一種多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設計

一種多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設計

一、直流穩(wěn)壓電源的選擇在現代工業(yè)和自動生產過程中，它涉及大量的動態(tài)檢測和控制問題，尤其是振動和振動的精確測量。對于振動和沖擊信號的獲取,最常見的是用壓電加速度傳感器,它將力學的輸入信號轉變?yōu)殡娦盘?。但?這個輸出信號必須要做適當的處理才能應用。因此,壓電加速度傳感器的后續(xù)適調電路,即電荷放大器的研究就顯得非常重要。我們用TL081芯片來取代傳統(tǒng)電荷放大器所用的大量分離元件,優(yōu)化了電路設計。但是,由于TL081芯片需±15V的直流供電,而其它芯片需+5V電源驅動,因此,需要設計合適的多輸出直流穩(wěn)定電源。直流穩(wěn)壓電源一般分為線性和開關電源兩類。對于單片機數字控制的電路系統(tǒng),通常采用基于PWM控制的開關電源;而對于放大器的模擬控制系統(tǒng),采用線性直流穩(wěn)壓電源則更具有優(yōu)勢。線性直流穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用,產生的干擾很小,隨著集成電路技術的發(fā)展,較高輸出電流和數值可調的集成穩(wěn)壓器相繼出現,由此而構成的線性直流穩(wěn)壓電源結構簡單,維修方便,功率200W以下時,整機的體積也不大。一般來講,線性直流穩(wěn)壓電源的紋波抑制比,電壓調整率和噪聲抑制等性能比開關直流穩(wěn)壓電源要好。更重要的是工作可靠,故障率低,更適合于放大器的模擬控制系統(tǒng)。因此,針對電荷放大器的需要,本文提出了一種基于集成穩(wěn)壓器的多輸出線性直流穩(wěn)壓電源的設計。二、多輸出直流穩(wěn)壓電源設計1、電容c構造及其集成穩(wěn)壓器設計設計的線性直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路等四個部分組成,如圖1的框圖所示。這樣,輸入的市電波形經過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓,獲得所需的直流電壓輸出,其過程如圖2所示。電源變壓器選用單相220VAC輸入,6.3V、15V、36V多檔位輸出,功率為100W變壓器。整流電路用硅整流橋將交流電整流,輸出脈動直流電。濾波電路選用一個2200μF的大容量電解電容C1和一個10nF的小容量滌綸CL11型電容C2并聯濾波,如圖3所示。理論上,在同一頻率下容量大的電容其容抗小,這樣一大一小電容相并聯后其容量小的電容C2不起作用。但是,由于大容量的電容器存在感抗特性,等效為一個電容與一個電感串聯。在高頻情況下的阻抗反而大于低頻時的阻抗,小電容的容量小,在制造時可以克服電感特性,幾乎不存在電感。在大電容C1上并聯一個小電容C2可以補償其在高頻下的不足。當電路的工作頻率比較低時,小電容不工作(容抗大相當于開路)。大電容的容量越大濾波效果越好。當電路的工作頻率比較高時(輸入信號的高頻干擾成分),大電容由于感抗大而處于開路狀態(tài)。這時高頻干擾成分通過小電容流到地線,濾除各種高頻干擾成分。穩(wěn)壓電路選用三端集成直流穩(wěn)壓器,其電路連接方式一般如圖4所示。性能上,常用的集成穩(wěn)壓器有三端固定式、三端可調式和開關式。以三端固定式為例,其正輸出為7800(后兩位代表輸出的額定穩(wěn)壓值,00是統(tǒng)稱)系列,負輸出為7900系列,常見的有05、06、08、09、12、15、18、24八種。一般要求最小的輸入、輸出電壓差(UI-U0)為2V～3V;輸出穩(wěn)壓的容差約為5%;最大輸出電流IOmax有0.1A(如78L12),0.5A(如78M12)和1.5A(如7812)等多種,部分器件的最大輸出電流可達2.2A;其最大輸入電壓UImax一般是7818檔以下為35V,7824檔為40V;電壓調整率SU一般為0.01%/V;輸出電阻R0小于0.1Ω;紋波抑制比SVP一般為50dB;溫度系數ST一般為每度1mV～2.4mV。圖4中,引腳1為電壓變換的輸入端,引腳2為電壓變換后的輸出端,引腳3為接地端。