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项目4
可调式双电源直流稳压电路设计

本项目所介绍的可调式双电源直流稳压电路在项目3的基础上,利用三端稳压器来实现对输出电压的调整,可将交流电源信号转变为直流稳压电源,实现输出可调,具有操作方便、电压稳定度高等特点。除输出正直流电压外,还输出负直流电压,可用于对电源精度要求比较高的设备或科研实验。

设计任务

设计一个简单的直流稳压电源,将市电转变为直流稳压电源,使其输出双电源,并能在±(1.25~26)V之间可调。

基本要求

能够提供稳定的±(1.25~26)V之间可调直流稳压电源。

最大输出电流为1A,电压调整率≤0.2%,负载调整率≤1%,纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满载)。

具有过流及短路保护功能。

系统组成

可调式双电源直流稳压电路系统主要分为以下四部分。

降压电路:利用变压器对220V交流电网电压进行降压,将其变为所需要的交流电压,以满足±(1.25~26)V电源输出的需要。

整流电路:将交流电压变为单向脉动的直流电压。

滤波电路:滤除整流电路输出的直流电中的纹波,将脉动的直流电压转变为平滑的直流电压,主要利用储能元件电容来实现。

稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压的稳定。

系统模块框图如图4-1所示。

图4-1 系统模块框图

模块详解

1.整流电路

它是全波整流的一种方式,称为桥式整流电路。该电路使用四个二极管,变压器有中心抽头。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,效率较高。利用两个半桥轮流导通,形成信号的正半周和负半周。使用有中心抽头的变压器则可以得到正负两个电压输出。

整流电路原理图如图4-2所示。整流电路输出用示波器监视,仿真结果如图4-3所示。

图4-2 整流电路原理图

图4-3 整流电路输出仿真结果

交流电压设定如图4-4所示,为了模仿市电经降压后的输入电压,将电压输入设置为50V,频率设置为50Hz。

图4-4 交流电压设定

2.滤波电路

电容滤波一般负载电流较小,可以满足放电时间常数较大的条件,所以输出电压波形的放电段比较平缓,纹波较小,输出脉动系数 S 小,输出平均电压 U O 大,具有较好的滤波特性。把电容和负载并联,正半周时电容充电,负半周时电容放电,就可使负载上得到平滑的直流电。电路在三端稳压器的输入端接入电解电容 C 1 = C 3 =1000μF用于电源滤波,其后并入电解电容 C 2 = C 4 =4.7μF用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容 C 5 = C 6 =4.7μF用于减小电压纹波,而并入陶瓷电容 C 7 = C 8 =100nF用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰(陶瓷小电容电感效应很小,可以忽略,而电解电容因为电感效应在高频段比较明显,所以不能抑制高频干扰)。滤波电路如图4-5所示。

图4-5 滤波电路

为了验证滤波电路的效果,以前端滤波电路(见图4-6)为例进行分析。前端滤波电路输出用示波器监视,仿真结果如图4-7所示。

图4-6 前端滤波电路

图4-7 前端滤波电路输出仿真结果

若将 C 1 调节为100μF,如图4-8所示,则会导致电路输出端out1与out2输出电压大小不等。在滤波电路输出端out1与out2处加入探针,用图表显示其输出仿真结果,如图4-9所示。

与固定式双电源直流稳压电路类似,本项目滤波电路中电容的大小除影响电路的滤波效果外,还影响电桥的整流输出。若上下电路不对称,则不会输出大小相等的直流电压有效值,即不会输出大小相等的直流正负电压。

图4-8 调节 C 1 后的滤波电路

图4-9 调节 C 1 后滤波电路输出仿真结果

3.稳压电路

使用三端稳压器有以下优点。

(1)元件数量少。

(2)带有限流电路,输出短路时不会损坏元件。

(3)具有热击穿功能。

三端稳压器选择LM317T和LM337T,它们的输出电压可在1.25~37V和-37~-1.25V之间连续调节,其输出电压由两个外接电阻RV1、RV2决定,输出端和调整端之间的电压差为1.25V。在输出端同时并入二极管D5、D6(型号为1N4001),当三端稳压器未接入输入电压时可保护其不至损坏。

