直流稳压电源设计制作与调试Word文档格式.docx
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①主要参考资料
②电源面板图
③元器件清单
④整机原理电路图
4.3.3直流稳压电源设计任务分解(实训子项目)
1.直流稳压电源的基本功能
直流稳压电源的基本功能就是将交流电转变为直流电,且在一定的技术要求下输出稳定的电压,为其它电子电路提供稳定的直流电源。
图4-3-1直流稳压电源基本功能
2.直流稳压电源电路框图
直流稳压电源电路框图如图4-3-2所示。
从图中可知,系统由降压变压器、整流器、滤波器、稳压器和保护电路共五个部分组成。
图4-3-2 直流稳压电源的电路框图
3.直流稳压电源参考电路原理图
图4-3-3为直流稳压电源参考电路原理图。
图4-3-3直流稳压电源参考电路原理图
4.直流稳压电源设计任务分解(实训子项目)
(1)降压变压器
降压变压器将电网220V、50Hz交流输入电压降压后变为所需的约18V交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。
图4-3-4为直流稳压电源变压器电路,图中为了控制电源,在变压器初级接一开关,作为总的电源开关K。
图中在变压器次级接的B*(1A)是保险管,作用是防止电流过大损坏变压器。
图4-3-4直流稳压电源变压器电路
(2)整流器
二极管桥式整流电路将变压器变换后的交流电压转变为单向的脉动直流电压,由于这种电压存在着很大的脉动部分(即纹波),如果用它直接给负载供电,纹波的变化会影响后级电路的性能指标,所以还必须进行处理。
二极管桥式整流电路的优点是输出电压高,脉动系数小(纹波电压小),每管所承受的最大工作反压较其它方案低,电源电压利用率高,因而整流效率也较高,变压器无需中心抽头。
电路的缺点是使用的二极管数量较多(D1~D4可采用1N4001~1N4007),整流管总的压降较大,在大电流工作状态下,会使电路效率下降。
(3)滤波器
电容滤波电路对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理,使它成为一个含交流成分很小的、更加平滑的直流电压。
即滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器,且其截止频率一定是低于整流输出电压基波频率的。
虽然电容C1取得越大,脉动系数
就越小,脉动成分就小,但一般取
RLC1=
T为交流电网电压的周期(
)。
电容滤波电路的优点是在输出电流IO不高时,体积小,成本低。
电容滤波适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
(4)稳压器
稳压器为电源的核心部分。
尽管经过整流滤波后的直流电压,可以充当某些电子电路的电源,但是其电压值的稳定性很差,它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大。
因此还必须有稳压电路,以维持输出直流电压的基本稳定。
图4-3-5为直流稳压电源稳压器电路,通过三端可调线性集成稳压器LM317的稳压,输出电压在输入电网波动±
10%、输出负载变化以及温度波动几种情况下仍然可以保持不变。
图4-3-5直流稳压电源稳压器电路
三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的,但可以通过外接元件R2、R3来扩展输出电压,达到调压作用,如图4-3-5所示。
输出端和调节端之间在工作时产生标称值为V的基准电压UREF,这个基准电压加在电阻R2上,由于电压是恒定的,就有一个恒定的电流流过输出设定电阻R3,得到的输出电压是:
UO=RREF(1+R3/R2)+IADJR3
IADJ代表了一个误差项,在设计LM317时尽量减小IADJ,并使之等于一个常数,完全不随输入电压和负载变化,于是:
UO≈1.25(1+R3/R2)
