故障及检修方法如下:

1、电源指示灯不亮,没有直流电压输出,或者电压输出不可调等。

2、首先根据原理图检查线路,用万用表检测每条线路,确保线路导通。

3、用万用表交流250V电压档测变压器输入端的电压是否有220V

4、我们提供的是5W9V输出变压器,使用变压器的第12根线,第3根线不接。用万用表直流50V电压档测变压器输出端的电压是否有9V。如果接成了第13根线,输出电压就是18V,会烧坏LM317芯片的。还有一种是3W的双6V输出变压器,那么就接第13根线,第2根不接,输出电压是12V

5、用万用表直流50V电压档测整流输出的电压,也就是LM317的输入端(3脚)有没有电压。

6、用万用表直流10V电压档测调整端的电压,也就是LM317的调整端(1脚)的电压,旋转可调电阻,看看电压是否可调。如果不可调,可调电阻损坏或者R2没有接到可调电阻上。

7、用万用表直流50V电压档测输出端的电压,也就是LM317的输出端(2脚)的电压,旋转可调电阻,看看电压是否可调。

如果不可调,可能是集成芯片LM317损坏。

如果输出电压一直是5.6V,或者4V左右,可能是集成芯片LM317损坏。

六、作业自我检测

按照LM317可调稳压直流电源电路设计与制作任务书完成工作任务。

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