【文章內(nèi)容簡介】 為獲得較高的輸出電壓值， LM317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間的電阻 R2值及其壓降往往較大，在 R2兩端并接一個不小于 10uF的電容 C3，可有效地抑制輸出端的紋波。由于穩(wěn)壓器在 1∶ 1的深度負反饋下工作，當輸出端負載為容性的某一值時，穩(wěn)壓器有可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。因此，在穩(wěn)壓器的輸入端接入 C2，輸出端接入 10uF的電解電容 C5，提供足夠的電流供給，同時可以防止可能發(fā)生的自激振 蕩以及減小高頻噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應。當輸入端發(fā)生短路時， C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電， C5值較大，則放電時的沖擊電流很大，電壓會通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶 9 體管放電，可能造成輸出晶體管發(fā)射結(jié)反向擊穿。為此，在穩(wěn)壓器兩端并接二極管 D6，輸入端短路時 C5通過 D6放電，保護 LM317穩(wěn)壓器。 整流濾波電路 因為課題需要 5V12V的穩(wěn)壓直流電，所以需要用到 220V轉(zhuǎn) 18V的變壓器把高壓的交流電轉(zhuǎn)成低壓交流電。因為課題不需要用到 20V以上的電壓，所以應該選用 18V24V的變壓器，這樣可以降低 LM317集成芯片的功耗，達到低功耗，高效率的要求。 整流電路 整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計采用單相橋式整流電路。 單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路 。 在工作時，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運用，當正半周時，二極管 V V3導通（ V V4截止），在負載電阻上得到正弦波的正半周；當負半周時，二極管 V V4導通（ V V3截止），在負載電阻上得到正弦波的負半周 。 在負載電阻上正、負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。 橋式整流電路原理圖如圖6所示。 V3V2V4V1RL 圖 6 橋式整流電路原理圖 10 選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓 VRM和正向電流 IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流： 2D IiI ? 2 oi RI I I? ? 21 0 .0 1RR adj AI I I? ? ? 式中 Ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流， IR IR Iadj 分別為流過 R R2，以及調(diào)整端的電流，則： oD II ? ? 考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的 2～ 3 倍。二極管最大反向電壓： 2m a x 22 1 .2d iUU U?? 式中 U2為電源變壓器次級電壓有效值， Ui為整流輸出電壓 (即穩(wěn)壓器輸入電壓 )。為了保證穩(wěn)壓器 LM317穩(wěn)定運行，輸入電壓 Ui與輸出電壓 U0之差一般在 5～ 15V范圍，取 UiU0=10V，得： m a x 1 .2 1 .2 ( 1 0 ) 1 2 1 .2ooidU U U U? ? ? ?? 設(shè)計時可考慮一定的余量。根據(jù)計算， 1N4007的二極管符合設(shè)計要求，可以用作整流橋。橋式整流電路電壓和電流波形如圖 7所示。 11 圖 7 橋式整流電路電壓和電流波形 如圖 7所示，在交流電壓 u2的整個周期內(nèi)，負載 Rl都有同方向的電流通過， 故 Rl 上得到單方向全波 脈動的直流電壓。這樣，四個二極管組成的整流橋就完成了整流的功能。 濾波電路 整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。 所以我們需要在整流電路之后加入濾波電路進行濾波，才能得到穩(wěn)定的直流電壓。 對于濾波電路的選擇有兩種方案： 方案一：采用電感濾波電路。由于電感在電路中有儲能的作用，所以在電路中可以串聯(lián)電感，當電源供給的電流增加時，它能夠把能量儲存起來，當電流減小時，它有可以把能量釋放出來，是負載電流比較平滑，有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導電角度比較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵芯的存在，比較笨重，體積比較大，而且容易引起電磁干擾。一般的情況下只適用于低電壓，大電流的場合。電感濾波電路圖如圖 8所示： 12 V3 V2V4 V1RLL1 圖 8 電感濾波電路 方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時，能夠把部分能量儲存起來，而當電源電壓減低的時候，就能把能量釋放出來，是負載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡單，而且負載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合，也減輕了電路設(shè)計和實際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖 9所示。 V3 V2V4 V1RLC 圖 9 電容濾波電路 經(jīng)過分析，最終決定采用方案二。 13 經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖 10所 示。 濾波電解電容 C的選擇原則是：取其放電時間常數(shù) RLC大于充電周期的 3～ 5 倍，其耐壓值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為 2U2， C的充電周期等于交流電源周期 T的一半，即 C≥ (3~5) T2RL，式中 RL為整流后的等效負載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計取 C為 2200uF。 設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定 t=0時接通電路，輸入電壓 U2 為正半周，當 U由零上升時， V V3導 通， C被充電，同時電流經(jīng) V V3向負載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此 Uo=Uc≈ U2，在 u2達到最大值時， Uc也達到最大值，然后 U2下降，此時， UcU2， V V3截止，電容 C向負載電阻 RL放電，由于放電時間常數(shù)τ =RLC一般較大，電容電壓 Uc按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當下降到 |U2|Uc時， V V4導通，電容 C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負載電壓的波動大為減小。 圖 10 橋式整流、電容濾波時的電壓、電流波形 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路是整個設(shè)計之中一個很重要的組成部分，幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流 電源供電才能正常工作。所以，研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設(shè)計具有非常重要的意義。 14 穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源。考慮到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當?shù)木嚯x，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負載電流變化的時候，因為整流濾波電路存在一定的內(nèi)阻，所以輸出的直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面，由于電網(wǎng)電壓并不穩(wěn)定，當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關(guān)，因此輸出直流電壓也相應的發(fā)生變化。因此，在設(shè)計中，采用三端集成穩(wěn)壓器 lm317來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。 