可见,当R2取定(通常取R2=240Ω)后,改变R3的值,输出电压UO也随之改变,即输出UO可调。
发光二极管LED与限流电阻R1串联接在稳压器的输入端,当电源开关K闭合时,指示灯亮。
C2:
应靠近稳压器,起消振作用(即防止自激振荡)。
C3:
为一旁路电容,可进一步抑制纹波,当输出电压升高时,C3可防止纹波的放大。
(即将R3上的纹波旁路掉)
C4:
由于使用了C2、C3等,与任何反馈电路一样,某些数值的外接电容(500рF~5000рF)可能引起振荡,C4的作用就是消除这种效应,确保工作稳定。
T1:
扩流电路。
由于三端集成稳压器输出电流固定且较小,带负载能力差,在实际工作中,往往需要稳压器输出较大电流,以提高带负载能力,利用T1进行电流放大,T1接成共集电极电路(射随器),具有电流放大作用,由于电流较大,T1采用3DD15D大功率管。
实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表,作UO的指示。
(5)保护电路
对于一个功能完善的稳压电源来说,必须有一套完整可靠的保护电路,在串联稳压电路中,若使用不慎,负载电流过大或输出短路的情况是可能发生的。
此时,LM317内部调整管的功耗将剧增,尤其是在短路的情况下,全部输入电压都加到调整管两端,这就会使调整管的功耗超过它的极限功耗PCM而损坏调整管,所以必须采用合适的过流保护电路。
直流稳压电源保护电路如图4-3-5中的D5、D6和图4-3-6所示。
①保护二极管
大多数电容的串联内阻是很小的,当短路时放电电流将产生20A的脉冲尖峰,即使短路的时间很短,但放电能量足以损坏集成电路。
当LM317的调整管有外接电容时,需加保护二极管以防止电容通过小电流端放电而进入调整器。
D5:
防止C4的反峰。
当调整管的输出端接有电容C4而输入端被短路时,输出端电容将向调整管输出端放电,放电电流与电容量有关,也与输出电压及输入电压减小的速率有关。
D5为C4提供了一条放电回路,即防止C4的反峰高压对LM317的冲击。
D6:
防止C3的反峰。
由于在调整管的调整端接有旁路电容C3,当输入或输出端短路时,在C3上要产生一个反峰高压。
当输出端短路时,C3通过D6放电。
当输入端短路时,C3通过D6、D5放电,防止C3反峰冲击调整器。
图4-3-6直流稳压电源三极管过流保护电路
②T2和T3保护电路
通过T2和T3保护电路,可以防止电流过载或输出短路时损坏器件。
R6为采样电阻,以便对输出电流进行动态监视。
R6阻值,功率为3W。
当输出电流大于A(额定电流)时,R6×
Ω=0.75V(或大于V)时,三极管T3导通,R5压降升高,T2也导通,从而使从LM317的输出电流从T2分流一部分,这样流进扩流管的电流便减小,输出电流也减小。
从而达到过流保护的目的。
当输出电流减小到一定程度,R6上的压降小于V即T3截止,T2也截止,电路恢复正常。
C5:
当负载恢复正常,IO<1.5A,T3截止,由于C5已充电,使T2再维持导通一段时间,直到C5放电到不能维持T2导通,即防止负载连续突变而造成的T1连续被冲击(防干扰),同时还具有交流旁路功能。
C6:
输出电容,作用之一是滤波,作用之二是防止当输出电压突变时造成对负载冲击(消振)。
5.电路所用元件及其作用
表4-3-1直流稳压电源所用元件及其作用
元件
型号或数值
数量
作用
稳压器
LM317
1
三端集成稳压器
变压器T
/
电源变压器,将输入220V,50Hz交流电压降压
开关K
电源开关
保险管B*
1A
防止电流过大损坏器件
电压表头
输出电压指示
二极管D1~D4
1N4007
4
桥式整流,将交流信号变成脉动直流
二极管D5、D6
2
保护,防止调整器外接电容通过小电流端放电而进入调整器
三极管T1
3DD15D
采用大功率管扩流
三极管T2
9013
过流保护
三极管T3
9012
发光二极管LED
作电源指示
电容C1
3300μF
滤波电容,滤除交流成分,使脉动直流更加平滑
电容C2
μF
