直流稳压电源设计、制作与调试

1、直流稳压电源设计、制作与调试4.3.1 直流稳压电源实训的能力目标(1熟练掌握电子元器件参数的测试和元器件的选择;(2具备熟练查阅模拟电子器件手册、参考资料等技术资料的能力;(3熟练掌握正确使用常用模拟电子仪器仪表(万用表、整流电源、信号发生器、示波器等、设备、工具(电烙铁、镊子、螺丝刀、钳子、钻头、锉刀的方法;(4具备阅读直流稳压电源产品说明书的能力,训练学生分析中等复杂程度模拟电子产品整机电路原理图的能力;(5掌握电子产品从设计、制作、调试到出成品的全过程及一般方法;熟悉直流稳压电源的结构和基本设计方法,掌握其工作原理和使用方法;(6具备典型模拟电路(直流稳压电源的分析、设计、制作、组装、

2、调试及排除一般电路故障的能力;学习、掌握印制电路板的设计、制作方法,培养设计制作的能力(手工设计印制板;(7具备对任务实现(电子设计、装调过程中出现的各种实际问题的独立分析及解决的能力;(8培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团队合作的精神。4.3.2 任务和要求1.直流稳压电源实训任务和要求要求用一只LM317三端集成稳压器、一个变压器、一只3DD15D扩流三极管,以及二极管、三极管、电阻、电容、电位器等辅助元件,设计、制作出一台可调式直流稳压电源。(1查阅技术资料;(2完成电路原理设计;(3根据所设计的原理电路图,完成印制电路的手工设计和制作;(4将元器件正确焊接在印制电路板上

3、;(5调试整机电路,是否满足技术指标和功能要求;(6排除可能产生的故障;(7将印制电路板正确装配,完成一台具有实用价值的产品;(8撰写技术报告(实训报告。2.直流稳压电源技术指标和功能要求(1采用三端集成稳压器LM317,稳压电源直流输出电压1.25V15V可调。(2变压器输入交流220V,输出18V交流。P=25W,最大电流m I=1.5A。(3稳压电源最大输出功率m(4要求系统具有扩流、限流保护、过压保护、指示灯、保险、开关等功能。3.直流稳压电源实训报告要求(1题目名称(2设计任务内容及主要技术要求(3电路设计确定方案,应在多种方案比较后选定;画出整机原理电路框图;单元电路的设计,元器件

4、的选择和必要的波形图,说明主要工作原理;估算各主要元器件的参数,并标在电路图中恰当的位置;画出印制板电路图和装配图。(4整理测试数据并分析(5安装调试中遇到的问题及解决的方法(6收获、体会和建议(7附录主要参考资料电源面板图元器件清单整机原理电路图4.3.3 直流稳压电源设计任务分解(实训子项目1.直流稳压电源的基本功能直流稳压电源的基本功能就是将交流电转变为直流电,且在一定的技术要求下输出稳定的电压,为其它电子电路提供稳定的直流电源。 图4-3-1 直流稳压电源基本功能2.直流稳压电源电路框图直流稳压电源电路框图如图4-3-2所示。从图中可知,系统由降压变压器、整流器、滤波器、稳压器和保护电

5、路共五个部分组成。 图4-3-2直流稳压电源的电路框图3.直流稳压电源参考电路原理图图4-3-3为直流稳压电源参考电路原理图。 图4-3-3 直流稳压电源参考电路原理图4.直流稳压电源设计任务分解(实训子项目(1降压变压器降压变压器将电网220V 、50Hz 交流输入电压降压后变为所需的约18V 交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。图4-3-4为直流稳压电源变压器电路,图中为了控制电源,在变压器初级接一开关,作为总的电源开关K 。图中在变压器次级接的B *(1A 是保险管,作用是防止电流过大损坏变压器。 图4-3-4 直流稳压电源变压器电路(2整流器二极管桥式整流电路将变压器变换

