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文檔簡介
1、直流穩(wěn)定電源設計制作人 :某某題目:直流穩(wěn)定電源的設計一、任務:設計并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。二、要求:1基本要求(1)穩(wěn)壓電源 在輸入電壓 220V、50Hz、電壓變化范圍+ 15%20%條件下:a. 輸出電壓可調范圍為 +9V+12Vb. 最大輸出電流為 1.5Ac. 電壓調整率 0.2(輸入電壓220V變化范圍+ 15% 20% 下,空載到滿載)d. 負載調整率 1% (最低輸入電壓下,滿載)e. 紋波電壓(峰-峰值)5mV (最低輸入電壓下,滿 載)f. 效率40% (輸出電壓9V、輸入電壓220V下,滿載)g. 具有過流及短路保護功能( 2)穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為+ 12V
2、 的條件下:a.輸出電流:420mA可調b .負載調整率 1% (輸入電壓+12V、負載電阻由200 Q300 Q變化時,輸出電流為 20mA時的相對變化率)( 3) DC-DC 變換器 在輸入電壓為 +9V +12V 條件下:a. 輸出電壓為+100V,輸出電流為10mAb. 電壓調整率 1% (輸入電壓變化范圍 +9V+12V)c. 負載調整率 1% (輸入電壓+12V下,空載到滿載)d. 紋波電壓(峰-峰值) 100mV (輸入電壓+9V下,滿載)2.發(fā)揮部分(1)擴充功能a. 排除短路故障后,自動恢復為正常狀態(tài)b. 過熱保護c. 防止開、關機時產生的 過沖”(2)提高穩(wěn)壓電源的技術指標
3、a. 提高電壓調整率和負載調整率b. 擴大輸出電壓調節(jié)范圍和提高最大輸出電流值( 3)改善 DC-DC 變換器a. 提高效率(在 100V、100mA下)b. 提高輸出電壓( 4)用數字顯示輸出電壓和輸出電流.三,穩(wěn)壓電源的研究背景本電源在市場上很有應用前景, 可以作為收音機或掌機 的外接電源,也可以用作手機電池的充電器,功率高點的還 作為小型電視或其他家用電器的電源。直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的儀器之一, 它現在廣泛 的應用在學校教學,科學研究等領域,是電子設計人員進行 實驗操作和科學研究必不可少的電子儀器。 在日常的電子電 路中,供電電源常常要用到穩(wěn)壓直流電源。所以,穩(wěn)壓直流 電源具有非常
4、重要的研究意義。在日常生活中,很多家用電器或者 IT 產品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實際生活中,我們的家庭用電都是用到220V的交流電網。這就需要通過變壓,整流,濾波, 穩(wěn)壓電路來將交流電轉換成穩(wěn)壓的直流電,供家用電器使 用。變壓器可以將 220V的交流電轉換成適合用電器的低壓 交流電。整流器由二極管組成,用于濾去整流輸出電壓中的 紋波。四、課題的設計(1).電源的輸出控制本系統(tǒng)利用Im317的穩(wěn)壓及其電壓可調的功能,通過旋轉接在調整腳的電位器,實現輸出電壓在1.25-20V內連續(xù)可調,調整精度較高。LM317的電壓調整電路圖如圖 1所示。.3VIVO211R1220RRV1POTU1L
5、M317L圖1 Im317的電壓調整原理電路圖如圖1所示,通過調整可調電阻RV1的阻值,就可以調整輸出電壓 Vo的大小。所以,如果希望調整的精度高,可調電阻RV1的調整精度也要高。(2).方案的設計思路:a.輸出電壓調節(jié)范圍的制定(經小組協(xié)商確定其調節(jié)范圍為1.25至20v )。利用Im317集成穩(wěn)壓芯片為核心,通過變壓器之后整流 濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用數字顯示電壓表頭(內 含ICL7107芯片),表頭的供電也是用Im317制作+5V的穩(wěn)壓 電源提供。方案系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3方案三系統(tǒng)框圖a. 1 LM317芯片的選擇理由Lm317是可調節(jié)三端正電穩(wěn)壓器,在輸出電壓的范圍是 1.
