電路綜合實(shí)驗(yàn)—直流恒流源設(shè)計(jì)

恒流源又叫電流源、穩(wěn)流源，它是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，理想的恒流源具有以下特點(diǎn)：電流不因負(fù)載變化而變化；不因環(huán)境變化而變化；內(nèi)阻為無(wú)窮大。本課題以LM317H芯片為核心控制器，通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)電壓值大小，產(chǎn)生可調(diào)恒定電流，當(dāng)保持電位器位置恒定時(shí)，可以輸出一定范圍內(nèi)的恒定電流。

雖然它在精度和穩(wěn)定度上與高質(zhì)量的直流可調(diào)恒流源有一定的差距，但在一般情況下誤差仍在允許范圍內(nèi)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本次實(shí)驗(yàn)利用Mutisim仿真、模擬電子技術(shù)以及焊接技術(shù)，完成了從理論分析到實(shí)際測(cè)量的一系列過(guò)程。最終經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)物與仿真調(diào)試，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種整流濾波的電路，基本具備直流恒流電源的功能。

1

系統(tǒng)方案

1.1

系統(tǒng)方案的論證與選擇

方案一：

將20V直流電源接入電路，利用LM317的正電壓穩(wěn)壓功能，負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸出的電流，達(dá)到恒流直流源的功能。

方案二：

1．電網(wǎng)提供交流220V(有效值)頻率為50Hz的電壓，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。

2．降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大。

方案三：

1． 通過(guò)二腳插頭連接電網(wǎng)提供的有效值為220V，頻率為50Hz的交流電壓，同時(shí)通過(guò)連接匝數(shù)比為13：1的變壓器，減壓形成電壓有效值為17V左右的交流電。

2． 降壓后的交流電壓，通過(guò)橋式整流電路變成單向直流電。橋式整流電路為四個(gè)整流二極管首尾相接，通過(guò)二極管的單向?qū)щ娦?，使其形成方向不變的直流電?/p>

3． 經(jīng)過(guò)橋式整流后的電路，為橋式整流信號(hào)，電壓輸出極不穩(wěn)定，我們?cè)诤竺婕尤肓藶V波電路，即在輸出電路兩端并聯(lián)電容，濾去頻率較高的波形，形成較為穩(wěn)定的直流輸出信號(hào)。

4． 經(jīng)過(guò)濾波電路后的穩(wěn)定直流電壓，通過(guò)集成穩(wěn)壓芯片LM317與反饋端接口ADJ使電位器兩端的電壓保持恒定，因此得到穩(wěn)定的電流輸出，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值，通過(guò)歐姆定律，可以得到不同大小的恒定電流。

5.恒定的電流，輸出給電流型負(fù)載，發(fā)光二極管，通過(guò)二極管的明亮程度變化，來(lái)判斷輸出電流的大?。煌瑫r(shí)，為了判斷電流是否恒定并且盡量不影響芯片兩端電壓，我們串聯(lián)了一個(gè)1.5Ω的電阻，通過(guò)測(cè)量電阻兩端電壓來(lái)獲得電流的數(shù)值。

方案比較：

1、方案三通過(guò)二腳插頭直接連接220V交流電，不僅提高了實(shí)用價(jià)值，而且更方便恒流直流源的使用。

2、相比于方案二，方案三添加了濾波電路，得到了更加穩(wěn)定的直流輸入電壓，使芯片工作環(huán)境更加穩(wěn)定。從而能更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流效果。

3、方案三用發(fā)光二極管作為負(fù)載，效果更加直觀，同時(shí)根據(jù)二極管的明亮程度，判斷電路電流變化，通過(guò)測(cè)量較小電阻兩端電壓變化，可以判斷電路電流是否恒定。

綜上所述，我們選擇方案三。

方案原理：

1、變壓器原理：當(dāng)變壓器一次側(cè)施加交流電壓U1，流過(guò)一次繞組的電流為I1,則該電流在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生交變磁通，使一次繞組和二次繞組發(fā)生電磁聯(lián)系，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁通穿過(guò)這兩個(gè)繞組就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低，當(dāng)變壓器二次側(cè)開(kāi)路，即變壓器空載時(shí)，一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2,但初級(jí)與次級(jí)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化。

2、橋式整流原理：通過(guò)二極管的單向?qū)ㄐ?，能夠得到半波整流的電信?hào)，連接四個(gè)同樣的整流二極管通過(guò)特定的接線，能夠得到穩(wěn)定的直流全波整流信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)變。

3、電容濾波原理：接在直流電源的正、負(fù)極之間，以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電變平滑。其工作原理是整流電壓高于電容電壓時(shí)電容充電，當(dāng)整流電壓低于電容電壓時(shí)電容放電，在充放電的過(guò)程中，使輸出電壓基本穩(wěn)定。

4、LM317工作原理：LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。LM317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時(shí)能夠提供超過(guò)1.5安的電流。LM317的Vout由電阻R1和RP1決定，其Vout＝1.25×（1+RP1/R1）。我們知道，LM317的Vout端與Adj端（調(diào)整端）之間有一個(gè)1.25V的固定電壓，在我們的電路中，ADJ端的電阻為零，則通過(guò)ADJ的反饋調(diào)節(jié)功能能夠使R1兩端電壓始終穩(wěn)定在1.25V，通過(guò)調(diào)節(jié)R1阻值的大小，即可通過(guò)歐姆定律，得到恒定的電流輸出，即I=1.25/R1.

