直流穩(wěn)壓電源設計、制作與調試

1、直流穩(wěn)壓電源設計、制作與調試4.3.1 直流穩(wěn)壓電源實訓的能力目標(1熟練掌握電子元器件參數(shù)的測試和元器件的選擇;(2具備熟練查閱模擬電子器件手冊、參考資料等技術資料的能力;(3熟練掌握正確使用常用模擬電子儀器儀表(萬用表、整流電源、信號發(fā)生器、示波器等、設備、工具(電烙鐵、鑷子、螺絲刀、鉗子、鉆頭、銼刀的方法;(4具備閱讀直流穩(wěn)壓電源產品說明書的能力,訓練學生分析中等復雜程度模擬電子產品整機電路原理圖的能力;(5掌握電子產品從設計、制作、調試到出成品的全過程及一般方法;熟悉直流穩(wěn)壓電源的結構和基本設計方法,掌握其工作原理和使用方法;(6具備典型模擬電路(直流穩(wěn)壓電源的分析、設計、制作、組裝、

2、調試及排除一般電路故障的能力;學習、掌握印制電路板的設計、制作方法,培養(yǎng)設計制作的能力(手工設計印制板;(7具備對任務實現(xiàn)(電子設計、裝調過程中出現(xiàn)的各種實際問題的獨立分析及解決的能力;(8培養(yǎng)學生具有一定的生產觀點、經(jīng)濟觀點、全面觀點及團隊合作的精神。4.3.2 任務和要求1.直流穩(wěn)壓電源實訓任務和要求要求用一只LM317三端集成穩(wěn)壓器、一個變壓器、一只3DD15D擴流三極管,以及二極管、三極管、電阻、電容、電位器等輔助元件,設計、制作出一臺可調式直流穩(wěn)壓電源。(1查閱技術資料;(2完成電路原理設計;(3根據(jù)所設計的原理電路圖,完成印制電路的手工設計和制作;(4將元器件正確焊接在印制電路板上

3、;(5調試整機電路,是否滿足技術指標和功能要求;(6排除可能產生的故障;(7將印制電路板正確裝配,完成一臺具有實用價值的產品;(8撰寫技術報告(實訓報告。2.直流穩(wěn)壓電源技術指標和功能要求(1采用三端集成穩(wěn)壓器LM317,穩(wěn)壓電源直流輸出電壓1.25V15V可調。(2變壓器輸入交流220V,輸出18V交流。P=25W,最大電流m I=1.5A。(3穩(wěn)壓電源最大輸出功率m(4要求系統(tǒng)具有擴流、限流保護、過壓保護、指示燈、保險、開關等功能。3.直流穩(wěn)壓電源實訓報告要求(1題目名稱(2設計任務內容及主要技術要求(3電路設計確定方案,應在多種方案比較后選定;畫出整機原理電路框圖;單元電路的設計,元器件

4、的選擇和必要的波形圖,說明主要工作原理;估算各主要元器件的參數(shù),并標在電路圖中恰當?shù)奈恢?畫出印制板電路圖和裝配圖。(4整理測試數(shù)據(jù)并分析(5安裝調試中遇到的問題及解決的方法(6收獲、體會和建議(7附錄主要參考資料電源面板圖元器件清單整機原理電路圖4.3.3 直流穩(wěn)壓電源設計任務分解(實訓子項目1.直流穩(wěn)壓電源的基本功能直流穩(wěn)壓電源的基本功能就是將交流電轉變?yōu)橹绷麟?且在一定的技術要求下輸出穩(wěn)定的電壓,為其它電子電路提供穩(wěn)定的直流電源。 圖4-3-1 直流穩(wěn)壓電源基本功能2.直流穩(wěn)壓電源電路框圖直流穩(wěn)壓電源電路框圖如圖4-3-2所示。從圖中可知,系統(tǒng)由降壓變壓器、整流器、濾波器、穩(wěn)壓器和保護電