6、25V-37V的時候能夠提供超過 1.5A的電流,此穩(wěn)壓器非常 容易使用,只要兩個外部電阻來設置輸出電壓。此外,還使 用內部限流,熱關斷和安全工作區(qū)補償從而使之能防止燒斷 保險絲。Lm317是應用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構成三端 穩(wěn)壓電路的最簡單形式,同時輸出電壓具有可調的功能。此 外,它還有眾多的優(yōu)點,例如,調壓范圍寬,穩(wěn)壓性能好, 噪聲低,紋波抑制比高。它的主要性能參數如下:輸出電壓:1.25-37V DC ;輸出電流:5mA-1.5A;保護電路:芯片內部有過熱,過流,短路保護電路;最大輸入輸出電壓差: 40V DC;最小輸入輸出電壓差: 3V DCb.整流,濾波,穩(wěn)壓,保護, DC
7、-DC變換,穩(wěn)流,表頭供電 等電路的設計( b.1 )整流電路整流電路的任務是將交流電變換成直流電。 完成這一任 務主要是靠二極管的單向導電作用, 因此二極管是構成整流 電路的關鍵元件。在小功率整流電路中,常見的集中整流電 路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計采用單 相橋式整流電路。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。 在工作時,電路中的四只二極管都是作為開關運用,當正半周時,二極管VI、V3導通(V2、V4截止),在負載電阻上得到 正弦波的正半周;當負半周時,二極管V2、V4導通(VI、V3截止),在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上 正、負半周經過合成,得到的是
8、同一個方向的單向脈動電壓 橋式整流電路原理圖如圖 6所示。RL圖6 橋式整流電路原理圖選擇二極管要依據二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大,二極管導通角愈小,通過二 極管脈沖電流的幅度愈大,因此,整流管的幅值電流必須加 以考慮。流過整流管的平均電流:I丄 'D 21 i = 1 R2 7。1 R2 =R1 "adj 0.01A式中Ii為穩(wěn)壓器的輸入電流,IR1、IR2、ladj分別為流過R1、R2,以及調整端的電流,貝0.01 I。2考慮到電容充電電流的沖擊,正向電流一般取平均電流的23倍。二極管最大反向電壓:Udmax2U22 1.2Ui式中U2為電
9、源變壓器次級電壓有效值,Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器 LM317穩(wěn)定運行,輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V范圍,取Ui-U0=10V,得:d max=1.卩= 1.2(U。10) = 12 1.2Uo設計時可考慮一定的余量。根據計算,1N4007的二極管符合設計要求,可以用作整流橋。(b.2 )濾波電路采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用,并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時,能夠把 部分能量儲存起來,而當電源電壓減低的時候,就能把能量 釋放出來,是負載電壓比較平滑穩(wěn)定,也就是電容也有平波 的作用。電容濾波電路比較簡單, 而且負載直流電壓
10、比較高, 紋波也比較少,適用于負載電壓較高,負載變動不大的場合, 也減輕了電路設計和實際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。圖9電容濾波電路經過濾波,電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是:取其放電時間常數 RLC大于充電周期 的35倍,其耐壓值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整 流電路來說,脈動電壓峰值為 2U2, C的充電周期等于交流電 源周期T的一半,即C> (35) T2RL,式中RL為整流后的等效 負載電阻,經過考慮,本設計取C為2200uF。設電容兩端初始電壓為零,并假定t=0時接通電路,輸入電壓U2為正半周,當U由零上升時,VI、V3導 通,C被
11、充電,同時電流經 VI、V3向負載電阻供電。忽略二極管正 向壓降和變壓器內阻,電容充電時間常數近似為零,因此 Uo=Uc- U2,在u2達到最大值時,Uc也達到最大值,然后 U2下降,此時,Uc>U2, VI、V3截止,電容C向負載電阻 RL放電,由于放電時間常數 t =RLC 一般較大,電容電壓 Uc 按 指數規(guī)律緩慢下降,當下降到|U2|>Uc時,V2、V4導通,電容C再次被充電,輸出電壓增大,以后重復上述充放電 過 程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓,使負載電壓 的波動大為減小 .(b.3 )穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是整個設計之中一個很重要的組成部分,幾乎 所有的電子設備都需要
12、穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。 所以,研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設計具有非常重要的意 義。穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源??紤]到 整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當的 距離,主要是存在兩方面的問題:第一方面,但負載電流變 化的時候,因為整流濾波電路存在一定的內阻,所以輸出的 直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面,由于電網電壓 并不穩(wěn)定,當電網電壓發(fā)生波動時,整流電路的輸出電壓直 接與變壓器副邊電壓有關, 因此輸出直流電壓也相應的發(fā)生 變化。因此,在設計中,采用三端集成穩(wěn)壓器 lm317 來實現 穩(wěn)定電壓的功能。其中,調整管接在輸入端和輸出端之間。當電網電壓或 負載電