6、后的交流电压转变为单向的脉动直流电压,由于这种电压存在着很大的脉动部分(即纹波,如果用它直接给负载供电,纹波的变化会影响后级电路的性能指标,所以还必须进行处理。二极管桥式整流电路的优点是输出电压高,脉动系数小(纹波电压小,每管所承受的最大工作反压较其它方案低,电源电压利用率高,因而整流效率也较高,变压器无需中心抽头。电路的缺点是使用的二极管数量较多(D 1D 4可采用1N40011N4007,整流管总的压降较大,在大电流工作状态下,会使电路效率下降。(3滤波器电容滤波电路对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理,使它成为一个含交流成分很小的、更加平滑的直流电压。即滤波部分实际上是一个性能较好的低通

7、滤波器,且其截止频率一定是低于整流输出电压基波频率的。虽然电容C 1取得越大,脉动系数S 就越小,脉动成分就小,但一般取R L C 1=253(T T 为交流电网电压的周期(ms 20501=T 。 电容滤波电路的优点是在输出电流I O 不高时,体积小,成本低。电容滤波适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。(4稳压器稳压器为电源的核心部分。尽管经过整流滤波后的直流电压,可以充当某些电子电路的电源,但是其电压值的稳定性很差,它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大。因此还必须有稳压电路,以维持输出直流电压的基本稳定。图4-3-5为直流稳压电源稳压器电路,通过三端可调线性集成稳压器LM317

8、的稳压,输出电压在输入电网波动±10%、输出负载变化以及温度波动几种情况下仍然可以保持不变。 图4-3-5 直流稳压电源稳压器电路三端稳压器的额定输出电压一般是不可调的,但可以通过外接元件R2、R3来扩展输出电压,达到调压作用,如图4-3-5所示。输出端和调节端之间在工作时产生标称值为1.25V的基准电压U REF,这个基准电压加在电阻R2上,由于电压是恒定的,就有一个恒定的电流流过输出设定电阻R3,得到的输出电压是:U O=R REF(1+R3/R2+I ADJ R3I ADJ代表了一个误差项,在设计LM317时尽量减小I ADJ,并使之等于一个常数,完全不随输入电压和负载变化,于

9、是:U O1.25(1+R3/R2可见,当R2取定(通常取R2=240后,改变R3的值,输出电压U O也随之改变,即输出U O可调。发光二极管LED与限流电阻R1串联接在稳压器的输入端,当电源开关K闭合时,指示灯亮。C2:应靠近稳压器,起消振作用(即防止自激振荡。C3:为一旁路电容,可进一步抑制纹波,当输出电压升高时,C3可防止纹波的放大。(即将R3上的纹波旁路掉C4:由于使用了C2、C3等,与任何反馈电路一样,某些数值的外接电容(500F 5000F可能引起振荡,C4的作用就是消除这种效应,确保工作稳定。T1:扩流电路。由于三端集成稳压器输出电流固定且较小,带负载能力差,在实际工作中,往往需

10、要稳压器输出较大电流,以提高带负载能力,利用T1进行电流放大,T1接成共集电极电路(射随器,具有电流放大作用,由于电流较大,T1采用3DD15D大功率管。实际的稳压电源产品常常在输出两端并联电压表,作U O的指示。(5保护电路对于一个功能完善的稳压电源来说,必须有一套完整可靠的保护电路,在串联稳压电路中,若使用不慎,负载电流过大或输出短路的情况是可能发生的。此时,LM317内部调整管的功耗将剧增,尤其是在短路的情况下,全部输入电压都加到调整管两端,这就会使调整管的功耗超过它的极限功耗P CM而损坏调整管,所以必须采用合适的过流保护电路。直流稳压电源保护电路如图4-3-5中的D5、D6和图4-3

11、-6所示。保护二极管大多数电容的串联内阻是很小的,当短路时放电电流将产生20A的脉冲尖峰,即使短路的时间很短,但放电能量足以损坏集成电路。当LM317的调整管有外接电容时,需加保护二极管以防止电容通过小电流端放电而进入调整器。D5:防止C4的反峰。当调整管的输出端接有电容C4而输入端被短路时,输出端电容将向调整管输出端放电,放电电流与电容量有关,也与输出电压及输入电压减小的速率有关。D5为C4提供了一条放电回路,即防止C4的反峰高压对LM317的冲击。D6:防止C3的反峰。由于在调整管的调整端接有旁路电容C3,当输入或输出端短路时,在C3上要产生一个反峰高压。当输出端短路时,C3通过D6放电。

