直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)
制作人:某某
題目:直流穩(wěn)定電源的設(shè)計(jì)
一、任務(wù):設(shè)計(jì)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(diào)范圍為+9V~+12V
b.最大輸出電流為1.5A
c.電壓調(diào)整率≤0.2%(輸入電壓220V變化范圍+15%~-20%下,空載到滿載)
d.負(fù)載調(diào)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(guò)流及短路保護(hù)功能
(2)穩(wěn)流電源
在輸入電壓固定為+12V的條件下:
a.輸出電流:4~20mA可調(diào)
b.負(fù)載調(diào)整率≤1%(輸入電壓+12V、負(fù)載電阻由200Ω~300Ω變化時(shí),輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)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10mA
b.電壓調(diào)整率≤1%(輸入電壓變化范圍+9V~+12V)
c.負(fù)載調(diào)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(kuò)充功能
a.排除短路故障后,自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)
b.過(guò)熱保護(hù)
c.防止開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過(guò)沖”
(2)提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)
a.提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率
b.?dāng)U大輸出電壓調(diào)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(shù)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(chǎng)上很有應(yīng)用前景,可以作為收音機(jī)或掌機(jī)的外接電源,也可以用作手機(jī)電池的充電器,功率高點(diǎn)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(shù)常用的儀器之一,它現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用在學(xué)校教學(xué),科學(xué)研究等領(lǐng)域,是電子設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)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重要的研究意義。
在日常生活中,很多家用電器或者IT產(chǎn)品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實(shí)際生活中,我們的家庭用電都是用到220V的交流電網(wǎng)。這就需要通過(guò)變壓,整流,濾波,穩(wěn)壓電路來(lái)將交流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)
(1).
電源的輸出控制
本系統(tǒng)利用lm317的穩(wěn)壓及其電壓可調(diào)的功能,通過(guò)旋轉(zhuǎn)接在調(diào)整腳的電位器,實(shí)現(xiàn)輸出電壓在1.25-20V內(nèi)連續(xù)可調(diào),調(diào)整精度較高。LM317的電壓調(diào)整電路圖如圖1所示。
圖1
lm317的電壓調(diào)整原理電路圖
如圖1所示,通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻RV1的阻值,就可以調(diào)整輸出電壓Vo的大小。所以,如果希望調(diào)整的精度高,可調(diào)電阻RV1的調(diào)整精度也要高。
(2).方案的設(shè)計(jì)思路:
a.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的制定(經(jīng)小組協(xié)商確定其調(diào)節(jié)范圍為1.25至20v)。
利用lm317集成穩(wěn)壓芯片為核心,通過(guò)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(shù)字顯示電壓表頭(內(nèi)含ICL7107芯片),表頭的供電也是用lm317制作+5V的穩(wěn)壓電源提供。方案系統(tǒng)框圖如圖3所示。
輸出
LM317穩(wěn)壓電路
變壓器
220AC輸入
電壓表頭
圖3
方案三系統(tǒng)框圖
a.1
LM317芯片的選擇理由
Lm317是可調(diào)節(jié)三端正電穩(wěn)壓器,在輸出電壓的范圍是1.25V-37V的時(shí)候能夠提供超過(guò)1.5A的電流,此穩(wěn)壓器非常容易使用,只要兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外,還使用內(nèi)部限流,熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償從而使之能防止燒斷保險(xiǎn)絲。
Lm317是應(yīng)用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構(gòu)成三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式,同時(shí)輸出電壓具有可調(diào)的功能。此外,它還有眾多的優(yōu)點(diǎn),例如,調(diào)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(shù)如下:
輸出電壓:1.25-37V
DC;
輸出電流:5mA-1.5A;
保護(hù)電路:芯片內(nèi)部有過(guò)熱,過(guò)流,短路保護(hù)電路;
最大輸入輸出電壓差:40V
DC;
最小輸入輸出電壓差:3V
DC
b.整流,濾波,穩(wěn)壓,保護(hù),DC-DC變換,穩(wěn)流,表頭供電等電路的設(shè)計(jì)
(b.1)整流電路
