电源电路的制作

1电源电路的制作1.1.1三端稳压器件组成的直流稳压电源电子初学者的重要训练课题之一就是用三端集成稳压器组装输出电压可调的稳压电源三端稳压器件按照它们的性能和不同用途，可以分成两大类，一类是固定输出正压（或负压）三端集成稳压器W7800（W7900）系列，另一类是可调输出正压（或负压）三端集成稳压器W317（W337）系列。前者的输出电压是固定不变的，后者可在外电路上对输出电压进行连续调节。今天大家装机使用的就是三端可调正压输出集成稳压器W317。怎样用固定电压输出三端集成稳压器组成稳压电源呢？这种电源电路很简单，我先画出电路图（图2）。三端稳压器的输入端接在整流滤波电路的后面，输出端直接接负载，公共端接地，电源就能正常工作，输出稳定的直流电压。但是，在实际应用中为了抑制高频干扰并防止产生自激振荡，在它的输入端并联了电容器C1，输出端并联了电容器C2。国产固定输出三瑞稳压器产品有多少种输出电压可供选择？对它的输入电压Ui有什么要求呢？固定输出正压（或负压）三端集成稳压器产品的输出电压（绝对值）有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V共7种，可以根据实际需要选择使用。为了保证2稳压器能够正常工作，要求输入电压Ui与输出电压Uo的差值应大于3V。压差太小，会使稳压器性能变差，甚至不起稳压作用；压差太大，又会增大稳压器自身消耗的功率，并使最大输出电流减小。厂家对每种型号的稳压器都规定了最大输入电压值。一般取Ui-Uo为3～7V。从型号上怎样体现三端稳压器输出电压的大小呢？我们以W7800系列的稳压器产品为例，一般都用“78”后面的数字表示输出电压的大小。例如，W7806表示输出电压为6V；W7812表示输出电压为12V，等等。三端稳压器的输出电流有多大呢？三端集成稳压器按最大输出电流不同又可分成三个系列：W7800、W317系列的最大输出电流为1.5A；W78M00、W317M系列的最大输出电流为0.5A；W78IDO、W317L系列的最大输出电流为0.1A。我在商店里看到三端稳压集成块有好几种不同的外形。国产三端稳压器的封装形式有F-2型、TO-92型、S－1型、S-7型等多种，我这里有几种样品（图3），大家可以看一看。需要特别说明的是，三个引脚的排列和它们的功能，对不同型号的产品或不同厂家的产品可能并不相同，使用时一定要看说明书。固定输出电压三端稳压器在外部电路接上一些元件能不能改变它的输出电压呢？实际上固定输出电压三端稳压器的应用也是灵活多样的，可以用它组成几十种不同功能的电路。我现在画一种能提高输出电压的电路（图4），它只需要在稳压器输出端和地之间接上一个由电阻R1和R2组成的电阻分压电路，把稳压器公共端接在分压点上，就能提高输出电压，决定输出电压大小的计算公式是3只要选定R1、R2的比值，就能得到所需的输出电压。需要注意，要提高输出电压Uo，就必须相应地提高输入电压Ui，一般应使输入电压高于输出电压3～5V。能不能用W7800系列稳压器组成电压连续可谓的稳压电源呢？可以。组成这种可谓的稳压电源的电路形式也很多。就拿刚刚介绍的电路（图4）来说，把R2换成可变电阻，就可以通过调节R2来改变输出电压（图5）。只不过这种稳压电源的精度不高，为了提高稳压性能，可在外电路接入一个由高增益运算放大器μA741组成的电压跟随器，电位器RP=R1＋R2构成取样电路（图6），这个稳压电源的输出电压Uo可以在7～20V范围内连续调节。只不过这种电路需要外接集成运算放大器，成本高、精度低、耗电大，已经较少采用了。如果想要扩展三端稳压器的输出电流，有没有可能呢？三端稳压器的最大输出电流取决于内部调整管的集电极最大允许电流。如果想要扩展稳压电路的输出电流，可以在外电路接入一个大功率三极管，使它与内部调整管组成复合调整管（图7）。三端稳压器W7800的最大输出电流为1.5A，外接一个PNP型大功率三极管3AD30C，它可以输出3.5A的电流，这样，整个稳压电源的输出电流就是5A了。4三端可调输出电压稳压器W317有什么特点呢？