5、路共五個部分組成。 圖4-3-2直流穩(wěn)壓電源的電路框圖3.直流穩(wěn)壓電源參考電路原理圖圖4-3-3為直流穩(wěn)壓電源參考電路原理圖。 圖4-3-3 直流穩(wěn)壓電源參考電路原理圖4.直流穩(wěn)壓電源設計任務分解(實訓子項目(1降壓變壓器降壓變壓器將電網(wǎng)220V 、50Hz 交流輸入電壓降壓后變?yōu)樗璧募s18V 交流電壓,同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。圖4-3-4為直流穩(wěn)壓電源變壓器電路,圖中為了控制電源,在變壓器初級接一開關,作為總的電源開關K 。圖中在變壓器次級接的B *(1A 是保險管,作用是防止電流過大損壞變壓器。 圖4-3-4 直流穩(wěn)壓電源變壓器電路(2整流器二極管橋式整流電路將變壓器變換

6、后的交流電壓轉變?yōu)閱蜗虻拿}動直流電壓,由于這種電壓存在著很大的脈動部分(即紋波,如果用它直接給負載供電,紋波的變化會影響后級電路的性能指標,所以還必須進行處理。二極管橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高,脈動系數(shù)小(紋波電壓小,每管所承受的最大工作反壓較其它方案低,電源電壓利用率高,因而整流效率也較高,變壓器無需中心抽頭。電路的缺點是使用的二極管數(shù)量較多(D 1D 4可采用1N40011N4007,整流管總的壓降較大,在大電流工作狀態(tài)下,會使電路效率下降。(3濾波器電容濾波電路對整流部分輸出的脈動直流進行平滑處理,使它成為一個含交流成分很小的、更加平滑的直流電壓。即濾波部分實際上是一個性能較好的低通

7、濾波器,且其截止頻率一定是低于整流輸出電壓基波頻率的。雖然電容C 1取得越大,脈動系數(shù)S 就越小,脈動成分就小,但一般取R L C 1=253(T T 為交流電網(wǎng)電壓的周期(ms 20501=T 。 電容濾波電路的優(yōu)點是在輸出電流I O 不高時,體積小,成本低。電容濾波適用于負載電壓較高,負載變動不大的場合。(4穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器為電源的核心部分。盡管經(jīng)過整流濾波后的直流電壓,可以充當某些電子電路的電源,但是其電壓值的穩(wěn)定性很差,它受溫度、負載、電網(wǎng)電壓波動等因素的影響很大。因此還必須有穩(wěn)壓電路,以維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。圖4-3-5為直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓器電路,通過三端可調線性集成穩(wěn)壓器LM317

8、的穩(wěn)壓,輸出電壓在輸入電網(wǎng)波動±10%、輸出負載變化以及溫度波動幾種情況下仍然可以保持不變。 圖4-3-5 直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓器電路三端穩(wěn)壓器的額定輸出電壓一般是不可調的,但可以通過外接元件R2、R3來擴展輸出電壓,達到調壓作用,如圖4-3-5所示。輸出端和調節(jié)端之間在工作時產生標稱值為1.25V的基準電壓U REF,這個基準電壓加在電阻R2上,由于電壓是恒定的,就有一個恒定的電流流過輸出設定電阻R3,得到的輸出電壓是:U O=R REF(1+R3/R2+I ADJ R3I ADJ代表了一個誤差項,在設計LM317時盡量減小I ADJ,并使之等于一個常數(shù),完全不隨輸入電壓和負載變化,于

9、是:U O1.25(1+R3/R2可見,當R2取定(通常取R2=240后,改變R3的值,輸出電壓U O也隨之改變,即輸出U O可調。發(fā)光二極管LED與限流電阻R1串聯(lián)接在穩(wěn)壓器的輸入端,當電源開關K閉合時,指示燈亮。C2:應靠近穩(wěn)壓器,起消振作用(即防止自激振蕩。C3:為一旁路電容,可進一步抑制紋波,當輸出電壓升高時,C3可防止紋波的放大。(即將R3上的紋波旁路掉C4:由于使用了C2、C3等,與任何反饋電路一樣,某些數(shù)值的外接電容(500F 5000F可能引起振蕩,C4的作用就是消除這種效應,確保工作穩(wěn)定。T1:擴流電路。由于三端集成穩(wěn)壓器輸出電流固定且較小,帶負載能力差,在實際工作中,往往需