整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中,常見(jiàn)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(shè)計(jì)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(shí),電路中的四只二極管都是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用,當(dāng)正半周時(shí),二極管V1、V3導(dǎo)通(V2、V4截止),在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周;當(dāng)負(fù)半周時(shí),二極管V2、V4導(dǎo)通(V1、V3截止),在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成,得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。
圖6
橋式整流電路原理圖
選擇二極管要依據(jù)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(dǎo)通角愈小,通過(guò)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(guò)整流管的平均電流:
式中Ii
為穩(wěn)壓器的輸入電流,IR1、IR2、Iadj
分別為流過(guò)R1、R2,以及調(diào)整端的電流,則:
考慮到電容充電電流的沖擊,正向電流一般取平均電流的2~3
倍。二極管最大反向電壓:
式中U2為電源變壓器次級(jí)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(yùn)行,輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在5~15V范圍,取Ui-U0=10V,得:
設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根據(jù)計(jì)算,1N4007的二極管符合設(shè)計(jì)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(chǔ)存能量的作用,并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí),能夠把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái),而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候,就能把能量釋放出來(lái),是負(fù)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(jiǎn)單,而且負(fù)載直流電壓比較高,紋波也比較少,適用于負(fù)載電壓較高,負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合,也減輕了電路設(shè)計(jì)和實(shí)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(jīng)過(guò)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(shí)間常數(shù)RLC大于充電周期的3~5
倍,其耐壓值必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來(lái)說(shuō),脈動(dòng)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≥(3~5)
T2RL,式中RL為整流后的等效負(fù)載電阻,經(jīng)過(guò)考慮,本設(shè)計(jì)取C為2200uF。
設(shè)電容兩端初始電壓為零,并假定t=0時(shí)接通電路,輸入電壓U2為正半周,當(dāng)U由零上升時(shí),V1、V3導(dǎo)
通,C被充電,同時(shí)電流經(jīng)V1、V3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻,電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零,因此Uo=Uc≈U2,在u2達(dá)到最大值時(shí),Uc也達(dá)到最大值,然后U2下降,此時(shí),Uc>U2,V1、V3截止,電容
C向負(fù)載電阻RL放電,由于放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC一般較大,電容電壓Uc按
指數(shù)規(guī)律緩慢下降,當(dāng)下降到|U2|>Uc時(shí),V2、V4導(dǎo)通,電容C再次被充電,輸出電壓增大,以后重復(fù)上述充放電
過(guò)程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓,使負(fù)載電壓的波動(dòng)大為減小.
(b.3)穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路是整個(gè)設(shè)計(jì)之中一個(gè)很重要的組成部分,幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(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(shè)計(jì)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。考慮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(dāng)?shù)木嚯x,主要是存在兩方面的問(wèn)題:第一方面,但負(fù)載電流變化的時(shí)候,因?yàn)檎鳛V波電路存在一定的內(nèi)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(wǎng)電壓并不穩(wěn)定,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關(guān),因此輸出直流電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化。因此,在設(shè)計(jì)中,采用三端集成穩(wěn)壓器lm317來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。