12、当输入端短路时,C3通过D6、D5放电,防止C3反峰冲击调整器。 图4-3-6 直流稳压电源三极管过流保护电路T2和T3保护电路通过T2和T3保护电路,可以防止电流过载或输出短路时损坏器件。R6为采样电阻,以便对输出电流进行动态监视。R6阻值0.5,功率为3W。当输出电流大于1.5A(额定电流时, R6上的压降为:1.5A×0.5=0.75V(或大于0.7V时,三极管T3导通,R5压降升高,T2也导通,从而使从LM317的输出电流从T2分流一部分,这样流进扩流管的电流便减小,输出电流也减小。从而达到过流保护的目的。当输出电流减小到一定程度,R6上的压降小于0.7V即T3截止,T2也截

13、止,电路恢复正常。C5:当负载恢复正常,I O<1.5A,T3截止,由于C5已充电,使T2再维持导通一段时间,直到C5放电到不能维持T2导通,即防止负载连续突变而造成的T1连续被冲击(防干扰,同时还具有交流旁路功能。C6:输出电容,作用之一是滤波,作用之二是防止当输出电压突变时造成对负载冲击(消振。5.电路所用元件及其作用表4-3-1 直流稳压电源所用元件及其作用 4.3.4 直流稳压电源印制板电路的设计与制作1.直流稳压电源的印制板电路的设计印制板电路的设计是一次十分重要的工艺环节,若设计不当,会直接影响整机的性能,甚至不能正常工作。一般情况下,印制电路板的一面放置元件称元件面,另一面

14、用于布置印制线称印制面或焊接面。(1元件排列的原则按信号流向排列,一般从输入级开始,到输出级终止;发热量大的元件,应加散热器,并尽可能放置在有利于散热的位置以及靠近机壳处(甚至可以考虑放在机壳上;对于比较大、重的元件,要另加支架或紧固件;热敏元件要远离发热元件;某些元件或导线间有较大电位差者应加大它们的距离;尽可能缩短高频元件的连接线,设法减小它们的分布参数和相互间的干扰,易受干扰的元件应加屏蔽;可调元件布置时要考虑到调节方便;对称式的电路(如推挽功放、差动放大器、桥式电路、两个相同的子电路等要注意元件的对称性,尽可能使其分布参数一致;每个单元电路,应以核心器件为中心,围绕它进行布局;元件排列

15、应均匀、整齐、紧凑、单元电路之间的引线应尽可能短,引出线应少; 位于边缘的元件,离印制板边缘距离至少大于2mm; 元件外壳之间的距离,应根据它们之间的电压来确定,不应小于0.5mm; 电路板应留有紧固的位置,放置紧固件的位置应考虑到安装拆缷方便; 若有引出线,最好使用接线插头; 有铁芯的电感线圈,应尽量相互垂直放置,且远离以减小相互间的耦合; 相同的元件应尽量采用相同的跨距。本次实训要求将电压表头、电源开关、发光二极管(指示灯、R3(电位器、输出接线柱安装在机壳前面板上;电源变压器安装在底座上;保险管座和电源线装后板上。在设计印制电路板时,应充分考虑散热片的位置。(2元件安装数据的获得查手册等

16、获得元件的安装数据;实测元件获得安装数据。(3布线的原则布线要短;一般将公共地线布置在边缘部分,边缘应留有一定距离;高频元件和高频引线一般布置在中间,以减小它们对地和机壳的分布电容;拐弯要园,因直角、尖角对高频和高压影响较大;在条件允许的情况下,线条可适当加粗,间距可适当加大;单面板的印制导线不能交叉,遇到此情况可绕行;走线正确,布线均匀美观。印制电路板的设计是一项实践性很强的工作,以上原则在不同情况下,有其不同的侧重点,应根据具体的电路特点和机械结构要求灵活应用。(4设计方法计算机辅助设计;手工设计。2.印制电路的绘制(1焊盘的绘制通常采用圆形焊盘;焊盘的内圆是加工钻孔的,定位孔要小;焊盘的