5、負(fù)載電路原理：在負(fù)載電路上，為了避免調(diào)節(jié)電流時(shí)，純電阻負(fù)載上所分得的電壓大幅波動(dòng)，使芯片兩端的壓降隨之波動(dòng)，我們使用了一個(gè)較小的電阻與多個(gè)電流型負(fù)載發(fā)光二極管作為我們的負(fù)載，這樣既能使電流調(diào)解時(shí)，電壓波動(dòng)盡可能小，同時(shí)還能通過(guò)二級(jí)管的明亮程度更加直觀地看到電路中電流的變化。

2

系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1

恒流源系統(tǒng)理論的分析

交流電壓通過(guò)變壓，整流，濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓輸出給LM317，通過(guò)反饋電路使可調(diào)電位器兩端電壓始終保持恒定，輸出電流即I=U/R1。在負(fù)載的一定變化范圍內(nèi)，可以保持電電流的恒定。

2.2

相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

使用匝數(shù)比為10：1的變壓器，將220V交流電壓將為22V交流電，通過(guò)整流器，得到22V直流電，通過(guò)4個(gè)330uF的并聯(lián)形成一個(gè)大電容，得到較好的濾波效果與穩(wěn)定的輸出電壓，LM317的反饋的=電壓為1.25V，最后通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到的恒定電流I=1.25/R。

3

電路與程序設(shè)計(jì)

3.1

電路的設(shè)計(jì)

3.1.1

系統(tǒng)總體框圖

3.1.2

電路原理圖

4

測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1

測(cè)試方案

將可調(diào)電位器的電阻逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最大值，將負(fù)載（發(fā)光二極管與較小電阻）兩端的導(dǎo)線連接到電流源的兩個(gè)輸出端口，接通220V交流電，二極管亮起，緩緩降低可調(diào)電位器的阻值，二極管的亮度緩慢增大，表示電路中的電流在緩慢增大，通過(guò)測(cè)量較小電阻兩端的電壓，即可計(jì)算出電路中的電流大小。將負(fù)載改為100Ω精調(diào)滑動(dòng)變阻器，將電流表串聯(lián)進(jìn)電路，緩慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的電阻，觀察電流表的示數(shù)時(shí)候變化，即可判斷電路中的電流是否在一定范圍內(nèi)恒定。

4.2

測(cè)試條件與儀器

220V交流電壓，萬(wàn)用表

4.3

測(cè)試結(jié)果及分析

4.3.1

系統(tǒng)方案

4.3.2

測(cè)試分析與結(jié)論

通過(guò)調(diào)節(jié)電位器阻值大小將通過(guò)負(fù)載的穩(wěn)定電流調(diào)節(jié)為260mA，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻阻值觀察負(fù)載電流與負(fù)載電壓的變化情況。由上表數(shù)據(jù)可看出，若負(fù)載阻值在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，負(fù)載電流變化量微小。負(fù)載電壓與負(fù)載電流的比值也滿足歐姆定律U/I=R。

綜上所述：所測(cè)電流具備了直流恒流源的基本功能。

5

心得體會(huì)

在實(shí)驗(yàn)之前要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，確定好基本方案，參閱與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的文獻(xiàn)，了解實(shí)驗(yàn)原理。確定好需要哪些元器件，繪制好框圖和電路圖，計(jì)算每一部分的元件參數(shù),在仿真電路圖中設(shè)置好參數(shù)，通過(guò)仿真,觀測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)試使元件數(shù)值達(dá)到要求。比較實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論的結(jié)果，分析誤差原因，找出解決的方法，盡可能地減小誤差，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相似的數(shù)據(jù)。

通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我了解了直流可調(diào)恒流源電路的組成和工作原理，通過(guò)計(jì)算參數(shù)，選擇合適的元器件來(lái)設(shè)計(jì)電路，此次課程設(shè)計(jì)用到了模擬電路的知識(shí)，將書(shū)本上的知識(shí)真正地用到實(shí)際電路設(shè)計(jì)中。此外我還學(xué)習(xí)了此次課程設(shè)計(jì)用到的仿真軟件Multisim仿真軟件直觀的捕獲界面、簡(jiǎn)潔明了的操作、強(qiáng)大的分析測(cè)試幫助我們順利地完成實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)踐的過(guò)程中，我們自主設(shè)計(jì)，自主購(gòu)買零件，自主焊接，在過(guò)程中，我們遇到了不少困難，比如沒(méi)有我們需要的零件規(guī)格，焊接各條電路上均有內(nèi)阻影響，精調(diào)滑動(dòng)變阻器功率不夠，可調(diào)電位器最小阻值太大，無(wú)法調(diào)節(jié)到更大電流，都對(duì)我們實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了影響，但在這個(gè)過(guò)程中，我們學(xué)會(huì)了運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解決，盡可能減小其對(duì)我們的影響。

附錄一：電路原理圖