10、要穩(wěn)壓器輸出較大電流,以提高帶負載能力,利用T1進行電流放大,T1接成共集電極電路(射隨器,具有電流放大作用,由于電流較大,T1采用3DD15D大功率管。實際的穩(wěn)壓電源產品常常在輸出兩端并聯(lián)電壓表,作U O的指示。(5保護電路對于一個功能完善的穩(wěn)壓電源來說,必須有一套完整可靠的保護電路,在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中,若使用不慎,負載電流過大或輸出短路的情況是可能發(fā)生的。此時,LM317內部調整管的功耗將劇增,尤其是在短路的情況下,全部輸入電壓都加到調整管兩端,這就會使調整管的功耗超過它的極限功耗P CM而損壞調整管,所以必須采用合適的過流保護電路。直流穩(wěn)壓電源保護電路如圖4-3-5中的D5、D6和圖4-3

11、-6所示。保護二極管大多數(shù)電容的串聯(lián)內阻是很小的,當短路時放電電流將產生20A的脈沖尖峰,即使短路的時間很短,但放電能量足以損壞集成電路。當LM317的調整管有外接電容時,需加保護二極管以防止電容通過小電流端放電而進入調整器。D5:防止C4的反峰。當調整管的輸出端接有電容C4而輸入端被短路時,輸出端電容將向調整管輸出端放電,放電電流與電容量有關,也與輸出電壓及輸入電壓減小的速率有關。D5為C4提供了一條放電回路,即防止C4的反峰高壓對LM317的沖擊。D6:防止C3的反峰。由于在調整管的調整端接有旁路電容C3,當輸入或輸出端短路時,在C3上要產生一個反峰高壓。當輸出端短路時,C3通過D6放電。

12、當輸入端短路時,C3通過D6、D5放電,防止C3反峰沖擊調整器。 圖4-3-6 直流穩(wěn)壓電源三極管過流保護電路T2和T3保護電路通過T2和T3保護電路,可以防止電流過載或輸出短路時損壞器件。R6為采樣電阻,以便對輸出電流進行動態(tài)監(jiān)視。R6阻值0.5,功率為3W。當輸出電流大于1.5A(額定電流時, R6上的壓降為:1.5A×0.5=0.75V(或大于0.7V時,三極管T3導通,R5壓降升高,T2也導通,從而使從LM317的輸出電流從T2分流一部分,這樣流進擴流管的電流便減小,輸出電流也減小。從而達到過流保護的目的。當輸出電流減小到一定程度,R6上的壓降小于0.7V即T3截止,T2也截

13、止,電路恢復正常。C5:當負載恢復正常,I O<1.5A,T3截止,由于C5已充電,使T2再維持導通一段時間,直到C5放電到不能維持T2導通,即防止負載連續(xù)突變而造成的T1連續(xù)被沖擊(防干擾,同時還具有交流旁路功能。C6:輸出電容,作用之一是濾波,作用之二是防止當輸出電壓突變時造成對負載沖擊(消振。5.電路所用元件及其作用表4-3-1 直流穩(wěn)壓電源所用元件及其作用 4.3.4 直流穩(wěn)壓電源印制板電路的設計與制作1.直流穩(wěn)壓電源的印制板電路的設計印制板電路的設計是一次十分重要的工藝環(huán)節(jié),若設計不當,會直接影響整機的性能,甚至不能正常工作。一般情況下,印制電路板的一面放置元件稱元件面,另一面