17、外径D是钻孔直径d的2位以上;钻孔直径d比焊件直径大0.2mm左右。(2导电线条的绘制简洁美观、不出尖角,印制导线与焊盘应平滑过渡;印制导线的宽度:对分立元件,一般1.53mm;对集成电路1mm或以下;对大电流导线应适当加粗。在同一印制板上,除电源和地线外,其余印制导线宽度应尽可能一致;公共地线最好布置在印制板边缘,同时尽可能增加地线的面积,以改善屏蔽效果。(3安装孔安装孔是固定大型元件或固定印制板本身所设计的孔位,要够足留够的空间。3.印制电路板的手工制作方法(1选择敷铜板,清洁板面根据电路要求,裁好敷铜板的尺寸和形状;先用砂纸将敷铜板的边缘打磨一下(去毛刺;在敷铜板上放少许去污粉,加水用布

18、将面板擦亮,然后再用干布擦干净。(2复印印制电路将设计好的印制电路图用复写纸复印在敷铜板上。复印时,印制电路与敷铜板要对整齐。(3描漆或贴膜描漆:在印制导线和焊盘上描一层易干漆,要描均匀,厚薄适宜,边缘清晰无毛刺。贴膜:用透明胶带将整个板面都贴住,然后用刀片将不需要的部分刻掉。(4腐蚀待漆干燥;将电路板放到三氯化铁溶液中进行腐蚀,铜遇三氯化铁发生置换反应(可加热加光以加速反应;大约需3060分钟。(5清洗等待电路板上没有涂漆或贴膜部分的铜箔全部腐蚀掉;将电路板取出用水清冲洗;晾干后用香蕉水溶去电路板上的漆皮或撕掉胶膜。(6修整将腐蚀好的印制板,用刀片修整导线和焊盘边缘使其平滑、无毛刺。(7钻孔

19、按图样所标尺寸钻孔;孔要钻在焊盘中心,且垂直板面,光滑无毛刺;然后用细砂纸将印制电路轻轻擦亮,用干布擦去粉末。(8涂助焊剂助焊剂一般是松香、酒精按12的体积比例配制成的溶液;助焊剂的目的是容易焊接,保证导线性能,保护铜箔,防止产生铜锈;用毛刷沾上助焊剂在印制电路板上刷上薄薄一层晾干后,印制电路板完成待用。4.3.5 调试的步骤与方法由于直流稳压电源的电路已经很成熟,可以直接将整机电路全部焊接完成后再分模块进行调试。1.熟悉直流稳压电源的技术性能指标稳压电源的输出电压U O会受到输入电压U I、负载电流I O和环境温度T(这三个因素的影响,即U O=f(U I、I O、T(1最大输出电流I MI

20、 M是指稳压电源正常工作情况下能输出的最大电流,取决于调整管的最大允许耗散功率和最大允许工作电流。(2输出电压和电压调节范围按照使用对象来确定。对于需要固定电源的设备,其稳压电源的调节范围要小。对于商用电源:从零伏起调,调节范围要大,且要连续可调。(3保护特性当电流过载或短路时,调整管有损坏的危险,应自动启动快速响应的过流保护。当稳压电源出现故障时,输出电压过高,危害负载,应自动启动快速响应的过压保护。(4效率稳压电源是一个换能器,存在换能效率问题,提高效率主要是降低调整管的功耗,这样既能节能、又能提高电源的工作稳定性。(5过冲幅度过冲:由于某一因素影响量瞬变而引起输出电压超出稳压区。过冲幅度

21、:输出电压偏离额定值的最大幅度。a. 交流供电电源阶跃变化时的过冲幅度(220V±10%阶跃变化。b. 负载阶跃变化时的过冲幅度(负载电流从空载到滿载之间阶跃变化。(6输入电压调整因数整流滤波后输入电压的变化量与所引起的输出电压的变化量之比。00I Ou =O I T U U S ,(7稳压系数输出电压和输入电压的相对变化量之比,表征电源的稳压性能。000I IOOr =I T U U U U S , 或: OI u r U U S S = (8输出电阻在输入电压和温度系数不变的情况下,输出电压变化量和负载电流变化量之比。00O OO =-=I U T I U R ,负号表示O U