W317是一种可调输出正压三端集成稳压器（图8），它的三个端子除了输入端和输出端外，第三个端子ADj不是公共端（接地端），而是电压调整端，通过调整端外接两个电阻R1、R2组成调压电路，就能组成一个输出电压连续可调的稳压电源（图9）。请看这个电路图，只需调节可变电阻R2，就能使输出电压Uo在1.2～37V范围内连续变化。我们刚刚制作的电源电路（图1）比较复杂，您再给我们分析一下它的工作原理吧。今天大家组装的是W317（有的产品型号叫LM317）的典型应用电路。虚线左边是大家熟悉的整流滤波电路，虚线右边是以W317为核心的可调稳压电路。电阻R1和可变电阻R2构成取样电路，C2是为了减小取样电阻R2两端的纹波电压而并联的旁路电容器，C3、C4的作用仍是用来抑制高频干扰和防止产生自激振荡。需要说明的是两个二极管的作用，VD1是保护二极管，用来防止输入端发生短路时因C4放电可能造成的内部调整管的损坏。VD2也是保护二极管，当输出端出现短路时，C2两端的电压作用在VD2两端使它正偏而导通，为C2提供放电通路，避免C2上的电压击穿内部的放大管。为什么稳压集成块要装散热器呢？三端稳压器属于功率半导体器件，它作为整机或局部电路的电源，需要输出一定的功率，特别是内部的调整管，供给的是全部负载电流，因此，在使用过程中稳压器件要发热，使芯片温度升高，限制了它的最大功率Pmaxo。例如，在不加散热片时，F－2型封装最大功率Pmax为2.5W，S－7型封装为2W。加装规定的散热器后，前者Pmax≥15W，后者Pmax≥7.5W。Pmax称为极限运用功率。散热器的散热面积一般不应小于100mm2。三端稳压器在使用中怎样才能保证不会超过它的极限运用功率Pmax呢？三端稳压器内部的调整管两端的电压为Uce=Ui-Uo，流过管子的电流为全部5负载电流Io，所以调整管的功率损耗为P＝（Ui-Uo）Io，Ui是固定不变的，为保证使用中P≤Pmax，输出电压Uo越小，相应的负载电流Io也应越小。实际上三端稳压器内部都没有调整管安全工作区保护电路，一旦Ui-Uo超出容许值，输出电流会自动下降，保证调整管的功耗在安全区之内1.1.2开关电源2系统的整体方案分析选择2.1组合式开关电源的结构开关电源作为一种高效、轻型、高性能的电源已广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。而在变频器中的广泛应用更显其本色。变频器的控制回路、驱动回路、保护回路、检测电路等需要十余种相互隔离的电源。采用开关电源后,可以使变频器体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽,大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。开关电源的种类很多,不同容量等级的变频器采用不同形式的开关电源。根据我们研制的交流变频调速系统的特点,要求开关电源适应范围为50V~330V,且在输入电压低至50V时仍然能输出满功率,显然常规的开关电源不具备这样宽的调节范围。为此,采用由斩波器和推挽式变换器组成的两级组合式开关电源作为装置的各种控制电源。由于采用了斩波器使开关电源在输入50V~330V的变化范围内都能稳定输出中间直流电压,输出功率达500W以上。在得到稳定的中间电压基础上,用PWM(脉宽调制)调制技术加推挽放大得到装置所需的各种等级电源及驱动电路所需方波电源。如下图所示：图2.1组合式开关电源原理示意图组合式开关电源原理示意图如图1所示。该电源主要由两级组成:第一级是降压斩波器,通过PWM控制V2管的开通和关断,使输入电压(取自主回路中间直流电压)在50V~330V范围内能够输出稳定直流24V电压。该24V电源用于后一级变换器的输入6以及交流变频调速装置的风扇和电机磁闸电源。第二级变换器实际上是将直流24V重新凋制,控制V3,V4交替导通和关断,把24V直流电压变换成高频交流电压,经高频变压器副边输出多组装置所需的各种电压和驱动所需的方波电压。为了保证在送电初期电源能正常工作,特设置了初始电源产生电路。在斩波器稳定输出24V后,初始电源退出工作,由电源本身提供工作电源。注：图中所示的V2、V3、V4指通用的开关管不一定是功率晶体管。