在以前的项目中,制作了可调电源和恒压对称电源。在本项目中,将设计不对称电源。三台工作台电源用作电源,提供三种不同的恒定电压。使用单个变压器绘制不同的电压等级。本项目设计的三台工作台电源在输出端提供5V、9V和12V电压,每个电压的最大电流限制为1A。输出电压由独立于输入电压中不必要波动的电源调节。
本课题设计的电源电路采用7805、7809、7812稳压IC,输出5V、9V、12V稳压电源。采用传统的电源电路设计步骤,如降低交流电压、将交流电压转换为直流电压、平滑直流电压,以获得交流市电的直接输入,组装成三重梯级电路。
组件需要- - - - - -
图1:三台工作台电源所需部件清单
框图,
图2:三台工作台电源的框图
电路连接,
首先,对于230v交流电降压,采用18V-0-18V中心带变压器。变压器的二次线圈连接全桥整流器。全桥整流器由四个1N4007二极管相互连接而成,在原理图中分别为D1、D2、D3和D4。D1的阴极和D2的阳极连接到一个二次线圈上,D4的阴极和D3的阳极连接到二次线圈的中心带上。D2和D3的正极连接,从整流输出端抽出一端;D1和D4的正极连接,从全波整流输出端抽出另一端。
5V供电时,将1A保险丝串联到全波整流器的输出端,以保护交流电源。为了平滑,在全波整流器的输出端之间连接一个100uf的电容(如图C1所示)。为了调节电压,LM-7805 IC与平滑电容并联。输出来自7805 IC的电压输出端,一个10 uF的电容(如图C2所示)连接到电源的输出端,以补偿瞬态电流。
对于9V电源,1A保险丝再次串联至全波整流器的输出,以保护交流电源。在全波整流器的输出端子之间连接一个100 uF的电容器(如示意图中的C3所示),用于平滑。对于电压调节,LM-7809 IC与平滑电容器并联。该输出来自7809 IC的电压输出端子。在电源输出端连接一个10 uF的电容器(如示意图中的C4所示),以补偿瞬态电流。
类似地,对于12V电源,1A的保险丝串联到全波整流器的输出,以保护来自交流电源。在全波整流器的输出端之间连接100uf的电容(如图C5所示)以达到平滑的目的。为了调节电压,LM-7812 IC与平滑电容并联。输出来自7812 IC的电压输出端,一个10uf的电容(如图C6所示)连接在电源的输出端,以补偿瞬态电流。
电路是如何工作的
电源电路以明确定义的阶段运行,每个阶段都有特定的用途。该电路在以下阶段运行——
1.交-交转换
2.交流到直流转换-全波整流
3.平滑的
4.电压调整
交流对交流转换
主电源电压约为220-230V AC,需要降至12V。为了将交流220V减少到12V,使用了带中心胶带的降压变压器。中心分接变压器的使用允许在输入端产生正电压和负电压,但是,只有正电压将从变压器中提取。由于电阻损耗,电路的输出电压有所下降。因此,需要采用额定电压大于12v的高压变压器。变压器在输出端应提供1A电流。满足上述电压和电流要求的最合适的降压变压器是18V-0-18V/2A。这个变压器将主线电压降至+/-18V AC,如下图所示。
图3:18-0-18V变压器电路图
交流到直流转换-全波整流
降压后的交流电压需要通过整流转换为直流电压。整流是将交流电压转换为直流电压的过程。有两种方法可以将交流信号转换为直流信号。一种是半波整流,另一种是全波整流。在该电路中,全波桥式整流器用于将36V AC转换为36V DC。全波整流比半波整流更有效,因为它能充分利用交流信号的正负两个方面。在全波桥式整流器配置中,四个二极管的连接方式使电流仅沿一个方向流过它们,从而在输出端产生直流信号。在全波整流期间,一次两个二极管变为正向偏置,另两个二极管变为反向偏置。
图4:全波整流器电路图
在电源的正半周期内,二极管D2和D4串联,二极管D1和D3反向偏置,电流通过输出端,经过D2、输出端和D4。在电源负半周时,二极管D1和D3串联,但二极管D1和D2反向偏置,电流流过D3、输出端和D1。在两种情况下,通过输出端子的电流方向保持一致。
图5:显示全波整流器正循环的电路图
图6:显示全波整流器负循环的电路图
选择1N4007二极管来制造全波整流器,因为它们的最大(平均)正向额定电流为1A,在反向偏置条件下,它们可以维持高达1000V的峰值反向电压。这就是为什么在本项目中使用1N4007二极管进行全波整流。
平滑
平滑是利用电容对直流信号进行滤波的过程。全波整流器的输出不是稳定的直流电压。整流器的输出频率是主电源的两倍,但含有波纹。因此,需要将一个电容并联到全波整流器的输出端进行平滑处理。电容器在一个周期内充电和放电,输出稳定的直流电压。因此,将100 uF的电容(如图C1、C3和C5所示)连接到整流电路的输出端。由于要整流的直流电路上有许多交流尖峰和不必要的波纹,所以为了减少这些尖峰电容被使用。这些电容器作为滤波电容器,绕过所有通过它们到地的交流。在输出,平均直流电压是平滑和无纹波。
图7三台电源平滑电容电路示意图
电压调整
输出电压来自三个调节器IC。为了在输出端获得三个不同的电压,使用了三个调节器。5V输出来自7805 IC,9V输出来自7809 IC,12V输出来自7812 IC。这些集成电路提供恒定且可调节的输出电压。因此,输入电压中的任何波动和不必要的尖峰不会影响输出电压。
