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可调直流稳压电源电路的设计方法0~24V

1 引 言

电子电路要正常工作,电源必不可少,并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大,尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中,对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中,要求为电机驱动电路提供1个其输出能从0 V开始连续可调(0~24 V)的直流电源,并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计,其要求是输出电压从0 V开始连续可调;所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调;输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外,电路还必须简单可靠,能够输出足够大的电流。

2 电路的设计

符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种,比较简单的有3种:

(1)晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示,该电路中,输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压,取样电压与基准电压进行比较得到误差电压,该误差电压对调整管的工作状态进行调整,从而使输出电压发生变化,该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反,从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调,因此要在基准电压处设计辅助电源,用于控制输出电压能够从0 V开始调节。

(2)采用三端集成稳压器电路。如图2所示,他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整范围较宽,设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调,因要求电路具有很强的带负载能力,需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少,成本低且组装方便、可靠性高。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单,但增加辅助电源后,电路比较复杂,由于都采用分立元件,电路的可靠性难以保证。

其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分,硬件部分原理图如图3所示。(3)用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件,用稳压电源芯片LM317,LM337作为第二级调压元件,通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值,从而改变调压元件的外围参数,并加上软启动电路,获得0~24 V,0.1 V步长,驱动能力可达1 A,同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

该电源稳定性好、精度高,并且能够输出±24 V范围内的可调直流电压,且其性能优于传统的可调直流稳压电源,但是电路比较复杂,成本较高,使用于要求较高的场合。在实际中,如果对电路的要求不太高(这种情况较多),多采用第二种设计方案。正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及外围器件组成,输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配,电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样,以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值,可以方便用户在重新上电后不用设置,而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

3 实际电路的设计

电路采用三端集成稳压器电路方案,电路原理图如图4所示。其中IC为三端集成稳压器。晶体管T,阻R3,和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。

(1)三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器,其输出电压调节范围可达1.25~37 V,输出电流可达1.5 A,内部带有过载保护电路,具有稳压精度高、工作可靠等特点。其输出电压的调节原理如图5所示。由于LM317的2,3脚之间的电压U32为一稳定的基准电压(1.25 V),故有:

 

 

(2)电压补偿电路的设计。因要求输出电压从0 V起调,LM317集成稳压器不能直接满足要求,需设计一个电压补偿电路,抵消LM317的1.25 V最小输出电压。电压补偿电路由电阻R4和二极管D组成。

 

式中,U3为LM317的3脚电压;UO为输出电压;UD为二极管D的正向压降,即为补偿电压,其值略大于LM317的基准电压(1.25 V)。这里用3只串联的锗材料整流二极管的导通压降来实现。当调节R2少,使U3达到与UD相等时,输出电压即为0 V。之后,当调节R2逐渐增大时,UO即由0 V开始增大。由于负载电流流过D,故D的最大工作电流应能适应负载电流的要求。图5中R4用于给D提供工作电流。

(3)软启动电路设计。软启动电路由晶体管T,电阻R3,R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压UO有一个缓慢的上升过程,以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压UI接入时,因C上的电压不能突变,故T因基极电位较高而饱和导通,使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低,故UO很小,随着C的充电,T的基极电位下降,其集电极电位(即U2)升高,使U3升高(因U32为一稳定电压),所以UO也升高。当C充满电时,T被截止,启动电路失去作用,UO也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。

(4)改进方案。由于该电路的输出电压的调整完全依赖电电位器R2的改变,因此R2的改变范围较大,这样在输出电压的调整过程中,容易调过头或调不足,要准确地实现0~24 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦,必须反复调整,只依赖R2是比较困难的,如果将电位器R2用一个电位器R2’和电阻R档串联实现,通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电压的范围,并在所选择的输出电压范围内通过改变电位器R2’的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。电路如图6所示。

(5)电路主要测试数据。接上电源变压器和整流滤波电路以后对电路进行测试的结果为:电路在负载为1 A时输出电压调整范围如表1所示;在输出电压为额定值(24 V)下的负载特性如表2所示。电网电压波动±10%(负载电流1 A)情况下输出电压如表3所示。


该稳压电路应用三端集成稳压电器,并加入补偿电压的方法解决LM317系列输出电压不能从0 V开始起调的问题。软启动电路的引入适应负载的启动特性。电路的结构简单、功能完善、可靠性高。
4 结 语

其中,R1为固定电阻,故调节R2可以调节输出电压UO,并且UO的最小值为1.25 V。

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