电源控制回路采用UC系列集成电流控制芯片UC3842，UC3846作为控制芯片。可实现精确控制，提高电源的可靠性并可方便的实现保护电路的设计。开关电源的控制芯片在主回路与控制回路之间存在隔离问题,考虑到光耦合器速度较慢,且还需提供工作电源,故本电源用脉冲变压器实现主回路与控制回路之间的隔但使用脉冲变压器对斩波器斩波管V2的驱动会生一些问题。将在驱动电路部分分析解决。2.2组合式开关电源的原理分析2.2.1斩波器电路开关电源斩波器电路原理图如图2.2所示,它的功能是将从主回路中间直流电压(50V~330V)变成24V稳定直流电压输出。R2RtRtR1LCQ1D1V1V2Dz+5CtUC3842DC+Vout+24V图2.2第一级斩波电路原理图斩波器控制电路采用PWM集成电路UC3842,电阻Rt、电容Ct决定了斩波器的工作频率。R1,R2为反馈电阻,其值决定输出电压大小,UC3842的基准电源为5V,R5是电流反馈电阻,当负载电流超过限定值时,R5将此信号反馈回UC3842,使其停止工作,起到过流保护的作用。从UC3842出来的控制信号加到互补管V1,V2上,通过脉冲变压器原边产生驱动信号,驱动斩波工作。脉冲变压器的原边截止时产生很大的尖峰脉冲电压,对V1,V2产生危害。为此加吸收电容,可以大大减小尖峰脉冲。图2.3是不加吸收电容和加吸收电容时的驱动波形。减小开关管的开关损耗是保证开关管正常工作的重要因素。为此必须充分减小开关管的导通、截止过渡过程时间。采取以上措施后,开关管的导通、截止过渡过程时间可以大大减小。脉冲变压器通过一个限流电阻和稳压二极管Dz驱动Q1，该驱动电路性能随着D的变化而不同。7不加电容驱动波形加电容驱动波形图2.3驱动波形图2.2.2推挽式变换器电路开关电源的推挽变换器电路如图2.4所示C1,R1,D1组成了RCD缓冲电路,D2，C2，R2为了保护变压器的绕组，防止电感峰值。Rt,Ct决定了UC3846的振荡频率,亦即高频变压器的工作频率。Rr为电流检测电阻,使高频变压器副边稳定输出,不受负载等影响。在过载时使UC3846停止工作。UC3846发出控制信号驱动Q2、Q3两个mosfet管交替导通、截止,将输入24V直流电压变成高频交流信号耦合到高频变压器的副边,经整流后得到所需的各等级电源,由于UC3846的输出电流足够大可以直接驱动开关管。图2.4推挽式变换器电路原理图83电源主电路设计3.1buck变换器3.1.1buck工作原理BUCK变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本结构如图3.1所示。假定:(l)开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零;(2)电感、电容是理想元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零;(3)输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略。图3.1Buck变换器电路工作过程：当主开关Tr导通，如图3.2所示，is=Li流过电感线圈L，电流线性增加在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当isi。时，电容在充电状态。这时二极管D承受反向电压而截止。经时间D1Ts后，如图3.3所示主开关Tr截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以保持其电流Li不变。负载两端电压仍是上正下负。在LiIo时，电容处在放电状态，以维持Io、Vo不变。这时二极管D，承受正向偏压为电流红构成通路，故称D为续流二极管。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。其工作图如下图3.2和图3.3所示:9图3.2Tr导通图3.3Tr关断在一般的电路中是期望BUCK电路工作在连续导通模式下的，在一个完整的开关周期中，BUCK变换器的工作分为两段，其工作波形图为:图3.4BUC