电路综合实验—直流恒流源设计

恒流源又叫电流源、稳流源，它是能够向负载提供恒定电流的电源，理想的恒流源具有以下特点：电流不因负载变化而变化；不因环境变化而变化；内阻为无穷大。本课题以LM317H芯片为核心控制器，通过电位器来调节电压值大小，产生可调恒定电流，当保持电位器位置恒定时，可以输出一定范围内的恒定电流。

虽然它在精度和稳定度上与高质量的直流可调恒流源有一定的差距，但在一般情况下误差仍在允许范围内，且结构简单，成本低。本次实验利用Mutisim仿真、模拟电子技术以及焊接技术，完成了从理论分析到实际测量的一系列过程。最终经过不断的实物与仿真调试，我们设计出一种整流滤波的电路，基本具备直流恒流电源的功能。

1

系统方案

1.1

系统方案的论证与选择

方案一：

将20V直流电源接入电路，利用LM317的正电压稳压功能，负反馈调节输出的电流，达到恒流直流源的功能。

方案二：

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。

方案三：

1． 通过二脚插头连接电网提供的有效值为220V，频率为50Hz的交流电压，同时通过连接匝数比为13：1的变压器，减压形成电压有效值为17V左右的交流电。

2． 降压后的交流电压，通过桥式整流电路变成单向直流电。桥式整流电路为四个整流二极管首尾相接，通过二极管的单向导电性，使其形成方向不变的直流电。

3． 经过桥式整流后的电路，为桥式整流信号，电压输出极不稳定，我们在后面加入了滤波电路，即在输出电路两端并联电容，滤去频率较高的波形，形成较为稳定的直流输出信号。

4． 经过滤波电路后的稳定直流电压，通过集成稳压芯片LM317与反馈端接口ADJ使电位器两端的电压保持恒定，因此得到稳定的电流输出，此时通过调节电位器的阻值，通过欧姆定律，可以得到不同大小的恒定电流。

5.恒定的电流，输出给电流型负载，发光二极管，通过二极管的明亮程度变化，来判断输出电流的大小；同时，为了判断电流是否恒定并且尽量不影响芯片两端电压，我们串联了一个1.5Ω的电阻，通过测量电阻两端电压来获得电流的数值。

方案比较：

1、方案三通过二脚插头直接连接220V交流电，不仅提高了实用价值，而且更方便恒流直流源的使用。

2、相比于方案二，方案三添加了滤波电路，得到了更加稳定的直流输入电压，使芯片工作环境更加稳定。从而能更好地实现稳流效果。

3、方案三用发光二极管作为负载，效果更加直观，同时根据二极管的明亮程度，判断电路电流变化，通过测量较小电阻两端电压变化，可以判断电路电流是否恒定。

综上所述，我们选择方案三。

方案原理：

1、变压器原理：当变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2,但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。

2、桥式整流原理：通过二极管的单向导通性，能够得到半波整流的电信号，连接四个同样的整流二极管通过特定的接线，能够得到稳定的直流全波整流信号，即可实现交流电到直流电的转变。

3、电容滤波原理：接在直流电源的正、负极之间，以滤除直流电源中不需要的交流成分，使直流电变平滑。其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压基本稳定。

4、LM317工作原理：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。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流。LM317的Vout由电阻R1和RP1决定，其Vout＝1.25×（1+RP1/R1）。我们知道，LM317的Vout端与Adj端（调整端）之间有一个1.25V的固定电压，在我们的电路中，ADJ端的电阻为零，则通过ADJ的反馈调节功能能够使R1两端电压始终稳定在1.25V，通过调节R1阻值的大小，即可通过欧姆定律，得到恒定的电流输出，即I=1.25/R1.

5、负载电路原理：在负载电路上，为了避免调节电流时，纯电阻负载上所分得的电压大幅波动，使芯片两端的压降随之波动，我们使用了一个较小的电阻与多个电流型负载发光二极管作为我们的负载，这样既能使电流调解时，电压波动尽可能小，同时还能通过二级管的明亮程度更加直观地看到电路中电流的变化。

2

系统理论分析与计算

2.1

恒流源系统理论的分析

交流电压通过变压，整流，滤波，得到稳定的直流电压输出给LM317，通过反馈电路使可调电位器两端电压始终保持恒定，输出电流即I=U/R1。在负载的一定变化范围内，可以保持电电流的恒定。

2.2

相关参数的计算

使用匝数比为10：1的变压器，将220V交流电压将为22V交流电，通过整流器，得到22V直流电，通过4个330uF的并联形成一个大电容，得到较好的滤波效果与稳定的输出电压，LM317的反馈的=电压为1.25V，最后通过调节电位器得到的恒定电流I=1.25/R。

3

电路与程序设计

3.1

电路的设计

3.1.1

系统总体框图

3.1.2

电路原理图

4

测试方案与测试结果

4.1

测试方案

将可调电位器的电阻逆时针旋转到最大值，将负载（发光二极管与较小电阻）两端的导线连接到电流源的两个输出端口，接通220V交流电，二极管亮起，缓缓降低可调电位器的阻值，二极管的亮度缓慢增大，表示电路中的电流在缓慢增大，通过测量较小电阻两端的电压，即可计算出电路中的电流大小。将负载改为100Ω精调滑动变阻器，将电流表串联进电路，缓慢调节滑动变阻器的电阻，观察电流表的示数时候变化，即可判断电路中的电流是否在一定范围内恒定。

4.2

测试条件与仪器

220V交流电压，万用表

4.3

测试结果及分析

4.3.1

系统方案

4.3.2

测试分析与结论

通过调节电位器阻值大小将通过负载的稳定电流调节为260mA，调节负载电阻阻值观察负载电流与负载电压的变化情况。由上表数据可看出，若负载阻值在一定范围内发生变化，负载电流变化量微小。负载电压与负载电流的比值也满足欧姆定律U/I=R。

综上所述：所测电流具备了直流恒流源的基本功能。

5

心得体会

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。

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仿真软件Multisim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们顺利地完成实验。

在实践的过程中，我们自主设计，自主购买零件，自主焊接，在过程中，我们遇到了不少困难，比如没有我们需要的零件规格，焊接各条电路上均有内阻影响，精调滑动变阻器功率不够，可调电位器最小阻值太大，无法调节到更大电流，都对我们实验产生了影响，但在这个过程中，我们学会了运用已学的知识进行解决，尽可能减小其对我们的影响。

附录一：电路原理图