儀器儀表電源解決方案

性能指標(biāo)：提供雙極性電壓源，正負(fù)15V，正負(fù)12V，正負(fù)5V

誤差<0.3V;

輸入電壓：220V，50Hz市電，電壓變化范圍是15%~-20%

輸出電壓可調(diào)范圍：0~36V

最大電流：1A；

電源紋波：<5mV

過(guò)流保護(hù)作用。

設(shè)計(jì)思路：

小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，如圖所示。

（a）穩(wěn)壓電源的組成框圖

（b）整流與穩(wěn)壓過(guò)程

硬件設(shè)計(jì)及元件選擇：

1．電源變壓器

電源變壓器的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。電源變壓器的效率為：

其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：

表1小型變壓器的效率

副邊功率

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。

變壓器選擇：環(huán)形變壓器的鐵心是用優(yōu)質(zhì)硅鋼片（片厚一般為0.35mm以下），無(wú)縫地卷制而成，這就使得它的鐵心性能優(yōu)于傳統(tǒng)的疊片式鐵心。環(huán)形變壓器的線圈均勻地繞在鐵心上，線圈產(chǎn)生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎完全重合，與疊片式相比激磁能量和鐵心損耗將減小20％以上，由此帶來(lái)了下述一系列的優(yōu)點(diǎn)。1）電效率高鐵心無(wú)氣隙，疊裝系數(shù)可高達(dá)95％以上，鐵心磁導(dǎo)率可取1.5～1.8T（疊片式鐵心只能取1.2～1.4T），電效率高達(dá)95％以上，空載電流只有疊片式的10％。2)外形尺寸小，重量輕環(huán)形變壓器比疊片式變壓器重量可以減輕一半，只要保持鐵心截面積相等，環(huán)形變壓器容易改變鐵心的長(zhǎng)、寬、高比例，可以設(shè)計(jì)出符合要求的外形尺寸。3)磁干擾較小環(huán)形變壓器鐵心沒(méi)有氣隙，繞組均勻地繞在環(huán)形的鐵心上，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了漏磁小，電磁輻射也小。4)，繞組均勻地繞在環(huán)形的鐵心上另一個(gè)作用是堅(jiān)固鐵芯，以減小電磁振動(dòng)，降低音頻噪聲，還可以作為繞組間的靜電屏蔽。

經(jīng)過(guò)比較分析，儀器電源選用帶多路輸出的環(huán)形變壓器，所選用的環(huán)形變壓器帶有交流18V，12V，6V輸出端，為實(shí)現(xiàn)多路輸出提供了優(yōu)越的條件。

2．整流和濾波電路

在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓u2變換成脈動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓u2的有效值U2的關(guān)系為：

在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：

流過(guò)每只二極管的平均電流為：

其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足：

其中：T=20ms是50Hz交流電壓的周期。

經(jīng)過(guò)分析，整流電路采用全波整流電路結(jié)構(gòu)，整流器選用導(dǎo)通電壓降低的肖特基二極管1N5404，導(dǎo)通壓降可以小于0.5V，提高電源效率，在電容式輸入電路中，整流二極管的額定電流應(yīng)為輸出電流的3~10倍，1N5404的最大電流是3A，足以滿足要求，1N5404也有足夠大的反向擊穿電壓，保證整流電路在極端條件下不被燒壞。

濾波電路選用電容濾波。為了盡量減小輸出電壓的紋波，結(jié)合實(shí)際成本，考慮用2200~4700uF電解電容加上0.1uF的瓷片電容作為濾波電容。

3．穩(wěn)壓電路

由于輸入電壓u1發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓UI會(huì)隨著變化。因此，為了維持輸出電壓UI穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。

（1）固定電壓輸出穩(wěn)壓器

常見(jiàn)的有CW78（LM78）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79）系列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個(gè)接地端子。型號(hào)中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時(shí)，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo的電壓差UI-Uo≥2V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io=8mA。當(dāng)輸出電壓Uo=5~18V時(shí)，輸入電壓UI的最大值UImax=35V；當(dāng)輸出電壓Uo=18~24V時(shí)，UI的最大值UImax=40V。

（2）可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器

可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個(gè)端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=1.2~37V，最大輸出電流Iomax=1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：

UI-Uo=3~40V。

經(jīng)分析，三端穩(wěn)壓芯片性能穩(wěn)定，可靠性好，故選用LM系列穩(wěn)壓芯片作穩(wěn)壓電路，提供正負(fù)15V、正負(fù)12V、正負(fù)5V輸出電壓。