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可调式电源适配器电路设计

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可调式电源适配器电路设计

直流稳压电源适配器在现代人的工作、科研、生活、学习中扮演着极为重要的角色。在我们使用的电子电路中,多数都需要稳定的直流电源适配器进行供电。直流稳压电源适配器作为电子技术常用的设备之一,广泛地应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源适配器功能简单、控制困难、可靠性低、干扰大、精度低且体积大。本项目所介绍的可调式单电源适配器直流稳压电路在固定式单电源适配器直流稳压电路的基础上,具有电压可控、电压稳定度高等特点,其输出电压精确可测,可用于电源适配器精度要求比较高的设备或科研实验。

设计任务
设计一个可调的直流稳压电源适配器,将市电转化成直流稳压+5V。

基本要求
能够提供可调的0~+5V直流稳压电源适配器。
具有过流及短路保护功能。

总体思路
许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源适配器,电子仪器也需要直流电源适配器,实验室更需要独立的直流电源适配器。为了提高电子设备的精度及稳定性,在直流电源适配器中还要加入稳压电路,因此称为直流稳压电源适配器。典型的直流稳压电源适配器主要由电源适配器变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源适配器变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压;整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分(即纹波电压),使其成为平滑的直流电;稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时,维持输出直流电压的稳定。

系统组成
可调式单120W电源适配器直流稳压电路整个系统主要分以下四个部分。
降压电路:利用变压器对220V交流电网电压进行降压,变为所需要的交流电压,以满足+5V电源适配器输出的需要。
整流电路:将交流电压变为单向脉动的直流电压。
滤波电路:去掉整流电路输出的直流电中的纹波,将脉动的直流电压转化为平滑的直流电压,主要利用储能元件电容来实现。
稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压的稳定。
系统模块框图如图所示。

系统模块框图

模块详解
1.整流电路
它是全波整流的一种方式,称为桥式整流电路。该电路使用四个二极管,变压器有中心抽头。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,效率较高。利用两个半桥轮流导通,形成信号的正半周和负半周。使用有中心抽头的变压器则可以得到正负两个电压输出。整流电路原理图如图2-2所示。整流电路输出out1端输出波形,仿真结果如图所示。

交流电压设定如图2-4所示,将电压输入设置为15V,频率设置为50Hz,模仿市电经变压后的低压交流电源适配器输入。

2.滤波电路
电容滤波一般负载电流较小,可以满足放电时间常数较大的条件,所以输出电压波形的放电段比较平缓,纹波较小,输出脉动系数S小,输出平均电压UO大,具有较好的滤波特性。把电容器和负载并联,正半周时电容被充电,负半周时电容放电,就可使负载上得到平滑的直流电。电路在三端稳压器的输入端接入电解电容C1=1000μF,用于电源适配器滤波,其后并入电解电容C2=4.7μF用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容C3=4.7μF用于减小电压纹波,而并入陶瓷电容C4=100nF用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰(陶瓷小电容电感效应很小,可以忽略,而电解电容因为电感效应在高频段比较明显,所以不能抑制高频干扰)。滤波电路原理图如图所示。

为了验证滤波电路的效果,以前端滤波电路(见图)为例进行分析。前端滤波电路输出out1端输出波形,仿真结果如图所示。

为了验证滤波电容的效果,在原电路输入基础上将滤波电容C1改为100μF,输入信号依然为15V、50Hz的交流信号,设置方法如图所示。利用软件图表功能仿真out1端输出波形,如图所示。

如图所示,滤波电路中电容大小直接影响电路的滤波效果。若将电容值设置过小,电路的滤波效果也会减弱。
综上所述,输入的交流信号经整流电路整流,又经滤波电路,最终将稳定有效的电压由out1端传输至稳压电路模块。可见,滤波电路在电路设计中是十分重要的。

3.稳压电路
使用三端稳压器有以下优点。
(1)元件数量少。
(2)带有限流电路,输出短路时不会损坏元件。
(3)带有热击穿功能。
三端稳压器选择LM317(输出电流为1.5A,输出电压可在1.25~37V之间连续调节),其输出电压由两只外接电阻R2、RV1决定,输出端和调整端之间的电压差为1.25V。在输出端同时并入二极管D1(型号为1N4001),当三端稳压器未接入输入电压时可保护其不至于损坏。
闭路电视电源适配器信号由out1端输入至三端稳压器,利用RV1控制输出电压大小,调节RV1电位器至位置1(2%)处,此时输出电压为2.12V,负载LED不点亮,电路仿真结果如图2-10所示。

三端稳压器最易损坏的是输出脚(图中2脚)电压高于输入脚(图中3脚)而形成击穿,因此一般像图2-10中那样并联一个二极管1N4001,它的主要作用是:如果输入端C1或C2出现短路,则输出2脚会高于输入3脚,很容易击穿稳压器,所以反向并联一个二极管,对1脚电压进行泄放,使2脚到3脚电压限幅为0.7V,可有效保护稳压器不被反向击穿。
用示波器监视RV1处于位置1时稳压电路空载输出端out2,结果如图所示。

调节RV1,使其到达位置2(16%),则稳压电路输出端out2电压也会增大。此时输出电压为6.37V,负载LED被点亮,如图所示。
图 RV1处于位置2时稳压电路仿真图
用示波器监视高挡位稳压电路输出,结果如图所示。

在稳压输出端out2处接入2kΩ电阻与LED负载进行稳压测试,如图所示。
加入2kΩ电阻与LED负载后,由稳压器输出的直流电压大小为6.37V,并可将LED点亮。用示波器监视稳压电路输出,结果如图所示。

图RV1处于位置2时稳压电路输出仿真图图

稳压电路负载输出仿真图(一)

随后在稳压器输出端out2处加入5kΩ电阻与LED负载进行测试,如图所示。

图稳压电路负载输出仿真图(二)

加入5kΩ电阻与LED负载后,由稳压器输出的直流电压大小为6.37V,并可将LED点亮。用示波器监视稳压电路当前输出,结果如图所示。

综上所述,本项目所设计的可调式直流稳压电源适配器,能够在负载变化的情况下提供稳定可调的直流稳压电源适配器。

可调式单电源适配器直流稳压电路的整体电路原理图如图所示。

图整体电路原理图
经过对电路板进行实际测试,输入15V交流电压,输出可以在1.48~14.84V之间可调,基本符合设计要求。PCB版图(见图)

实物测试(见图)

可调式单电源适配器直流稳压电路实物图
为了提高电子设备的精度及稳定性,在直流电源适配器中还要加入稳压电路,因此称为直流稳压电源适配器。典型的直流稳压电源适配器主要由电源适配器变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分构成。电源适配器变压器把50Hz的交流电网电压变成所需要的交流电压;整流电路用来将交流电变换为单向脉动直流电;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分(即纹波电压),使其成为平滑的直流电;稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变化时,维持输出直流电压的稳定。本项目所介绍的可调式单电源适配器直流稳压电路在固定式单电源适配器直流稳压电路的基础上,具有电压可控、电压稳定度高等特点,其输出电压精确可测,可用于电源适配器精度要求比较高的设备或科研实验。


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| 发布时间:2019.05.21    来源:电源适配器厂家
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