一種多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

一種多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

一、直流穩(wěn)壓電源的選擇在現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)生產(chǎn)過程中，它涉及大量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和控制問題，尤其是振動(dòng)和振動(dòng)的精確測(cè)量。對(duì)于振動(dòng)和沖擊信號(hào)的獲取,最常見的是用壓電加速度傳感器,它將力學(xué)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。但是,這個(gè)輸出信號(hào)必須要做適當(dāng)?shù)奶幚聿拍軕?yīng)用。因此,壓電加速度傳感器的后續(xù)適調(diào)電路,即電荷放大器的研究就顯得非常重要。我們用TL081芯片來取代傳統(tǒng)電荷放大器所用的大量分離元件,優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)。但是,由于TL081芯片需±15V的直流供電,而其它芯片需+5V電源驅(qū)動(dòng),因此,需要設(shè)計(jì)合適的多輸出直流穩(wěn)定電源。直流穩(wěn)壓電源一般分為線性和開關(guān)電源兩類。對(duì)于單片機(jī)數(shù)字控制的電路系統(tǒng),通常采用基于PWM控制的開關(guān)電源;而對(duì)于放大器的模擬控制系統(tǒng),采用線性直流穩(wěn)壓電源則更具有優(yōu)勢(shì)。線性直流穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用,產(chǎn)生的干擾很小,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,較高輸出電流和數(shù)值可調(diào)的集成穩(wěn)壓器相繼出現(xiàn),由此而構(gòu)成的線性直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便,功率200W以下時(shí),整機(jī)的體積也不大。一般來講,線性直流穩(wěn)壓電源的紋波抑制比,電壓調(diào)整率和噪聲抑制等性能比開關(guān)直流穩(wěn)壓電源要好。更重要的是工作可靠,故障率低,更適合于放大器的模擬控制系統(tǒng)。因此,針對(duì)電荷放大器的需要,本文提出了一種基于集成穩(wěn)壓器的多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。二、多輸出直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)1、電容c構(gòu)造及其集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的線性直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路等四個(gè)部分組成,如圖1的框圖所示。這樣,輸入的市電波形經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓,獲得所需的直流電壓輸出,其過程如圖2所示。電源變壓器選用單相220VAC輸入,6.3V、15V、36V多檔位輸出,功率為100W變壓器。整流電路用硅整流橋?qū)⒔涣麟娬?輸出脈動(dòng)直流電。濾波電路選用一個(gè)2200μF的大容量電解電容C1和一個(gè)10nF的小容量滌綸CL11型電容C2并聯(lián)濾波,如圖3所示。理論上,在同一頻率下容量大的電容其容抗小,這樣一大一小電容相并聯(lián)后其容量小的電容C2不起作用。但是,由于大容量的電容器存在感抗特性,等效為一個(gè)電容與一個(gè)電感串聯(lián)。在高頻情況下的阻抗反而大于低頻時(shí)的阻抗,小電容的容量小,在制造時(shí)可以克服電感特性,幾乎不存在電感。在大電容C1上并聯(lián)一個(gè)小電容C2可以補(bǔ)償其在高頻下的不足。當(dāng)電路的工作頻率比較低時(shí),小電容不工作(容抗大相當(dāng)于開路)。大電容的容量越大濾波效果越好。當(dāng)電路的工作頻率比較高時(shí)(輸入信號(hào)的高頻干擾成分),大電容由于感抗大而處于開路狀態(tài)。這時(shí)高頻干擾成分通過小電容流到地線,濾除各種高頻干擾成分。穩(wěn)壓電路選用三端集成直流穩(wěn)壓器,其電路連接方式一般如圖4所示。性能上,常用的集成穩(wěn)壓器有三端固定式、三端可調(diào)式和開關(guān)式。以三端固定式為例,其正輸出為7800(后兩位代表輸出的額定穩(wěn)壓值,00是統(tǒng)稱)系列,負(fù)輸出為7900系列,常見的有05、06、08、09、12、15、18、24八種。一般要求最小的輸入、輸出電壓差(UI-U0)為2V～3V;輸出穩(wěn)壓的容差約為5%;最大輸出電流IOmax有0.1A(如78L12),0.5A(如78M12)和1.5A(如7812)等多種,部分器件的最大輸出電流可達(dá)2.2A;其最大輸入電壓UImax一般是7818檔以下為35V,7824檔為40V;電壓調(diào)整率SU一般為0.01%/V;輸出電阻R0小于0.1Ω;紋波抑制比SVP一般為50dB;溫度系數(shù)ST一般為每度1mV～2.4mV。圖4中,引腳1為電壓變換的輸入端,引腳2為電壓變換后的輸出端,引腳3為接地端。電容Ci作用是改善紋波和抑制輸入的過電壓,一般取值為0.33μF。