14、用于布置印制線稱印制面或焊接面。(1元件排列的原則按信號流向排列,一般從輸入級開始,到輸出級終止;發(fā)熱量大的元件,應加散熱器,并盡可能放置在有利于散熱的位置以及靠近機殼處(甚至可以考慮放在機殼上;對于比較大、重的元件,要另加支架或緊固件;熱敏元件要遠離發(fā)熱元件;某些元件或導線間有較大電位差者應加大它們的距離;盡可能縮短高頻元件的連接線,設法減小它們的分布參數(shù)和相互間的干擾,易受干擾的元件應加屏蔽;可調元件布置時要考慮到調節(jié)方便;對稱式的電路(如推挽功放、差動放大器、橋式電路、兩個相同的子電路等要注意元件的對稱性,盡可能使其分布參數(shù)一致;每個單元電路,應以核心器件為中心,圍繞它進行布局;元件排列

15、應均勻、整齊、緊湊、單元電路之間的引線應盡可能短,引出線應少; 位于邊緣的元件,離印制板邊緣距離至少大于2mm; 元件外殼之間的距離,應根據(jù)它們之間的電壓來確定,不應小于0.5mm; 電路板應留有緊固的位置,放置緊固件的位置應考慮到安裝拆缷方便; 若有引出線,最好使用接線插頭; 有鐵芯的電感線圈,應盡量相互垂直放置,且遠離以減小相互間的耦合; 相同的元件應盡量采用相同的跨距。本次實訓要求將電壓表頭、電源開關、發(fā)光二極管(指示燈、R3(電位器、輸出接線柱安裝在機殼前面板上;電源變壓器安裝在底座上;保險管座和電源線裝后板上。在設計印制電路板時,應充分考慮散熱片的位置。(2元件安裝數(shù)據(jù)的獲得查手冊等

16、獲得元件的安裝數(shù)據(jù);實測元件獲得安裝數(shù)據(jù)。(3布線的原則布線要短;一般將公共地線布置在邊緣部分,邊緣應留有一定距離;高頻元件和高頻引線一般布置在中間,以減小它們對地和機殼的分布電容;拐彎要園,因直角、尖角對高頻和高壓影響較大;在條件允許的情況下,線條可適當加粗,間距可適當加大;單面板的印制導線不能交叉,遇到此情況可繞行;走線正確,布線均勻美觀。印制電路板的設計是一項實踐性很強的工作,以上原則在不同情況下,有其不同的側重點,應根據(jù)具體的電路特點和機械結構要求靈活應用。(4設計方法計算機輔助設計;手工設計。2.印制電路的繪制(1焊盤的繪制通常采用圓形焊盤;焊盤的內圓是加工鉆孔的,定位孔要小;焊盤的

17、外徑D是鉆孔直徑d的2位以上;鉆孔直徑d比焊件直徑大0.2mm左右。(2導電線條的繪制簡潔美觀、不出尖角,印制導線與焊盤應平滑過渡;印制導線的寬度:對分立元件,一般1.53mm;對集成電路1mm或以下;對大電流導線應適當加粗。在同一印制板上,除電源和地線外,其余印制導線寬度應盡可能一致;公共地線最好布置在印制板邊緣,同時盡可能增加地線的面積,以改善屏蔽效果。(3安裝孔安裝孔是固定大型元件或固定印制板本身所設計的孔位,要夠足留夠的空間。3.印制電路板的手工制作方法(1選擇敷銅板,清潔板面根據(jù)電路要求,裁好敷銅板的尺寸和形狀;先用砂紙將敷銅板的邊緣打磨一下(去毛刺;在敷銅板上放少許去污粉,加水用布

18、將面板擦亮,然后再用干布擦干凈。(2復印印制電路將設計好的印制電路圖用復寫紙復印在敷銅板上。復印時,印制電路與敷銅板要對整齊。(3描漆或貼膜描漆:在印制導線和焊盤上描一層易干漆,要描均勻,厚薄適宜,邊緣清晰無毛刺。貼膜:用透明膠帶將整個板面都貼住,然后用刀片將不需要的部分刻掉。(4腐蝕待漆干燥;將電路板放到三氯化鐵溶液中進行腐蝕,銅遇三氯化鐵發(fā)生置換反應(可加熱加光以加速反應;大約需3060分鐘。(5清洗等待電路板上沒有涂漆或貼膜部分的銅箔全部腐蝕掉;將電路板取出用水清沖洗;晾干后用香蕉水溶去電路板上的漆皮或撕掉膠膜。(6修整將腐蝕好的印制板,用刀片修整導線和焊盤邊緣使其平滑、無毛刺。(7鉆孔