利用RV1、RV2控制输出电压大小,调节RV1,使其处于位置1(9%),此时电路输出端out3输出+4.28V直流电压,输出端out4输出-11.36V直流电压,如图4-10 所示。

图4-10 RV1处于位置1时的稳压电路空载仿真图

用示波器监视正电压输出端out3与out4,结果如图4-11所示。

图4-11 RV1处于位置1时的稳压电路空载输出显示

如图4-11所示,该稳压电路输出稳定的正负电压。三端稳压器最易在输出脚(图4-10中2脚)电压高于输入脚(图4-10中3脚)电压时形成击穿而损坏,因此一般像图4-10中那样并联一个二极管1N4001。其主要作用是:如果输入端C1或C2出现短路,则输出2脚电压会高于输入3脚电压,很容易击穿三端稳压器,所以反向并联一个二极管,对1脚电压进行泄放,使2脚到3脚电压限幅为0.7V,可有效保护三端稳压器不被反向击穿。

加入2kΩ电阻与LED负载进行测试,如图4-12所示,用示波器监视正电压输出端out3与out4,结果如图4-13所示。

图4-12 RV1处于位置1时的输出测试

图4-13 RV1处于位置1时的稳压电路输出显示

可见,在正电源端通过调节RV1,可使其out3端输出如图4-13所示的+4.28V电压,此时电压不足以驱动LED发光;而负电源端通过调节RV2,可使其out4端输出-11.36V电压,该电压可使绿色LED发光。随后,调节RV1到达位置2(35%),使其阻值增大,则其对应电源输出电压也会增大。此时输出电压为+9.32V,负载红色LED点亮。RV1处于位置2时的稳压电路空载仿真图如图4-14所示。

图4-14 RV1处于位置2时的稳压电路空载仿真图

用示波器监视正电压输出端out3与out4,结果如图4-15所示。

图4-15 RV1处于位置2时的稳压电路空载输出显示

在两个三端稳压器输出端out3、out4处接入2kΩ电阻与LED负载进行测试,如图4-16所示,结果如图4-17所示。

图4-16 RV1处于位置2时的LED测试(一)

图4-17 稳压电路负载输出显示(一)

可见,在正电源端通过调节RV1,可使其输出如图4-17所示的+9.32V电压,此时电压足以驱动红色LED发光,因而红色LED被点亮,实现了输出电压可调。

若在两个三端稳压器输出端out3、out4处接入10kΩ电阻与LED负载进行测试,如图4-18 所示,则结果如图4-19所示。

图4-18 RV1处于位置2时的LED测试(二)

图4-19 稳压电路负载输出显示(二)

可见,当加在稳压电路输出两端的负载发生改变时,电路输出电压基本不随负载变化而变化(负载调整率小于1%),故满足稳压设计指标要求。

可调式双电源直流稳压电路整体电路原理图如图4-20所示。

图4-20 可调式双电源直流稳压电路整体电路原理图

经过对电路板进行实际测试,输出电压在1.48~14.84V之间可调,基本符合设计要求。

PCB版图

PCB版图如图4-21所示。

图4-21 PCB版图

实物测试

可调式双电源直流稳压电路实物图如图4-22所示,可调式双电源直流稳压电路测试图如图4-23所示。

图4-22 可调式双电源直流稳压电路实物图

图4-23 可调式双电源直流稳压电路测试图

思考与练习

在设计可调式直流稳压电路时,使用LM317T、LM337T有何优势?

:LM317T、LM337T是应用最为广泛的电源集成电路,它们不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式,而且具备输出电压可调的特点。此外,还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317T、LM337T是可调式三端正/负电压稳压器,在输出电压范围为±(1.2~37)V时能够提供超过1.5A的电流,易于使用。

特别提醒

有时需在三端稳压器上安装散热器。一般半导体集成电路所能承受的消耗功率与器件尺寸大小成正比。不加散热器时LM317T、LM337T允许功耗约为1.5W。若考虑输出短路的情况,功耗会增至2.1W,为提高三端稳压器的承受能力,供电时间长时需使用散热器。 DqNzLhXRxeLsgnvPgj4CtHIS9rs0VhVmLV7FbumOXmxK8cu35boh+JbN7LuK7Qp2

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