直流可调恒流源设计

2013年3月

直流可调恒流源设计

学生：徐乐 指导教师：王留留 电气信息工程学院自动化专业

1课程设计的任务与要求 1.1 课程设计的任务

设计一个直流可调恒流源电路。通过调节线性电位器，产生可控恒定电流,当固定时产生恒定电流。 1.2 课程设计的要求

设计一个简易可调恒流源产生电路,满足日常生活对恒定电流的需要 (1)输入（AC）：U=220V，f=50HZ。 (2)输出电流稳定，在一定范围可调。

(3)设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。 (4)自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量。 (5)在Multisim软件上画出电路图，并仿真和调试，并测试其主要性能参数。 1.3 课程设计的研究基础 电子技术基础（模电部分）

变压器、整流电路、滤波电路、稳压芯片、镜像电流源的工作原理 2 直流可调恒流源系统方案制定 2.1 方案提出 方案一

(1)电网提供交流220V(有效值)频率为50Hz的电压，要获得低压直流输出，首先

必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

(2)降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大。 (3)脉动大的直流电压经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤

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掉，保留其直流成份。

(4)滤波后的直流电压，再通过稳压经可调恒流源电路，便可得到可调的恒定直流

电流输出，供给负载RL。 方案二

(1)将交流电220v电压转化为可调恒压源输出。包括降压器、整流电路、滤波稳压芯片、取样电路。 (2)电压电流转换电路。

(3)两电路整合，将220v电压转化为可调恒流源。 2.2 方案论证

第一种方案是直接设计直流可调恒流源电路，只有一个电路。第二种方案是通过电压电流转换电路，将两个电路整合，要设计的电路比较多。第一种方案比较简单，通过比较选择第一种方案。 3 直流可调恒流源系统方案设计 3.1各单元模块功能介绍及电路设计

直流恒流电源是一种将220V交流电转换成恒流输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、恒流四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波稳压电路及恒流电路所组成，基本框图如下：

T 整 流

滤 波 恒 流

负

载

图1 系统框图

(1) 电源变压器：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。变压器的变比由变压器的副边确定，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）整流电路：利用单向导电元件，将50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电路。

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图2 整流电路图

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除。滤波电路滤除

较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波，桥式整流滤波等。

图3 滤波电路图

(4)稳压电路:虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

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图4 稳压电路图

（5）镜像电流源[1]：电源 Vcc通过电阻R和VT1产生一个基准电流 I ref，然后通过镜像电流源在VT2的集电极得到相应的Ic2，作为提供给某个放大器的偏置电流。

Ib1Ib2Ib (3-1) Ic1Ic2Ic (3-2) Ic1Ic2Iref2IbIref2(Ic2/) (3-3)

Ic2Iref[1(12/)] (3-4)

当β>>2时，可得：

Ic2Iref[VccUbe1]R (3-5)

由于输出恒流Ic2和基准电流基本相同他们如同镜像的关系所以这种恒流电路称为镜像电流源。

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图5 镜像电流源电路图

3.2电路参数的计算及元器件的选择 （1）变压器副边电压U2：

要求输出电压范围为1.25V-15V,所以Uomin1.25VUomax15V

因为UiUomax(UiUo)min,UiUomin(UiUo)max (3-6) 其中：(UiUomax)min1.2V,(UiUomin)max37V 所以16.2Ui38.25 此范围可选：Ui24V

根据Ui(1.1~1.2)U2 (3-7) 可得变压的副边电压U2Ui/1.220 (2)变压器副边电流I2：

I2(1.5~2)Iomax,Iomax150mA (3-8) 所以I21.5150mA225mA (3) 选择变压器的功率

变压器的输出功率：PoI2*U24.5W (3-9) 变压器选择220转20V的，输出功率10W的。

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(4)整流电路中的二极管

因为变压器的副边电压U220V

所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：1.14U222.83V 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：Iomax/275mA 查资料选1B4B42整流堆,其参数为：反向击穿电U100600V22.83 最大整流电流IF1A125mA。[2] (5)滤波电容的选择

为得到较平滑的负载电压，要对整流后的波形进行滤波，一般取RLC(3~5)T/2式中，T为交流电源电压的周期。由上式可以解得 C(3~5)T/2 RL800uF，电容进行充放电时，其电压可达到最大值约为1.4U222.83V,所以选择电容为400uF,耐压值大于22.83的。 (6)三端集成稳压器电路

LM317组成的基准电压源电路，电容C4用于消除输出电压中的高频噪音 取500nF的电容。输出端和调整端之间的电压值为1.25V。输出电流可达1.5A。由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为

Uo(1R3/R1)1.25V (3-10)

在R3上并联一个10μF电容C3,可以减少R3上的波纹，但是，在输出开路时，C 将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D3，提供一个放电回 路，D1,D3起保护作用。[3]

由于LM317工作时必须大于其最小工作电流5mA，所以一般R1240,在此令

R1120，根据上式可以求出R3max1.6K.