電容Ci作用是改善紋波和抑制輸入的過電壓,一般取值為0.33μF。C0作用是改善負載的順態(tài)響應,一般可選取0.1F的電容,當采用大容量的電解電容時效果更好。穩(wěn)壓電源的輸入輸出端要跨接一個二極管,以防止集成穩(wěn)壓器輸出調整管損壞。2、穩(wěn)壓器+/-15v組合電路本設計是把幾個供電模塊集成到一個供電電源上,能夠同時提供固定輸出+5V(最大輸出電流3A)和固定輸出±15V(最大輸出電流1.5A)的直流電輸出,此外,還有一路1.2V到33V(最大輸出電流3A)連續(xù)可調的電壓輸出。(1)輸出+5V:核心器件選用LM323K三端集成穩(wěn)壓器,其輸出電壓為+5V,額定電流3A。當變壓器變壓后輸出6.3V交流電,經KBPC810硅整流橋,整流后輸出約6V電壓,濾波后由LM323K三端集成穩(wěn)壓電源處理,輸出+5V電壓,電流最大輸出為3A。(2)輸出+/-15V:核心器件選用穩(wěn)壓器7815和7915,組合應用這兩個穩(wěn)壓器件與一個硅整流橋相接,按圖5接好電路就能輸出+/-15V的電壓。該組合器件的公共輸出接地端,這與LM323K不同。LM323K用的是硅整流橋的負輸出端作接地端,正輸出端做LM323K的電壓輸入端。而組合用7815和7915時,公共輸出接地端用的是變壓器輸出端口的+15V并分別接入7815的接地引腳(GND)和7915的電壓輸入引腳(Vin);硅整流橋的正、負輸出端口則分別接入7815的電壓輸入端(Vin)和7915的接地端;濾波電容用了兩個1000uF首尾相接,連接處接公共輸出接地端。(3)輸出1.4V～33V,0.5A:該部分的核心器件為可調式三端集成直流穩(wěn)壓器LM317和滿量程5.1kΩ的電位器RW。通過添加一些元件可以構成電壓從1.4V～33V連續(xù)可調直流穩(wěn)壓電源。并且解決了利用固定式穩(wěn)壓器和電位器進行調壓而引起的精度下降問題。但是要保證其輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之差小于等于40V。主要電路如圖6所示:輸出電壓,R1取200Ω,當RW為零時,理論上Uo為1.25V,但實測此時Uo為1.4V;當RW滿量程時,輸出Uo為33V。其中C1(2200μF),C2(0.33μF)用來抑制高頻干擾;C3用來提高穩(wěn)壓器紋波抑制比,減少輸出電壓中的紋波電壓;C4用來克服LM317在深度負反饋工作下可能產生的自激振蕩,還可進一步減小輸出電壓中的紋波分量。D1的作用是防止輸入端短路時,電容C4放電而損壞穩(wěn)壓器;D2的作用是防止輸出端短路時C3放電而損壞穩(wěn)壓器。三、過壓保護的測試為了保證穩(wěn)壓電源的安全性和抗干擾性,設計采用了雙重過載保護。保護主要體現在過壓、過流、過載的保護。設計從市電網引入輸入電源,采用了輸入容差為±10%的工業(yè)變壓器,所以變壓器前的過壓保護可以省略。在設計時考慮了變壓器輸出要小于后面整流濾波電路和集成電源的最大輸入電壓,即對整流濾波電路和集成電源來講其輸入電壓還有一定的余地,所以在變壓器后也無需對電路實行過壓保護。電路的保護集中在了過載保護上。根據變壓器的功率(100W),在變壓器前安裝0.5A的保險絲實現在輸入端的過載保護;在每個模塊的輸出端處安裝參數與最大輸出電流相應的過載保護器來實現二次過載保護。過載保護器選用自復式的,過載時斷路實現保護,過載消除后自動復位,不用更換保護元件電路又可正常運行。系統(tǒng)采用機殼地和直流地共同連接到一點,作為基準地,并在制板和安裝時保證接地電阻盡可能小,有效消除靜電干擾,保護人身安全。系統(tǒng)沒有將交流地做公共地,避免了一個可能的干擾源。實驗中,保持輸入電壓Vi不變,而負載電流I0在10mA～300mA之間變化,測量輸出的電壓V1,V2,V3。實測的結果如表1所示。根據公式得輸出電阻.,即負載變化時對輸出電壓的影響很小;電路中采用了多項措施減小紋波,輸出的以+5V和±15V的電壓均比較穩(wěn)定。圖7給出其中+15V電壓輸出波形的實驗結果。四、電源分散配置設計的多輸出線性直流穩(wěn)壓電源,利用集成穩(wěn)壓器(固定式和可調式)構成,結構簡單,元器件較少,又不需要投切的開關,干擾源和瞬變噪聲相應地大大減少;工業(yè)變壓