電路綜合實驗—直流恒流源設計

恒流源又叫電流源、穩(wěn)流源，它是能夠向負載提供恒定電流的電源，理想的恒流源具有以下特點：電流不因負載變化而變化；不因環(huán)境變化而變化；內(nèi)阻為無窮大。本課題以LM317H芯片為核心控制器，通過電位器來調(diào)節(jié)電壓值大小，產(chǎn)生可調(diào)恒定電流，當保持電位器位置恒定時，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)簡單，成本低。本次實驗利用Mutisim仿真、模擬電子技術以及焊接技術，完成了從理論分析到實際測量的一系列過程。最終經(jīng)過不斷的實物與仿真調(diào)試，我們設計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，負反饋調(diào)節(jié)輸出的電流，達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，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大。

方案三：

1． 通過二腳插頭連接電網(wǎng)提供的有效值為220V，頻率為50Hz的交流電壓，同時通過連接匝數(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，通過橋式整流電路變成單向直流電。橋式整流電路為四個整流二極管首尾相接，通過二極管的單向?qū)щ娦裕蛊湫纬煞较虿蛔兊闹绷麟姟?/p>

3． 經(jīng)過橋式整流后的電路，為橋式整流信號，電壓輸出極不穩(wěn)定，我們在后面加入了濾波電路，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。

4． 經(jīng)過濾波電路后的穩(wěn)定直流電壓，通過集成穩(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，此時通過調(diào)節(jié)電位器的阻值，通過歐姆定律，可以得到不同大小的恒定電流。

5.恒定的電流，輸出給電流型負載，發(fā)光二極管，通過二極管的明亮程度變化，來判斷輸出電流的大??；同時，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1.5Ω的電阻，通過測量電阻兩端電壓來獲得電流的數(shù)值。

方案比較：

1、方案三通過二腳插頭直接連接220V交流電，不僅提高了實用價值，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。從而能更好地實現(xiàn)穩(wěn)流效果。

3、方案三用發(fā)光二極管作為負載，效果更加直觀，同時根據(jù)二極管的明亮程度，判斷電路電流變化，通過測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：當變壓器一次側(cè)施加交流電壓U1，流過一次繞組的電流為I1,則該電流在鐵芯中會產(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)電磁感應原理，交變磁通穿過這兩個繞組就會感應出電動勢，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，當變壓器二次側(cè)開路，即變壓器空載時，一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2,但初級與次級頻率保持一致，從而實現(xiàn)電壓的變化。

2、橋式整流原理：通過二極管的單向?qū)ㄐ?，能夠得到半波整流的電信號，連接四個同樣的整流二極管通過特定的接線，能夠得到穩(wěn)定的直流全波整流信號，即可實現(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電容充電，當整流電壓低于電容電壓時電容放電，在充放電的過程中，使輸出電壓基本穩(wěn)定。

4、LM317工作原理：LM317是應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)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。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伏時能夠提供超過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1.25V的固定電壓，在我們的電路中，ADJ端的電阻為零，則通過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，通過調(diào)節(jié)R1阻值的大小，即可通過歐姆定律，得到恒定的電流輸出，即I=1.25/R1.

5、負載電路原理：在負載電路上，為了避免調(diào)節(jié)電流時，純電阻負載上所分得的電壓大幅波動，使芯片兩端的壓降隨之波動，我們使用了一個較小的電阻與多個電流型負載發(fā)光二極管作為我們的負載，這樣既能使電流調(diào)解時，電壓波動盡可能小，同時還能通過二級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)理論分析與計算

2.1

恒流源系統(tǒng)理論的分析

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

2.2

相關參數(shù)的計算

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，通過整流器，得到22V直流電，通過4個330uF的并聯(lián)形成一個大電容，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

電路與程序設計

3.1

電路的設計

3.1.1

系統(tǒng)總體框圖

3.1.2

電路原理圖

4

測試方案與測試結(jié)果

4.1

測試方案

將可調(diào)電位器的電阻逆時針旋轉(zhuǎn)到最大值，將負載（發(fā)光二極管與較小電阻）兩端的導線連接到電流源的兩個輸出端口，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，通過測量較小電阻兩端的電壓，即可計算出電路中的電流大小。將負載改為100Ω精調(diào)滑動變阻器，將電流表串聯(lián)進電路，緩慢調(diào)節(jié)滑動變阻器的電阻，觀察電流表的示數(shù)時候變化，即可判斷電路中的電流是否在一定范圍內(nèi)恒定。

4.2

測試條件與儀器

220V交流電壓，萬用表

4.3

測試結(jié)果及分析

4.3.1

系統(tǒng)方案

4.3.2

測試分析與結(jié)論

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

綜上所述：所測電流具備了直流恒流源的基本功能。

5

心得體會

在實驗之前要根據(jù)實驗要求，確定好基本方案，參閱與實驗有關的文獻，了解實驗原理。確定好需要哪些元器件，繪制好框圖和電路圖，計算每一部分的元件參數(shù),在仿真電路圖中設置好參數(shù)，通過仿真,觀測數(shù)據(jù)，調(diào)試使元件數(shù)值達到要求。比較實際實驗結(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，得出實驗結(jié)果與理論值相似的數(shù)據(jù)。

通過這次的課程設計，我了解了直流可調(diào)恒流源電路的組成和工作原理，通過計算參數(shù)，選擇合適的元器件來設計電路，此次課程設計用到了模擬電路的知識，將書本上的知識真正地用到實際電路設計中。此外我還學習了此次課程設計用到的仿真軟件Multisim仿真軟件直觀的捕獲界面、簡潔明了的操作、強大的分析測試幫助我們順利地完成實驗。

在實踐的過程中，我們自主設計，自主購買零件，自主焊接，在過程中，我們遇到了不少困難，比如沒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)滑動變阻器功率不夠，可調(diào)電位器最小阻值太大，無法調(diào)節(jié)到更大電流，都對我們實驗產(chǎn)生了影響，但在這個過程中，我們學會了運用已學的知識進行解決，盡可能減小其對我們的影響。

附錄一：電路原理圖