1 引 言
電子電路要正常工作，電源必不可少，并且電源性能對(duì)電路、電子儀器和電子設(shè)備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負(fù)載的電路和設(shè)備(如電機(jī))中，對(duì)電源的性能要求更高。在很多應(yīng)用直流電機(jī)的場(chǎng)合中，要求為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供1個(gè)其輸出能從0 V開始連續(xù)可調(diào)(0～24 V)的直流電源，并且要求電源有保護(hù)功能。實(shí)際上就是要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有足夠調(diào)壓范圍和帶負(fù)載能力的直流穩(wěn)壓電源電路。該電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，其要求是輸出電壓從0 V開始連續(xù)可調(diào)；所選器件和電路必須達(dá)到在較寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)；輸出電壓應(yīng)能夠適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性能。此外，電路還必須簡(jiǎn)單可靠，能夠輸出足夠大的電流。
2 電路的設(shè)計(jì)
符合上述要求的電源電路的設(shè)計(jì)方法有很多種，比較簡(jiǎn)單的有3種：
(1)晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。電路框圖如圖1所示，該電路中，輸出電壓UO經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從0 V起實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0 V開始調(diào)節(jié)。
單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡(jiǎn)單，但增加輔助電源后，電路比較復(fù)雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。
(2)采用三端集成穩(wěn)壓器電路。如圖2所示，他采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計(jì)一電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0 V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，需設(shè)計(jì)一軟啟動(dòng)電路以適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性能。該電路所用器件較少，成本低且組裝方便、可靠性高。
(3)用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電路采用可控硅作為第一級(jí)調(diào)壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317，LM337作為第二級(jí)調(diào)壓元件，通過AT89CS51單片機(jī)控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，從而改變調(diào)壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動(dòng)電路，獲得0～24 V，0.1 V步長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1 A，同時(shí)可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。
其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、單片機(jī)、鍵盤顯示等幾部分，硬件部分原理圖如圖3所示。
正、負(fù)端壓差控制電路的作用是減少LM317和LM337輸入端和輸出端的壓差以降低LM317和LM337的功耗。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓芯片LM317(負(fù)壓用LM337)及外圍器件組成，輸出電壓控制電路采用繼電器控制的電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)電阻都需要精密匹配，電阻的精密程度直接影響輸出電壓的精度。電壓電流采樣電路由單片機(jī)控制實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前電壓電流進(jìn)行采樣，以修正輸出電壓值。掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路用以保存當(dāng)前設(shè)置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不用設(shè)置，而且也不會(huì)因?yàn)殡妷褐颠^高損壞用戶設(shè)備。
該電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出±24 V范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復(fù)雜，成本較高，使用于要求較高的場(chǎng)合。在實(shí)際中，如果對(duì)電路的要求不太高(這種情況較多)，多采用第二種設(shè)計(jì)方案。
3 實(shí)際電路的設(shè)計(jì)
電路采用三端集成穩(wěn)壓器電路方案，電路原理圖如圖4所示。其中IC為三端集成穩(wěn)壓器。晶體管T，阻R3，和電容器C組成軟啟動(dòng)電路。電阻R4和二極管D組成電壓補(bǔ)償電路。電容C2為輸出濾波電容。
(1)三端集成穩(wěn)壓器LM317及其調(diào)壓原理。圖4中IC采用了LM317系列三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓調(diào)節(jié)范圍可達(dá)1.25～37 V，輸出電流可達(dá)1.5 A，內(nèi)部帶有過載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點(diǎn)。其輸出電壓的調(diào)節(jié)原理如圖5所示。由于LM317的2，3腳之間的電壓U32為一穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓(1.25 V)，故有：
其中，R1為固定電阻，故調(diào)節(jié)R2可以調(diào)節(jié)輸出電壓UO，并且UO的最小值為1.25 V。
(2)電壓補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。因要求輸出電壓從0 V起調(diào)，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路，抵消LM317的1.25 V最小輸出電壓。電壓補(bǔ)償電路由電阻R4和二極管D組成。
式中，U3為L(zhǎng)M317的3腳電壓；UO為輸出電壓；UD為二極管D的正向壓降，即為補(bǔ)償電壓，其值略大于LM317的基準(zhǔn)電壓(1.25 V)。這里用3只串聯(lián)的鍺材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)R2少，使U3達(dá)到與UD相等時(shí)，輸出電壓即為0 V。之后，當(dāng)調(diào)節(jié)R2逐漸增大時(shí)，UO即由0 V開始增大。由于負(fù)載電流流過D，故D的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負(fù)載電流的要求。圖5中R4用于給D提供工作電流。
(3)軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)。軟啟動(dòng)電路由晶體管T，電阻R3，R和電容器C組成。其作用是使電路輸出電壓UO有一個(gè)緩慢的上升過程，以適應(yīng)感性負(fù)載(如直流電機(jī))的啟動(dòng)特性。當(dāng)輸入電壓UI接入時(shí)，因C上的電壓不能突變，故T因基極電位較高而飽和導(dǎo)通，使U2(LM317的2腳電位)和U3都很低，故UO很小，隨著C的充電，T的基極電位下降，其集電極電位(即U2)升高，使U3升高(因U32為一穩(wěn)定電壓)，所以UO也升高。當(dāng)C充滿電時(shí)，T被截止，啟動(dòng)電路失去作用，UO也達(dá)到設(shè)定值。啟動(dòng)的時(shí)間可以通過改變C和R的值進(jìn)行調(diào)整。
(4)改進(jìn)方案。由于該電路的輸出電壓的調(diào)整完全依賴電電位器R2的改變，因此R2的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調(diào)整過程中，容易調(diào)過頭或調(diào)不足，要準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)0～24 V寬范圍的電壓任一電壓有些調(diào)整比較麻煩，必須反復(fù)調(diào)整，只依賴R2是比較困難的，如果將電位器R2用一個(gè)電位器R2'和電阻R檔串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過一個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電阻R檔的改變從而改變輸出電壓的范圍，并在所選擇的輸出電壓范圍內(nèi)通過改變電位器R2'的阻值得到所需要的準(zhǔn)確的直流電壓輸出。電路如圖6所示。
(5)電路主要測(cè)試數(shù)據(jù)。接上電源變壓器和整流濾波電路以后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果為：電路在負(fù)載為1 A時(shí)輸出電壓調(diào)整范圍如表1所示；在輸出電壓為額定值(24 V)下的負(fù)載特性如表2所示。電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10％(負(fù)載電流1 A)情況下輸出電壓如表3所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
該穩(wěn)壓電路應(yīng)用三端集成穩(wěn)壓電器，并加入補(bǔ)償電壓的方法解決LM317系列輸出電壓不能從0 V開始起調(diào)的問題。軟啟動(dòng)電路的引入適應(yīng)負(fù)載的啟動(dòng)特性。電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、可靠性高 |