19、按圖樣所標尺寸鉆孔;孔要鉆在焊盤中心,且垂直板面,光滑無毛刺;然后用細砂紙將印制電路輕輕擦亮,用干布擦去粉末。(8涂助焊劑助焊劑一般是松香、酒精按12的體積比例配制成的溶液;助焊劑的目的是容易焊接,保證導線性能,保護銅箔,防止產生銅銹;用毛刷沾上助焊劑在印制電路板上刷上薄薄一層晾干后,印制電路板完成待用。4.3.5 調試的步驟與方法由于直流穩(wěn)壓電源的電路已經(jīng)很成熟,可以直接將整機電路全部焊接完成后再分模塊進行調試。1.熟悉直流穩(wěn)壓電源的技術性能指標穩(wěn)壓電源的輸出電壓U O會受到輸入電壓U I、負載電流I O和環(huán)境溫度T(這三個因素的影響,即U O=f(U I、I O、T(1最大輸出電流I MI

20、 M是指穩(wěn)壓電源正常工作情況下能輸出的最大電流,取決于調整管的最大允許耗散功率和最大允許工作電流。(2輸出電壓和電壓調節(jié)范圍按照使用對象來確定。對于需要固定電源的設備,其穩(wěn)壓電源的調節(jié)范圍要小。對于商用電源:從零伏起調,調節(jié)范圍要大,且要連續(xù)可調。(3保護特性當電流過載或短路時,調整管有損壞的危險,應自動啟動快速響應的過流保護。當穩(wěn)壓電源出現(xiàn)故障時,輸出電壓過高,危害負載,應自動啟動快速響應的過壓保護。(4效率穩(wěn)壓電源是一個換能器,存在換能效率問題,提高效率主要是降低調整管的功耗,這樣既能節(jié)能、又能提高電源的工作穩(wěn)定性。(5過沖幅度過沖:由于某一因素影響量瞬變而引起輸出電壓超出穩(wěn)壓區(qū)。過沖幅度

21、:輸出電壓偏離額定值的最大幅度。a. 交流供電電源階躍變化時的過沖幅度(220V±10%階躍變化。b. 負載階躍變化時的過沖幅度(負載電流從空載到滿載之間階躍變化。(6輸入電壓調整因數(shù)整流濾波后輸入電壓的變化量與所引起的輸出電壓的變化量之比。00I Ou =O I T U U S ,(7穩(wěn)壓系數(shù)輸出電壓和輸入電壓的相對變化量之比,表征電源的穩(wěn)壓性能。000I IOOr =I T U U U U S , 或: OI u r U U S S = (8輸出電阻在輸入電壓和溫度系數(shù)不變的情況下,輸出電壓變化量和負載電流變化量之比。00O OO =-=I U T I U R ,負號表示O U

22、與O I 變化方向相反。(9溫度系數(shù)在輸入電壓和負載電流均不變的情況下,單位溫度變化所引起的輸出電壓變化,又稱溫度漂移。O I U O T T T S =,OT(10紋波電壓在額定工作電流的情況下,輸出電壓中的交流分量值稱為紋波電壓。紋波電壓有效值的符號為U ,因為輸出電壓中的交流分量主要來自于輸入電壓中的交流分量I U ,I U 可視為輸入電壓的變化量。顯然,穩(wěn)壓電路本身會對這種變化量進行抑制,所以:I u U S U 有時也常用紋波抑制比來說明紋波電壓的大小:dB Lg 20I U U 顯然紋波抑制比越大越好。上述其余幾個指標越小越好。2.通電測試前進行檢查(1檢測電源變壓器的絕緣電阻,以

