仪器仪表电源解决方案

发布日期:2014-06-23 11:33,查看次数:899

仪器仪表电源解决方案

性能指标:提供双极性电压源,正负15V,正负12V,正负5V 

误差<0.3V;

输入电压:220V,50Hz市电,电压变化范围是15%~-20%

输出电压可调范围:0~36V

最大电流:1A;

电源纹波:<5mV

过流保护作用。

设计思路:

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成,如图所示。

 

(a)稳压电源的组成框图

  


  

(b)整流与稳压过程

 

 

硬件设计及元件选择:

1.电源变压器                

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为:

其中:是变压器副边的功率,是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示:

表1  小型变压器的效率

  副边功率

   效率

0.6

0.7

0.8

0.85

因此,当算出了副边功率后,就可以根据上表算出原边功率

变压器选择:环形变压器的铁心是用优质硅钢片(片厚一般为0.35mm以下),无缝地卷制而成, 这就使得它的铁心性能优于传统的叠片式铁心。环形变压器的线圈均匀地绕在铁心上 ,线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全重合,与叠片式相比激磁能量和铁心损 耗将减小20%以上,由此带来了下述一系列的优点。 1)电效率高铁心无气隙,叠装 系数可高达95%以上,铁心磁导率可取1.5~1.8T(叠片式铁心只能取1.2~1.4T), 电效率高达95%以上,空载电流只有叠片式的10%。2)外形尺寸小,重量轻环形变压 器比叠片式变压器重量可以减轻一半,只要保持铁心截面积相等,环形变压器容易改 变铁心的长、宽、高比例,可以设计出符合要求的外形尺寸。3)磁干扰较小环形变压 器铁心没有气隙,绕组均匀地绕在环形的铁心上,这种结构导致了漏磁小,电磁辐射 也小。4) ,绕组均匀地绕在环形的铁心上另一个作用是坚固铁芯,以减小电磁振动 ,降低音频噪声,还可以作为绕组间的静电屏蔽。

经过比较分析,仪器电源选用带多路输出的环形变压器,所选用的环形变压器带有交流18V,12V,6V输出端,为实现多路输出提供了优越的条件。

2.整流和滤波电路

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为:

                             

在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为: 

                                  

流过每只二极管的平均电流为:

                               

其中:R为整流滤波电路的负载电阻,它为电容C提供放电通路,放电时间常数RC应满足:

其中:T = 20ms是50Hz交流电压的周期。

经过分析,整流电路采用全波整流电路结构,整流器选用导通电压降低的肖特基二极管1N5404,导通压降可以小于0.5V,提高电源效率,在电容式输入电路中,整流二极管的额定电流应为输出电流的3~10倍,1N5404的最大电流是3A,足以满足要求,1N5404也有足够大的反向击穿电压,保证整流电路在极端条件下不被烧坏。

滤波电路选用电容滤波。为了尽量减小输出电压的纹波,结合实际成本,考虑用2200~4700uF电解电容加上0.1uF的瓷片电容作为滤波电容。

 3.稳压电路

由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时,滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此,为了维持输出电压UI稳定不变,还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时,能使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的类型很多,在小功率稳压电源中,普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式,此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。

(1)固定电压输出稳压器

常见的有CW78(LM78)系列三端固定式正电压输出集成稳压器;CW79(LM79)系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值,有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。稳压器使用时,要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo ≥2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当输出电压Uo = 5 ~ 18V时,输入电压UI的最大值UImax= 35V;当输出电压Uo=18 ~ 24V时,UI的最大值UImax = 40V。

(2)可调式三端集成稳压器

可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器,有输出正电压的CW317系列(LM317)三端稳压器;有输出负电压的CW337系列(LM337)三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中,稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 ~ 37V,最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为:

UI -Uo = 3 ~ 40V。

经分析,三端稳压芯片性能稳定,可靠性好,故选用LM系列稳压芯片作稳压电路,提供正负15V、正负12V、正负5V输出电压。


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