其中,調(diào)整管接在輸入端和輸出端之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí),調(diào)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(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)行比較,然后再放大并送到調(diào)整管的基極。放大倍數(shù)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(zhǔn)電壓成正比,因此,基準(zhǔn)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(gè)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(dòng)電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時(shí)候,是調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立各自的工作電路,而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作是啟動(dòng)電路被斷開(kāi),影響穩(wěn)壓電路的性能。保護(hù)電路主要起到限流保護(hù),過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的作用。
穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖11所示。
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(jì)算:
僅僅從公式本身看,R3、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式,R3和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。1,2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能,R3應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D5,D6用于保護(hù)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0—28.6。它的使用非常簡(jiǎn)單,僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。
LM317屬于深度負(fù)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(wèn)題。
穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TJM,當(dāng)T 表示從結(jié)到器件外殼的熱阻,Rθ2 表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻,RθA 表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻,則RθA=Rθ1+Rθ2。若令Rθd 表示散熱片到周圍空氣的熱阻,Rθ’表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻,則Rθ’=RθA+Rθd。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為TJM,最高環(huán)境溫度為TAM,加散熱器后器件的功耗為PD,則有關(guān)系式: 所以器件的最大功耗必須滿足PDM≤PD。 (b.4)過(guò)流保護(hù) 電路的過(guò)流保護(hù)原理圖如圖12所示。 圖12 過(guò)流保護(hù)電路原理圖 R6為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí),穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓,電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流iout較大(約為額定電流的8~10倍),iout流過(guò)小電阻R6,并經(jīng)R5對(duì)C4充電。通過(guò)設(shè)定R6、C4的值,使充電時(shí)間τ大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ,Q1(9013)處于截止?fàn)顟B(tài),電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后,電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn),使電容C4兩端電壓達(dá)到Q1的導(dǎo)通電壓,則Q1導(dǎo)通,強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間τ大于啟動(dòng)時(shí)間δ,Q1不導(dǎo)通,電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大,一般是額定電流的4~7倍,可看成不變,設(shè)為I=5I0。根據(jù)圖15,可得以下公式: 由于R4R5,所以iR5iR5因此i約等于iR5。此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng),求解得: 假設(shè)電容C4的電壓達(dá)到0.7V為充電時(shí)間,得: 設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行,電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)短路或堵轉(zhuǎn)后,電流突然增大到短路電流IS,電容C4開(kāi)始充電。