22、与O I 变化方向相反。(9温度系数在输入电压和负载电流均不变的情况下,单位温度变化所引起的输出电压变化,又称温度漂移。O I U O T T T S =,OT(10纹波电压在额定工作电流的情况下,输出电压中的交流分量值称为纹波电压。纹波电压有效值的符号为U ,因为输出电压中的交流分量主要来自于输入电压中的交流分量I U ,I U 可视为输入电压的变化量。显然,稳压电路本身会对这种变化量进行抑制,所以:I u U S U 有时也常用纹波抑制比来说明纹波电压的大小:dB Lg 20I U U 显然纹波抑制比越大越好。上述其余几个指标越小越好。2.通电测试前进行检查(1检测电源变压器的绝缘电阻,以

23、防变压器漏电而危及人身或设备安全。可采用兆欧表测量初级、次级绕组之间、各绕组与接地屏蔽层之间、绕组与铁心之间的绝缘电阻,应大于1000M ,若用万用表高阻挡检测,应指示为无穷大。(2电源变压器的初级和次级绕组不能搞反,否则会损坏变压器或带来电源故障。(3保险丝是否装入。(4整流二极管和滤波电容的极性不能接反,否则会损坏。(5LM317的输入、输出和公共端不能接错,特别是公共端不能开路,否则可能导致负载损坏。若输入端和输出端接反,当输出端电压超过输入端电压7V以上时,将击穿内部调整管。(6保护二极管极性不能接错,否则不能起到保护作用。(7大功率三极管3DD15D的三个电极不能接错,两个类型相反的

24、三极管9012(T3和9013 (T2不能搞反。(8检查输出端不应该有短路现象。3.空载检查(1断开电源变压器与后级电路,接输入220V的交流电压,用万用表交流电压挡测量变压器次级交流电压值,应为设计值。再检查变压器是否通电后温度明显升高甚至发烫,若是,说明变压器质量差不能使用。若正常可进行下一步。(2断开滤波器的后级电路,将变压器与后级电路连线恢复,接通220V交流电压,观察整流二极管是否发烫,若正常用万用表直流电压挡测整流滤波电路的输出直流电压是否为设计值。若正常可进行下一步。(3断开负载,将滤波器与后级电路连线恢复,接通220V交流电压,测量输出电压是否为设计值。若正常再检查稳压器输入、

25、输出端的电压差是否大于最小电压差(约23V左右。4.直流稳压电源几个性能指标的测量(1最大输出电流I M的测量方法:令R L=,测试输出电压U O;接上R L,并逐渐减小R L的值,直到U O下降5%,此时的电流即为I M。(2测试U O的调节范围方法:令R L=,调R3测试U OminU Omax。(3测试纹波电压方法:使U O=18V,I O =200mA。用交流毫伏表并接在R L两端测出纹波电压。(4测试输出电阻r O调节R3使U O=18V,调节R L使I O1 =200mA,I O2 =25mA。测I O =200mA时的U O1,I O2 =25mA时的U O2根据表4-3-2计算

26、r O表4-3-2 直流稳压电源性能指标测试表 4.3.6 故障及其诊断与排除方法下面简要介绍直流稳压电源在安装调试过程中常出现的故障,及故障的诊断与排除方法。(1降压变压器电路故障图4-3-4直流稳压电源变压器电路中,有接线插头、电源开关、变压器、保险管。故障现象:变压器次级无输出交流电压。产生原因:可能是接线插头断路、电源开关断路、变压器损坏、保险管熔断等。查找方法:先测量变压器的初级是否有220V交流电压,从而判断故障点在变压器之前还是之后。若无220V交流电压,说明是接线插头断路或电源开关断路。若有220V交流电压,可取出保险管测量,进一步判断故障源。 故障现象：当电源开关 K 闭合时，指示灯不亮，反之，K 断开时，指示灯亮。 产生原因：电源开关接反了。 （2）桥式整流电容滤波电路故障 故障现象：输出直流电压约为 1.4U2（正常应为 1.2 U2） 产生原因：输出负载空载。 故障现象：输出直流电压约为 1U2（正常应为 1.2 U2） 。 产生原因：桥式整流电路中的二极管有一对没有正确接入电路，使电路变成半波整流。 滤波电容接入电路，滤波电路工作。 故障现象：输出直流电压