消振电容,靠近稳压器,起消振作用(即防止自激振荡)
电容C3
47μF
旁路电容,当输出电压升高时,可进一步抑制纹波,防止纹波的放大
电容C4
100μF
消振电容,消除某些数值的外接电容(500
~5000
)可能引起振荡
电容C5
防止负载连续突变而造成对T1连续冲击(防干扰),T2的交流旁路电容
电容C6
输出电容,滤波、防止当输出电压突变时造成对负载冲击(消振)
电阻R1
Ω
发光二极管的限流电阻
电阻R2
240Ω
调压
电位器R3
kΩ
电阻R4
为T2提供导通/截止条件
电阻R5
360Ω
电阻R6
Ω/3W
采样,以便对输出电流进行动态监视
4.3.4直流稳压电源印制板电路的设计与制作
1.直流稳压电源的印制板电路的设计
印制板电路的设计是一次十分重要的工艺环节,若设计不当,会直接影响整机的性能,甚至不能正常工作。
一般情况下,印制电路板的一面放置元件称元件面,另一面用于布置印制线称印制面或焊接面。
(1)元件排列的原则
①按信号流向排列,一般从输入级开始,到输出级终止;
②发热量大的元件,应加散热器,并尽可能放置在有利于散热的位置以及靠近机壳处(甚至可以考虑放在机壳上);
③对于比较大、重的元件,要另加支架或紧固件;
④热敏元件要远离发热元件;
⑤某些元件或导线间有较大电位差者应加大它们的距离;
⑥尽可能缩短高频元件的连接线,设法减小它们的分布参数和相互间的干扰,易受干扰的元件应加屏蔽;
⑦可调元件布置时要考虑到调节方便;
⑧对称式的电路(如推挽功放、差动放大器、桥式电路、两个相同的子电路等)要注意元件的对称性,尽可能使其分布参数一致;
⑨每个单元电路,应以核心器件为中心,围绕它进行布局;
⑩元件排列应均匀、整齐、紧凑、单元电路之间的引线应尽可能短,引出线应少;
位于边缘的元件,离印制板边缘距离至少大于2mm;
;
电路板应留有紧固的位置,放置紧固件的位置应考虑到安装拆缷方便;
若有引出线,最好使用接线插头;
有铁芯的电感线圈,应尽量相互垂直放置,且远离以减小相互间的耦合;
相同的元件应尽量采用相同的跨距。
本次实训要求将电压表头、电源开关、发光二极管(指示灯)、R3(电位器)、输出接线柱安装在机壳前面板上;
电源变压器安装在底座上;
保险管座和电源线装后板上。
在设计印制电路板时,应充分考虑散热片的位置。
(2)元件安装数据的获得
①查手册等获得元件的安装数据;
②实测元件获得安装数据。
(3)布线的原则
①布线要短;
②一般将公共地线布置在边缘部分,边缘应留有一定距离;
③高频元件和高频引线一般布置在中间,以减小它们对地和机壳的分布电容;
④拐弯要园,因直角、尖角对高频和高压影响较大;
⑤在条件允许的情况下,线条可适当加粗,间距可适当加大;
⑥单面板的印制导线不能交叉,遇到此情况可绕行;
⑦走线正确,布线均匀美观。
印制电路板的设计是一项实践性很强的工作,以上原则在不同情况下,有其不同的侧重点,应根据具体的电路特点和机械结构要求灵活应用。
(4)设计方法
①计算机辅助设计;
②手工设计。
2.印制电路的绘制
(1)焊盘的绘制
①通常采用圆形焊盘;
②焊盘的内圆是加工钻孔的,定位孔要小;
③焊盘的外径D是钻孔直径d的2位以上;
④钻孔直径d比焊件直径大0.2mm左右。
(2)导电线条的绘制
①简洁美观、不出尖角,印制导线与焊盘应平滑过渡;
②印制导线的宽度:
对分立元件,一般1.5~3mm;
对集成电路1mm或以下;
对大电流导线应适当加粗。
③在同一印制板上,除电源和地线外,其余印制导线宽度应尽可能一致;
④公共地线最好布置在印制板边缘,同时尽可能增加地线的面积,以改善屏蔽效果。
(3)安装孔
安装孔是固定大型元件或固定印制板本身所设计的孔位,要够足留够的空间。
3.印制电路板的手工制作方法
(1)选择敷铜板,清洁板面
①根据电路要求,裁好敷铜板的尺寸和形状;
②先用砂纸将敷铜板的边缘打磨一下(去毛刺);
③在敷铜板上放少许去污粉,加水用布将面板擦亮,然后再用干布擦干净。
(2)复印印制电路
将设计好的印制电路图用复写纸复印在敷铜板上。