其中，調(diào)整管接在輸入端和輸出端之間。當電網(wǎng)電壓或負載電流波動時，調(diào)整自身的集 射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極。放大倍數(shù)越大，則穩(wěn)定性能越好。由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的一種，而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準電壓成正比，因此，基準電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個分壓電阻組成，它將輸出電壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時候，是調(diào)整管、放大電路 和基準電源等建立各自的工作電路，而當穩(wěn)壓電路正常工作是啟動電路被斷開，影響穩(wěn)壓電路的性能。保護電路主要起到限流保護，過熱保護和過壓保護的作用。 穩(wěn)壓部分的電路原理圖如圖 11所示。 VI3VO2ADJ1U1LM 31 7 LR2P O TR320 0 RD61N40 0 2D51N40 0 2C310 u 圖 11 穩(wěn)壓電路原理圖 15 LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、 W317L等。電子愛好者經(jīng)常用 317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。 穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計 算 ： 231 .2 5 (1 )oRV R? ? 僅僅從公式本身看， R R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R3和 R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。 1， 2腳之間為 。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R3應小于 240歐姆。改變 R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。 D5， D6用于保護 LM317。 首先 317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是 Vo＝ — 37V（高輸出電壓的 317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、 LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是 Vo＝ — 45V） ，所以 R2/R3的比值范圍只能是 0— 。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。 LM317內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。 其次是 317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為 。由于 317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于 5mA。當 317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時， 317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。 當 317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時， LM317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用 LM 317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，沒有注意 LM317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 在使用 317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計算公式計算其輸出電壓時 ,必 須保證 R1≥ 和R2≤ 兩個不等式同時成立 ,才能保證 317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。當然在 317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯(lián)泄流電阻 R(如圖所示 ),也可以為 317穩(wěn)壓塊提供最 小穩(wěn)定工作電流。但是 ,由于并聯(lián)的泄流電阻不能隨輸出電壓的變化而變化 ,如果要保證 317 穩(wěn)壓塊在輸出電壓為 ,其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流 ,則在 317穩(wěn)壓塊的輸出電壓 16 為 37V時 ,流過泄流電阻的電流就太大了 ,這樣不僅浪費了電能 ,而且增加了 317穩(wěn)壓塊的負擔 ,不是一種妥當?shù)霓k法。 通常 LM117/LM317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317輸入端的連線超過 6英寸（約 15厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。 輸入至少要比輸 出高 2V，否則不能調(diào)壓。輸入電要最高不能超過 40V。輸出電流不超過 1A。輸入 12V的話，輸出最高就是 10V左右。由于它內(nèi)部還是線性穩(wěn)壓，因此功耗比較大。當輸入輸入電壓差比較大且輸出電流也比較大時，注意 317的功耗不要過大。一般加散熱片后功耗也不超過 20W。 LM317屬于深度負反饋的穩(wěn)壓電路，其功耗比較大，所以有必要討論一下 LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。 穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫 TJM,當 TTJM時穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強 , 結(jié)溫就愈低，它所能承受的功率也愈大。穩(wěn)壓器 的散熱能力取決于它的熱阻給半導體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令 Rθ 1 表示從結(jié)到器件外殼的熱阻， Rθ 2 表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻， Rθ A 表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則 Rθ A=Rθ 1+Rθ 2。若令 Rθ d 表示散熱片到周圍空氣的熱阻， Rθ ’表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則 Rθ ’ =Rθ A+Rθ d。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為 TJM，最高環(huán)境溫度為 TAM，加散熱器后器件的功耗為 PD，則有關(guān)系式： 39。J M J MAM AMD A dT T T TP R R R?? ?????? 所以器件的最大功耗必須滿足 PDM≤P D。 過流保護 在 目前 ，各種直流電源產(chǎn)品 的應用非常廣泛 ，電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。 但是 ，基于成本的考慮，對于電源性能要求不是很高的場合，可采用帶有過流保護的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分， 能夠有效地保護電子元件， 根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式，而直流電機電源較宜采用關(guān)斷方式。 過流保護電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個小電阻或者是霍爾元件來獲得電流信號。由于霍爾元件體積比較大，價格昂貴，因而考慮采用串聯(lián)一個小電阻的方法。 17 電路的過流保護原理圖如圖 12所示。 Q190 1 3R4 R5R6C4 圖 12 過流保護電路原理圖 R6為取樣小電阻。當電源工作時，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流 iout