7805 IC提供4.75V至5.25V的输出电压,7V至20V的输入电压范围。7809 IC提供了8.6V到9.4V的输出电压,11.5V到24V的输入电压。LM7812集成电路可以提供14.5V到27V的输入电压,并提供11.4V到12.6V的恒定输出电压。ic具有最大1A电流限制。
图8:7805,7809和7812稳压ic的输入和输出电压列表
这些IC具有以下内部可承受的功耗-
Pout = (IC的最高工作温度)/(热阻,结对环境+热阻,结对外壳)
Pout=(125)/(65+5)(数值见数据表)
Pout=1.78W
因此,7805、7809和7812内部可维持高达1.78W的功耗。超过1.78W,这些ic将不能容忍产生的热量,并将开始燃烧。这也会引起严重的火灾隐患。因此需要散热片来散热。
补偿暂态电流
在电源电路的输出端,10个uF电容并联(原理图中为C2、C4、C6)。这些电容器有助于快速响应负载瞬态。当输出负载电流发生变化时,就会出现初始电流不足的情况,这些输出电容可以满足这一需求。
输出电流变化可由
输出电流,Iout=C(dV/dt),其中
dV=最大允许电压偏差
dt =瞬态响应时间
考虑dv = 100mV
dt = 100美元
在这个电路中,使用了一个10uf的电容,
C = 10佛罗里达大学
Iout=10u(0.1/100u)
马Iout = 10
由此可知,输出电容对10mA电流变化的响应时间为100 us。
图9暂态电流补偿器电路图
短路保护
二极管D5、D6和D7分别连接在7805、7809和7812 ic的电压输入和电压输出端,以防止外部电容(C2、C4和C6)在输入短路时通过各自的ic放电。当输入端短路时,二极管的阴极处于地电位。二极管的阳极端处于高电压,因为各自的电容器已充满电。因此,在这种情况下,二极管是正向偏置的,所有放电电流从电容器通过二极管到地。这节省了各自的稳压器IC从背电流。
图10:三台电源短路保护电路图
测试和预防措施-
组装电路时,应采取以下预防措施-
•降压变压器、桥式二极管和稳压ic的额定电流必须大于或等于输出所需电流。否则,它将无法在输出端提供所需的电流。
•降压变压器的额定电压应大于最大所需输出电压。这是由于事实,7805,7809和7812 ic采取电压降约2至3 V。因此,输入电压必须大于最大输出电压2V到3V,并应在稳压ic输入电压的限制范围内。
•电路中使用的电容器的额定电压必须高于输入电压。否则,电容器将开始泄漏电流,由于在他们的极板电压过高,并将爆发。
•在整流器的输出端应该使用一个电容,这样它就可以处理不需要的市电噪声。同样,建议在稳压器的输出端使用电容,以处理输出端的快速瞬态变化和噪声。输出电容的值取决于电容的电压偏差、电流变化和瞬态响应时间。
•当使用稳压IC后的电容器时,应该始终使用保护二极管,以防止IC在电容器放电时回流。
•为了驱动输出端的高负载,需要在调节器的孔上安装散热器。这将防止IC吹掉由于散热。
•由于稳压器ic只能将电流拉至1A,因此需要连接1A的保险丝。这种保险丝将限制调节器中的电流达1A。对于1A以上的电流,熔断器将烧断,这将切断电路的输入电源。这将保护电路和稳压器ic的电流大于1A。
一旦电路组装好,就可以用万用表进行测试。测量7805、7809、7812 ic端子的输出电压。然后,测量负载连接时的电压输出。
在7805稳压IC上,输入电压为12V,输出电压为5.06V。当负载电阻为5 Ω时,输出电压读数为3.43 V,压降为1.63 V。输出电流测量为590 mA。当负载电阻为10Ω时,输出电压读数为4.08 V,电压降为0.98 V。输出电流测量为370ma。故电阻为10Ω时的功耗为-
撅嘴=(Vin–Vout)*Iout
撅嘴= (18 - 4.08)* 0.370
撅嘴= 5.2 w
在7809稳压IC上,输入电压为12V,输出电压为9.15V。在电阻为20 Ω的负载下,输出电压为8.18 V,电压降为0.97 V。输出电流测量为400ma。当负载电阻为10Ω时,输出电压读数为7.38 V,电压降为1.77 V。输出电流测量为680ma。故电阻为20 Ω时的功耗为-
撅嘴=(Vin–Vout)*Iout
撅嘴=(18-8.18)*0.4
撅嘴= 3.9 w
在7812稳压IC上,输入电压为12V,输出电压为12.22V。在电阻为20 Ω的负载下,输出电压读数为10.86 V,电压降为1.36 V。输出电流测量为490 mA。当负载电阻为10Ω时,输出电压读数为9.02 V,电压降为3.2 V。输出电流测量为830 mA。故电阻为20Ω时的功耗为-
撅嘴=(Vin–Vout)*Iout
Pout = (18 - 10.86)*0.490
Pout=3.5W
在电路测试过程中,分析了当输出电流需求增加时,输出电压开始减小。随着电流需求的增加,7805,7809和7812 ic开始升温,ic需要更多的降通过他们降低输出电压。从以上实际经验可以看出,集成电路的功耗大于其内部可容忍的限度。因此,建议使用散热器来帮助冷却集成电路,并增加这些电压调节器集成电路的寿命。
本设计的电路可作为稳压电源使用,并可作为标准电源适配器使用。它可以用于偏置需要差分电压的集成芯片。