复印时,印制电路与敷铜板要对整齐。
(3)描漆或贴膜
①描漆:
在印制导线和焊盘上描一层易干漆,要描均匀,厚薄适宜,边缘清晰无毛刺。
②贴膜:
用透明胶带将整个板面都贴住,然后用刀片将不需要的部分刻掉。
(4)腐蚀
①待漆干燥;
②将电路板放到三氯化铁溶液中进行腐蚀,铜遇三氯化铁发生置换反应(可加热加光以加速反应);
③大约需30~60分钟。
(5)清洗
①等待电路板上没有涂漆或贴膜部分的铜箔全部腐蚀掉;
②将电路板取出用水清冲洗;
③晾干后用香蕉水溶去电路板上的漆皮或撕掉胶膜。
(6)修整
将腐蚀好的印制板,用刀片修整导线和焊盘边缘使其平滑、无毛刺。
(7)钻孔
①按图样所标尺寸钻孔;
②孔要钻在焊盘中心,且垂直板面,光滑无毛刺;
③然后用细砂纸将印制电路轻轻擦亮,用干布擦去粉末。
(8)涂助焊剂
①助焊剂一般是松香、酒精按1︰2的体积比例配制成的溶液;
②助焊剂的目的是容易焊接,保证导线性能,保护铜箔,防止产生铜锈;
③用毛刷沾上助焊剂在印制电路板上刷上薄薄一层晾干后,印制电路板完成待用。
4.3.5调试的步骤与方法
由于直流稳压电源的电路已经很成熟,可以直接将整机电路全部焊接完成后再分模块进行调试。
1.熟悉直流稳压电源的技术性能指标
稳压电源的输出电压UO会受到输入电压UI、负载电流IO和环境温度T(℃)这三个因素的影响,即
UO=f(UI、IO、T)
(1)最大输出电流IM
IM是指稳压电源正常工作情况下能输出的最大电流,取决于调整管的最大允许耗散功率和最大允许工作电流。
(2)输出电压和电压调节范围
按照使用对象来确定。
对于需要固定电源的设备,其稳压电源的调节范围要小。
对于商用电源:
从零伏起调,调节范围要大,且要连续可调。
(3)保护特性
当电流过载或短路时,调整管有损坏的危险,应自动启动快速响应的过流保护。
当稳压电源出现故障时,输出电压过高,危害负载,应自动启动快速响应的过压保护。
(4)效率
稳压电源是一个换能器,存在换能效率问题,提高效率主要是降低调整管的功耗,这样既能节能、又能提高电源的工作稳定性。
(5)过冲幅度
过冲:
由于某一因素影响量瞬变而引起输出电压超出稳压区。
过冲幅度:
输出电压偏离额定值的最大幅度。
a.交流供电电源阶跃变化时的过冲幅度(220V±
10%阶跃变化)。
b.负载阶跃变化时的过冲幅度(负载电流从空载到滿载之间阶跃变化)。
(6)输入电压调整因数
整流滤波后输入电压的变化量与所引起的输出电压的变化量之比。
(7)稳压系数
输出电压和输入电压的相对变化量之比,表征电源的稳压性能。
或:
(8)输出电阻
在输入电压和温度系数不变的情况下,输出电压变化量和负载电流变化量之比。
负号表示
与
变化方向相反。
(9)温度系数
在输入电压和负载电流均不变的情况下,单位温度变化所引起的输出电压变化,又称温度漂移。
(10)纹波电压
在额定工作电流的情况下,输出电压中的交流分量值称为纹波电压。
纹波电压有效值的符号为
,因为输出电压中的交流分量主要来自于输入电压中的交流分量
,
可视为输入电压的变化量。
显然,稳压电路本身会对这种变化量进行抑制,所以:
有时也常用纹波抑制比来说明纹波电压的大小:
显然纹波抑制比越大越好。
上述其余几个指标越小越好。
2.通电测试前进行检查
(1)检测电源变压器的绝缘电阻,以防变压器漏电而危及人身或设备安全。
可采用兆欧表测量初级、次级绕组之间、各绕组与接地屏蔽层之间、绕组与铁心之间的绝缘电阻,应大于1000MΩ,若用万用表高阻挡检测,应指示为无穷大。
(2)电源变压器的初级和次级绕组不能搞反,否则会损坏变压器或带来电源故障。
(3)保险丝是否装入。
(4)整流二极管和滤波电容的极性不能接反,否则会损坏。
(5)LM317的输入、输出和公共端不能接错,特别是公共端不能开路,否则可能导致负载损坏。
若输入端和输出端接反,当输出端电压超过输入端电压7V以上时,将击穿内部调整管。
(6)保护二极管极性不能接错,否则不能起到保护作用。