考慮一定的設(shè)計(jì)余量,取保護(hù)電流設(shè)定值IG (0+)=I0iR5,強(qiáng)制分量uc4 (∞)=IGR5,求解得: 假設(shè)增大到V2導(dǎo)通電壓0.7的充電時(shí)間為’,則’必須小于允許短路時(shí)間t,即: 要使保護(hù)起到作用,uc4 (∞)必須大于0.7V,即: (b.5)表頭供電電路 用LM317集成穩(wěn)壓模塊制作一個(gè)+5V的電源,然后用一只NPN三極管,兩只電阻,一個(gè)電感來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大,把芯片38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè)20K-56K的電阻連接到三極管“B”極,在三極管“C”極串接一個(gè)電阻(為了保護(hù))和一個(gè)電感(提高交流放大倍數(shù)),在正常工作時(shí),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(hào),把這個(gè)信號(hào)通過(guò)2只4u7電容和2支1N4148二極管,構(gòu)成倍壓整流電路,可以得到負(fù)電壓供給ICL7107的26腳使用。 表頭正負(fù)5v供電電路 (b.6)穩(wěn)流電路 本電路的穩(wěn)流模塊采用了LM317集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)流電路,將上一級(jí)產(chǎn)生的12v穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)化成輸出端的4——20MA的穩(wěn)定電流,有穩(wěn)壓源供電,利用三極管的輸出特性設(shè)計(jì),R4,D6,D7組成三極管T的偏置穩(wěn)壓電路,利用二極管的穩(wěn)壓作用,三極管T可得到穩(wěn)定偏置電流Ib,T就有穩(wěn)定的集電極電流Ic=Io=βIb,Ic的大小不受輸入電壓和負(fù)載電阻變化的影響,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出可調(diào)電流的題目要求。 穩(wěn)流電路原理圖 (b.7)DC-DC變化電路 五:擴(kuò)充部分: (1) 擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為1.5至20v; (2) 過(guò)熱不保護(hù),在LM317上加有散熱片; (3) 用數(shù)字顯示輸出電壓 六:整體電路原理圖 七:實(shí)物圖 篇2:雙電源自投方案設(shè)計(jì) 雙電源自投方案設(shè)計(jì) 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高,各單位對(duì)供電的可靠性的要求也越來(lái)越高,而雙電源設(shè)備自投即為解決此問(wèn)題而采取的有效措施之一。目前常用的雙電源自投大致可分為高壓自投和低壓自投及微機(jī)自投三類,這幾種自投方案各有優(yōu)缺點(diǎn),現(xiàn)加以分析研究比較,以便合理選用。 1、高壓自投 采用單母線接線方式,1號(hào)、2號(hào)電源互為備用,真空斷路器為ZN28系列,配CT8彈簧操作機(jī)構(gòu),該裝置的交流操作電源引自1TV、2TV,采用交流110V小型接觸器構(gòu)成交流操作電源的自投,這是高壓自投裝置的重要組成部分。這樣,無(wú)論哪一路電壓互感器也能為該自投裝置提供交流操作電源。 為防止TV一、二次側(cè)一相斷線而引起誤動(dòng)作,分別采用了三個(gè)低電壓繼電器的常閉接點(diǎn)串聯(lián)使用,同時(shí)在合閘回路及分閘回路也分別串入了閉鎖接點(diǎn)1QF、2QF,使兩組斷路器不能同時(shí)處于合閘狀態(tài),防止一路停電時(shí),另一路倒送電,有效地保證了自投裝置動(dòng)作的可靠性;正常運(yùn)行時(shí)1QF、2QF兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)均在合閘狀態(tài),假定1#電源供電,2#電源備用,若1#電源突然停電,由于1QF、2QF接點(diǎn)處于閉合狀態(tài),故斷路器1QF跳閘回路接通,1QF斷路器跳閘,同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間繼電器,延時(shí)后啟動(dòng)中間繼電器,接通2QF的合閘回路,2QF合閘,改為2#電源供電,1#電源備用。2#電源停電時(shí)亦如此,整個(gè)過(guò)程僅需2s(可調(diào))即可完成,從而有效地保證了供電的連續(xù)性。 該高壓自投方案具有動(dòng)作可靠、迅速,適合較大容量變壓器,可帶負(fù)荷進(jìn)行雙電源切換等優(yōu)點(diǎn),但一次投資較大,僅高壓斷路器設(shè)備就達(dá)8萬(wàn)元左右。另外,為保證自投可靠運(yùn)行,每年要對(duì)該裝置進(jìn)行預(yù)防性調(diào)整試驗(yàn),保護(hù)定值校驗(yàn)、輔助開(kāi)關(guān)調(diào)整、自投整組傳動(dòng)試驗(yàn)等。 2、低壓自投 低壓自投是通過(guò)交流接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙電源自投的,當(dāng)主變壓器失壓后,主變壓器的接觸器失壓跳閘,備用變壓器的接觸器即投入運(yùn)行,備用變壓器轉(zhuǎn)為主變壓器運(yùn)行,而原主變壓器則自動(dòng)轉(zhuǎn)為備用變壓器,依次類推。 低壓自投方案具有動(dòng)作可靠、投資小、見(jiàn)效快、易調(diào)試、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn),整個(gè)工程設(shè)備投資僅1萬(wàn)元左右(不包括變壓器)。另外,根據(jù)需要,依據(jù)此原理還可實(shí)現(xiàn)三電源自投,但此種方案僅適用于小容量變壓器,且切換負(fù)荷較小的用戶,而且此種方案的問(wèn)題是,在正常運(yùn)行時(shí),兩臺(tái)變壓器均需投入運(yùn)行,這無(wú)形中增加了線損,不利于變壓器降損節(jié)能的需要。 3、微機(jī)自投 微機(jī)自投適用于10kV及以上對(duì)供電可靠性要求較高的用戶,它具有動(dòng)作可靠、靈敏準(zhǔn)確、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),適合較大容量變壓器,可帶負(fù)荷進(jìn)行雙電源切換。 以上就是目前常用的自投方案設(shè)計(jì),幾種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),用戶在選擇自投方案時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,綜合安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行選擇。