23、防變壓器漏電而危及人身或設備安全?？刹捎谜讱W表測量初級、次級繞組之間、各繞組與接地屏蔽層之間、繞組與鐵心之間的絕緣電阻,應大于1000M ,若用萬用表高阻擋檢測,應指示為無窮大。(2電源變壓器的初級和次級繞組不能搞反,否則會損壞變壓器或帶來電源故障。(3保險絲是否裝入。(4整流二極管和濾波電容的極性不能接反,否則會損壞。(5LM317的輸入、輸出和公共端不能接錯,特別是公共端不能開路,否則可能導致負載損壞。若輸入端和輸出端接反,當輸出端電壓超過輸入端電壓7V以上時,將擊穿內部調整管。(6保護二極管極性不能接錯,否則不能起到保護作用。(7大功率三極管3DD15D的三個電極不能接錯,兩個類型相反的

24、三極管9012(T3和9013 (T2不能搞反。(8檢查輸出端不應該有短路現(xiàn)象。3.空載檢查(1斷開電源變壓器與后級電路,接輸入220V的交流電壓,用萬用表交流電壓擋測量變壓器次級交流電壓值,應為設計值。再檢查變壓器是否通電后溫度明顯升高甚至發(fā)燙,若是,說明變壓器質量差不能使用。若正?？蛇M行下一步。(2斷開濾波器的后級電路,將變壓器與后級電路連線恢復,接通220V交流電壓,觀察整流二極管是否發(fā)燙,若正常用萬用表直流電壓擋測整流濾波電路的輸出直流電壓是否為設計值。若正?？蛇M行下一步。(3斷開負載,將濾波器與后級電路連線恢復,接通220V交流電壓,測量輸出電壓是否為設計值。若正常再檢查穩(wěn)壓器輸入、

25、輸出端的電壓差是否大于最小電壓差(約23V左右。4.直流穩(wěn)壓電源幾個性能指標的測量(1最大輸出電流I M的測量方法:令R L=,測試輸出電壓U O;接上R L,并逐漸減小R L的值,直到U O下降5%,此時的電流即為I M。(2測試U O的調節(jié)范圍方法:令R L=,調R3測試U OminU Omax。(3測試紋波電壓方法:使U O=18V,I O =200mA。用交流毫伏表并接在R L兩端測出紋波電壓。(4測試輸出電阻r O調節(jié)R3使U O=18V,調節(jié)R L使I O1 =200mA,I O2 =25mA。測I O =200mA時的U O1,I O2 =25mA時的U O2根據(jù)表4-3-2計算

26、r O表4-3-2 直流穩(wěn)壓電源性能指標測試表 4.3.6 故障及其診斷與排除方法下面簡要介紹直流穩(wěn)壓電源在安裝調試過程中常出現(xiàn)的故障,及故障的診斷與排除方法。(1降壓變壓器電路故障圖4-3-4直流穩(wěn)壓電源變壓器電路中,有接線插頭、電源開關、變壓器、保險管。故障現(xiàn)象:變壓器次級無輸出交流電壓。產生原因:可能是接線插頭斷路、電源開關斷路、變壓器損壞、保險管熔斷等。查找方法:先測量變壓器的初級是否有220V交流電壓,從而判斷故障點在變壓器之前還是之后。若無220V交流電壓,說明是接線插頭斷路或電源開關斷路。若有220V交流電壓,可取出保險管測量,進一步判斷故障源。 故障現(xiàn)象：當電源開關 K 閉合時，指示燈不亮，反之，K 斷開時，指示燈亮。 產生原因：電源開關接反了。 （2）橋式整流電容濾波電路故障 故障現(xiàn)象：輸出直流電壓約為 1.4U2（正常應為 1.2 U2） 產生原因：輸出負載空載。 故障現(xiàn)象：輸出直流電壓約為 1U2（正常應為 1.2 U2） 。 產生原因：橋式整流電路中的二極管有一對沒有正確接入電路，使電路變成半波整流。 濾波電容接入電路，濾波電路工作。 故障現(xiàn)象：輸出直流電壓