13、流波動時,調整自身的集 - 射壓降使輸出電壓基本保 持不變。 放大短路將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進 行比較,然后再放大并送到調整管的基極。放大倍數越大, 則穩(wěn)定性能越好。 由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電 路的一種, 而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準電壓成正比,因此,基準電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出 電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個分壓電阻組成,它將輸出電 壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時候,是調整管、放大電路和基 準電源等建立各自的工作電路,而當穩(wěn)壓電路正常工作是啟動電路被斷開,影響穩(wěn)壓電路的性能。保護電路主要起到限 流保護,
14、過熱保護和過壓保護的作用。穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖 11所示。U1LM317LVID61N4002VOR3200R廠D51N4002仆C310uPOT圖11 穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算:Vo =1.25(1僅僅從公式本身看,R3、R2的電阻值可以隨意設定。 然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式,R3和R2的阻值是不能隨 意設定的。 1,2 腳之間為 1.25V 電壓基準。 為保證穩(wěn)壓器的 輸出性能,R3應小于240歐姆。改變R2阻值即可調整穩(wěn)壓 電壓值。 D5, D6 用于保護 LM317。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo = 1.25V 37V (高輸出 電壓的317
15、穩(wěn)壓塊如 LM317HVA LM317HVK等,其輸出電壓變化范圍是 Vo= 1.25V 45V),所 以 R2/R3 的比值范圍只能是 028.6 。它的使用非常簡單, 僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。 此外它的線性調整率和 負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM 3 1 7內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。LM317屬于深度負反饋的穩(wěn)壓電路,其功耗比較大,所以有 必要討論一下LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結溫TJM, 當T<Tjm時穩(wěn)壓器才能正常工作。 因此,穩(wěn)壓器的散熱能力愈強, 結溫就愈低,它所能承受的功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力 取決
16、于它的熱阻給半導體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令Ro1表示從結到器件外殼的熱阻,Ro2表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻,Ro a表示從結到散熱片表面的熱阻, 則R o A=Ro 1+Ro 2。若令 Ro d 表示散熱片到周圍空氣的熱阻,Ro '表示加散熱片后結到空氣的總熱阻,則Ro ' =Ro a+Ro d。設集成穩(wěn)壓器的最高允許結溫為 Tjm,最高環(huán)境溫度為Tam,加散熱器 后器件的功耗為P),則有關系式:P Tjm -tampd=-Tjm _tamRA Rd所以器件的最大功耗必須滿足PDM <PD。(b.4)過流保護電路的過流保護原理圖如圖 12所示Q1R4R51
17、11,=IOR69013C41圖12 過流保護電路原理圖R6為取樣小電阻。當電源工作時,穩(wěn)壓器輸出端輸出正 向直流電壓,電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流 iout較大(約為額定電流的810倍),iout流過小電阻R6, 并經R5對C4充電。通過設定 R6 C4的值,使充電時間 t 大于電機啟動時間 8 , Q1(9013)處于截止狀態(tài),電機啟動到 穩(wěn)定狀態(tài)后,電流恢復到工作電流。一旦電機發(fā)生短路或堵 轉,使電容 C4兩端電壓達到 Q1的導通電壓,則 Q1導通, 強制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。電機啟動時必須滿足充電時間t大于啟動時間8 , Q1不導通,電機才能正常啟動。由于啟
18、動電流很大,一般是額定電流的47倍,可看成不變,設為1=51 °。根據圖15,可得以下公式:du /i “R5由于R4 R5,所以i R5 i R5因此零狀態(tài)輸入響應,求解得:UR5 二 R4C4(f %4iR4i約等于i R5。此時為一階_ 1UR4"R5(1e 4 4)假設電容C4的電壓達到0.7V為充電時間,得:二 R C In R4C4in i_0 7設電機負荷在額定狀態(tài)下運行,電機電流I0已經穩(wěn)定。電機短路或堵轉后,電流突然增大到短路電流Is,電容C4開始充電??紤]一定的設計余量,取保護電流設定值I G<l S式(1)同樣成立此為一階全響應方程,強制分量UC
19、4 (a)=l gR5,求解得:初始條件 Uc4 (0+)=1 oi R5,c4_1"cRs &(1。譏冷 r4c4假設垢增大到V2導通電壓0.7的充電時間為',則'必 須小于允許短路時間t,即:R4C4ln(R)要使保護起到作用,Uc4 ( )必須大于0.7V ,即:& ¥c(b.5)表頭供電電路用LM317集成穩(wěn)壓模塊制作一個 +5V的電源,然后用一只NPN 三極管,兩只電阻,一個電感來進行信號放大,把芯片38腳的振蕩信號串接一個 20K 56K的電阻連接到三極管“ B” 極,在三極管“ C'極串接一個電阻(為了保護)和一個電感(提高交流放大倍數),在正常工作時,三極管的“ C'極 電壓為2.4V 2.8V為最好。這樣,在三極管的“ C'極有放 大的交流信號,把這個信號通過 2只4u7電容和2支1N4148 二極管,構成倍壓整流電路,可以得到負電壓供給ICL7107的26腳使用。本電路的穩(wěn)流模塊采用了LM317集成穩(wěn)壓電源構成的可調式穩(wěn)流電路,將上一級產生的12v穩(wěn)定電壓轉化成輸出端的420MA的穩(wěn)定電流,有穩(wěn)壓源供電,利用三極管的輸出特性設計,R4, D
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