(7)大功率三极管3DD15D的三个电极不能接错,两个类型相反的三极管9012(T3)和9013(T2)不能搞反。
(8)检查输出端不应该有短路现象。
3.空载检查
(1)断开电源变压器与后级电路,接输入220V的交流电压,用万用表交流电压挡测量变压器次级交流电压值,应为设计值。
再检查变压器是否通电后温度明显升高甚至发烫,若是,说明变压器质量差不能使用。
若正常可进行下一步。
(2)断开滤波器的后级电路,将变压器与后级电路连线恢复,接通220V交流电压,观察整流二极管是否发烫,若正常用万用表直流电压挡测整流滤波电路的输出直流电压是否为设计值。
(3)断开负载,将滤波器与后级电路连线恢复,接通220V交流电压,测量输出电压是否为设计值。
若正常再检查稳压器输入、输出端的电压差是否大于最小电压差(约2~3V左右)。
4.直流稳压电源几个性能指标的测量
(1)最大输出电流IM的测量
方法:
令RL=∞,测试输出电压UO;
接上RL,并逐渐减小RL的值,直到UO下降5%,此时的电流即为IM。
(2)测试UO的调节范围
令RL=∞,调R3测试UOmin~UOmax。
(3)测试纹波电压
使UO=18V,IO=200mA。
用交流毫伏表并接在RL两端测出纹波电压。
(4)测试输出电阻rO
调节R3使UO=18V,调节RL使IO1=200mA,IO2=25mA。
测IO=200mA时的UO1,IO2=25mA时的UO2
根据表4-3-2计算rO
表4-3-2直流稳压电源性能指标测试表
IO
UO
△IO=IO1-IO2
△UO=UO1-UO2
rO=△UO/△IO
IO1=200mA
UO1=
175mA
IO2=25mA
UO2=
4.3.6故障及其诊断与排除方法
下面简要介绍直流稳压电源在安装调试过程中常出现的故障,及故障的诊断与排除方法。
(1)降压变压器电路故障
图4-3-4直流稳压电源变压器电路中,有接线插头、电源开关、变压器、保险管。
①故障现象:
变压器次级无输出交流电压。
产生原因:
可能是接线插头断路、电源开关断路、变压器损坏、保险管熔断等。
查找方法:
先测量变压器的初级是否有220V交流电压,从而判断故障点在变压器之前还是之后。
若无220V交流电压,说明是接线插头断路或电源开关断路。
若有220V交流电压,可取出保险管测量,进一步判断故障源。
②故障现象:
当电源开关K闭合时,指示灯不亮,反之,K断开时,指示灯亮。
电源开关接反了。
(2)桥式整流电容滤波电路故障
①U2U2)
输出负载空载。
输出直流电压约为1U2U2)。
桥式整流电路中的二极管有一对没有正确接入电路,使电路变成半波整流。
滤波电容接入电路,滤波电路工作。
③U2U2)。
滤波电容未能接入电路,滤波电路没有工作。
④U2U2)。
滤波电容未能接入电路,滤波电路没有工作,而且桥式整流电路中的二极管有一对没有正确接入电路,使电路变成半波整流。
⑤故障现象:
输出直流电压纹波过大,即脉动系数
太大。
滤波电容不够大,或负载阻值太小。
(3)稳压器电路故障
稳压器电路的输出电压与输入电压完全相等(正常应输出至少比输入小2~3V)。
可能是LM317稳压器的公共端开路。
稳压器电路的输出电压固定为V。
R3被短路,使输出只能为V的基准电压UREF。
③故障现象:
电压表指示的输出电压UO与R3的变化相反,即R3增大时输出变小,R3减小时输出变大。
R3接反。
④故障现象:
最大输出电流IM太小。
扩流电路3DD15D没有正常工作。
(4)保护电路故障
故障现象:
失去过流保护作用。
可能是T2和T3接反,或是T2和T3的引脚接错。
4.3.7时间安排建议
表4-3-3直流稳压电源实训时间安排建议
序号
实训内容
方式
时间(H)
备注
布置本次实习的任务及要求
讲授
任务驱动
直流稳压电源的工作原理及框图
3
直流稳压电源原理设计
设计
12
查阅资料
印制电路板的设计过程及要求
5
发放元件及印制电路设计准备
操作
6
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