(7)镜像电流源：电源 Vcc通过电阻R和VT1产生一个基准电流Iref，然后通过镜像电流源在VT2的集电极得到相应的Ic2，作为提供给某个放大器的偏置电流。

Ib1Ib2Ib (3-11)

Ic1Ic2Ic (3-12)

Ic1Ic2Iref2IbIref2(Ic2/) (3-13)

得：Ic2Iref[1(12/)] (3-14)

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当β>>2时，可得：

Ic2Iref[VccUbe1]R (3-15)

3.3 特殊器件的介绍

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。

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。[4]

3.4系统整体电路图

图6 系统整体电路图

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4 直流可调恒流源系统仿真和调试 4.1 仿真软件介绍 Multisim10简介 Multisim工作界面

图7 Multisim工作界面图

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4.2 系统仿真实现 Multisim仿真

图8 系统仿真图

封装图

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图9 PCB封装图 4.3 系统测试 实验现象：

（1）、滑动变阻器电阻不变，负载变化时，观测到电流不变 ⑵、滑动变阻器电阻变化，负载变化与否时，电流呈线性变化

4.4 数据分析

Ui/V 2 3 4 5 6 7 Ui/V 8.37 12.27 17.6 21.05 24.45 31.27 理论电压电流关系为：I=4.54*Ui。实验数据的线性关系为：I=4.5083*Ui，在误差范围内，证明实验已成功。 5 总结 5.1 设计小结

在实验之前要根据实验要求，确定好基本方案，参阅与实验有关的文献，了解实验原理。确定好需要哪些元器件，绘制好框图和电路图，计算每一部分的元件参数，在仿真电路图中设置好参数，通过仿真，观测数据，调试使元件数值达到要求。比较实际实验结果和理论的结果，分析误差原因，找出解决的方法，尽可能地减小误差，得出实验结果与理论值相似的数据。

5.2 收获体会

通过这次的课程设计，我了解了直流可调恒流源电路的组成和工作原理，通过

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计算参数，选择合适的元器件来设计电路，此次课程设计用到了模拟电路的知识，将书本上的知识真正地用到实际电路设计中。此外我还学习了此次课程设计用到的两个仿真软件Multisim仿真软件和Altium Designer ，仿真软件直观的捕获界面、简洁明了的操作、强大的分析测试帮助我很顺利地完成实验。

6参考文献

[1]康华光，电子技术基础（模拟部分）（第五版）[M].高等教育出版社，2006. [2]康华光，电子技术基础（数字部分）（第五版）[M]．高等教育出版社，2006. [3]陈大钦，电子技术基础实验——电子电路实验、设计、仿真（第二版）[M] [4]卢结成，电子电路实验及应用课题设计[M].中国科学技术大学出版社. [5]鹏介华，电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社，1997.

[6]Wayne Tomasi.Advanced Electronic Communications Systems[M].电子工业出版社，2004,6 [7] 李东生,左洪浩等 . Multisim系统设计及仿真入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2002 [8]周润景，张斐.数字信号处理的Multisim设计与分析[M].北京航空大学出版社，2008 [9]李文生等.低压电器[J].中山：电子电子科技大学中山学院，2008. [10]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].西安电子科技大学出版社,2003,1

7器件清单

表1参数设置表格

元器件 万用表 电容 三极管 电阻 滑动变阻器 稳压芯片 电源 变压器 整流电桥

型号 安培表 1mF PNP 100欧 200欧 LM317 220v 1B4B42 数目（个） 1 1 2 1 1 1 1 1 1 第 10 页

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指导教师评语 第 11 页

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成绩 评定 指导教师签字： 年 月 日 答辩小组评语 成绩 评定

答辩小组签字： 年 月 日 第 12 页