C0作用是改善負(fù)載的順態(tài)響應(yīng),一般可選取0.1F的電容,當(dāng)采用大容量的電解電容時(shí)效果更好。穩(wěn)壓電源的輸入輸出端要跨接一個(gè)二極管,以防止集成穩(wěn)壓器輸出調(diào)整管損壞。2、穩(wěn)壓器+/-15v組合電路本設(shè)計(jì)是把幾個(gè)供電模塊集成到一個(gè)供電電源上,能夠同時(shí)提供固定輸出+5V(最大輸出電流3A)和固定輸出±15V(最大輸出電流1.5A)的直流電輸出,此外,還有一路1.2V到33V(最大輸出電流3A)連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。(1)輸出+5V:核心器件選用LM323K三端集成穩(wěn)壓器,其輸出電壓為+5V,額定電流3A。當(dāng)變壓器變壓后輸出6.3V交流電,經(jīng)KBPC810硅整流橋,整流后輸出約6V電壓,濾波后由LM323K三端集成穩(wěn)壓電源處理,輸出+5V電壓,電流最大輸出為3A。(2)輸出+/-15V:核心器件選用穩(wěn)壓器7815和7915,組合應(yīng)用這兩個(gè)穩(wěn)壓器件與一個(gè)硅整流橋相接,按圖5接好電路就能輸出+/-15V的電壓。該組合器件的公共輸出接地端,這與LM323K不同。LM323K用的是硅整流橋的負(fù)輸出端作接地端,正輸出端做LM323K的電壓輸入端。而組合用7815和7915時(shí),公共輸出接地端用的是變壓器輸出端口的+15V并分別接入7815的接地引腳(GND)和7915的電壓輸入引腳(Vin);硅整流橋的正、負(fù)輸出端口則分別接入7815的電壓輸入端(Vin)和7915的接地端;濾波電容用了兩個(gè)1000uF首尾相接,連接處接公共輸出接地端。(3)輸出1.4V～33V,0.5A:該部分的核心器件為可調(diào)式三端集成直流穩(wěn)壓器LM317和滿量程5.1kΩ的電位器RW。通過添加一些元件可以構(gòu)成電壓從1.4V～33V連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。并且解決了利用固定式穩(wěn)壓器和電位器進(jìn)行調(diào)壓而引起的精度下降問題。但是要保證其輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之差小于等于40V。主要電路如圖6所示:輸出電壓,R1取200Ω,當(dāng)RW為零時(shí),理論上Uo為1.25V,但實(shí)測(cè)此時(shí)Uo為1.4V;當(dāng)RW滿量程時(shí),輸出Uo為33V。其中C1(2200μF),C2(0.33μF)用來抑制高頻干擾;C3用來提高穩(wěn)壓器紋波抑制比,減少輸出電壓中的紋波電壓;C4用來克服LM317在深度負(fù)反饋工作下可能產(chǎn)生的自激振蕩,還可進(jìn)一步減小輸出電壓中的紋波分量。D1的作用是防止輸入端短路時(shí),電容C4放電而損壞穩(wěn)壓器;D2的作用是防止輸出端短路時(shí)C3放電而損壞穩(wěn)壓器。三、過壓保護(hù)的測(cè)試為了保證穩(wěn)壓電源的安全性和抗干擾性,設(shè)計(jì)采用了雙重過載保護(hù)。保護(hù)主要體現(xiàn)在過壓、過流、過載的保護(hù)。設(shè)計(jì)從市電網(wǎng)引入輸入電源,采用了輸入容差為±10%的工業(yè)變壓器,所以變壓器前的過壓保護(hù)可以省略。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了變壓器輸出要小于后面整流濾波電路和集成電源的最大輸入電壓,即對(duì)整流濾波電路和集成電源來講其輸入電壓還有一定的余地,所以在變壓器后也無需對(duì)電路實(shí)行過壓保護(hù)。電路的保護(hù)集中在了過載保護(hù)上。根據(jù)變壓器的功率(100W),在變壓器前安裝0.5A的保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)在輸入端的過載保護(hù);在每個(gè)模塊的輸出端處安裝參數(shù)與最大輸出電流相應(yīng)的過載保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)二次過載保護(hù)。過載保護(hù)器選用自復(fù)式的,過載時(shí)斷路實(shí)現(xiàn)保護(hù),過載消除后自動(dòng)復(fù)位,不用更換保護(hù)元件電路又可正常運(yùn)行。系統(tǒng)采用機(jī)殼地和直流地共同連接到一點(diǎn),作為基準(zhǔn)地,并在制板和安裝時(shí)保證接地電阻盡可能小,有效消除靜電干擾,保護(hù)人身安全。系統(tǒng)沒有將交流地做公共地,避免了一個(gè)可能的干擾源。實(shí)驗(yàn)中,保持輸入電壓Vi不變,而負(fù)載電流I0在10mA～300mA之間變化,測(cè)量輸出的電壓V1,V2,V3。實(shí)測(cè)的結(jié)果如表1所示。根據(jù)公式得輸出電阻.,即負(fù)載變化時(shí)對(duì)輸出電壓的影響很小;電路中采用了多項(xiàng)措施減小紋波,輸出的以+5V和±15V的電壓均比較穩(wěn)定。圖7給出其中+15V電壓輸出波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。四、電源分散配置設(shè)計(jì)的多輸出線性直流穩(wěn)壓電源,利用集成穩(wěn)壓器(固定式和可調(diào)式)構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元器件較少,又不需要投切的開關(guān),干擾源和瞬變?cè)肼曄鄳?yīng)地大大減少;工業(yè)變壓