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可調式電源適配器電路設計

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可調式電源適配器電路設計

直流穩(wěn)壓電源適配器在現(xiàn)代人的工作、科研、生活、學習中扮演著極為重要的角色。在我們使用的電子電路中，多數(shù)都需要穩(wěn)定的直流電源適配器進行供電。直流穩(wěn)壓電源適配器作為電子技術常用的設備之一，廣泛地應用于教學、科研等領域。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源適配器功能簡單、控制困難、可靠性低、干擾大、精度低且體積大。本項目所介紹的可調式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路在固定式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路的基礎上，具有電壓可控、電壓穩(wěn)定度高等特點，其輸出電壓精確可測，可用于電源適配器精度要求比較高的設備或科研實驗。

設計任務
設計一個可調的直流穩(wěn)壓電源適配器，將市電轉化成直流穩(wěn)壓+5V。

基本要求
能夠提供可調的0～+5V直流穩(wěn)壓電源適配器。
具有過流及短路保護功能。

總體思路
許多電子產(chǎn)品如電視機、電子計算機、音響設備等都需要直流電源適配器，電子儀器也需要直流電源適配器，實驗室更需要獨立的直流電源適配器。為了提高電子設備的精度及穩(wěn)定性，在直流電源適配器中還要加入穩(wěn)壓電路，因此稱為直流穩(wěn)壓電源適配器。典型的直流穩(wěn)壓電源適配器主要由電源適配器變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分構成。電源適配器變壓器把50Hz的交流電網(wǎng)電壓變成所需要的交流電壓；整流電路用來將交流電變換為單向脈動直流電；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電流中的交流成分（即紋波電壓），使其成為平滑的直流電；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電網(wǎng)電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。

系統(tǒng)組成
可調式單120W電源適配器直流穩(wěn)壓電路整個系統(tǒng)主要分以下四個部分。
降壓電路：利用變壓器對220V交流電網(wǎng)電壓進行降壓，變?yōu)樗枰慕涣麟妷海詽M足+5V電源適配器輸出的需要。
整流電路：將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動的直流電壓。
濾波電路：去掉整流電路輸出的直流電中的紋波，將脈動的直流電壓轉化為平滑的直流電壓，主要利用儲能元件電容來實現(xiàn)。
穩(wěn)壓電路：清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響，保持輸出電壓的穩(wěn)定。
系統(tǒng)模塊框圖如圖所示。

系統(tǒng)模塊框圖

模塊詳解
1.整流電路
它是全波整流的一種方式，稱為橋式整流電路。該電路使用四個二極管，變壓器有中心抽頭。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，效率較高。利用兩個半橋輪流導通，形成信號的正半周和負半周。使用有中心抽頭的變壓器則可以得到正負兩個電壓輸出。整流電路原理圖如圖2－2所示。整流電路輸出out1端輸出波形，仿真結果如圖所示。

交流電壓設定如圖2－4所示，將電壓輸入設置為15V，頻率設置為50Hz，模仿市電經(jīng)變壓后的低壓交流電源適配器輸入。

2.濾波電路
電容濾波一般負載電流較小，可以滿足放電時間常數(shù)較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動系數(shù)S小，輸出平均電壓UO大，具有較好的濾波特性。把電容器和負載并聯(lián)，正半周時電容被充電，負半周時電容放電，就可使負載上得到平滑的直流電。電路在三端穩(wěn)壓器的輸入端接入電解電容C1=1000μF，用于電源適配器濾波，其后并入電解電容C2=4.7μF用于進一步濾波。在三端穩(wěn)壓器輸出端接入電解電容C3=4.7μF用于減小電壓紋波，而并入陶瓷電容C4=100nF用于改善負載的瞬態(tài)響應并抑制高頻干擾（陶瓷小電容電感效應很小，可以忽略，而電解電容因為電感效應在高頻段比較明顯，所以不能抑制高頻干擾）。濾波電路原理圖如圖所示。

為了驗證濾波電路的效果，以前端濾波電路（見圖）為例進行分析。前端濾波電路輸出out1端輸出波形，仿真結果如圖所示。

為了驗證濾波電容的效果，在原電路輸入基礎上將濾波電容C1改為100μF，輸入信號依然為15V、50Hz的交流信號，設置方法如圖所示。利用軟件圖表功能仿真out1端輸出波形，如圖所示。

如圖所示，濾波電路中電容大小直接影響電路的濾波效果。若將電容值設置過小，電路的濾波效果也會減弱。
綜上所述，輸入的交流信號經(jīng)整流電路整流，又經(jīng)濾波電路，后面將穩(wěn)定有效的電壓由out1端傳輸至穩(wěn)壓電路模塊?？梢?，濾波電路在電路設計中是十分重要的。

3.穩(wěn)壓電路
使用三端穩(wěn)壓器有以下優(yōu)點。
（1）元件數(shù)量少。
（2）帶有限流電路，輸出短路時不會損壞元件。
（3）帶有熱擊穿功能。
三端穩(wěn)壓器選擇LM317（輸出電流為1.5A，輸出電壓可在1.25～37V之間連續(xù)調節(jié)），其輸出電壓由兩只外接電阻R2、RV1決定，輸出端和調整端之間的電壓差為1.25V。在輸出端同時并入二極管D1（型號為1N4001），當三端穩(wěn)壓器未接入輸入電壓時可保護其不至于損壞。
閉路電視電源適配器信號由out1端輸入至三端穩(wěn)壓器，利用RV1控制輸出電壓大小，調節(jié)RV1電位器至位置1（2％）處，此時輸出電壓為2.12V，負載LED不點亮，電路仿真結果如圖2－10所示。

三端穩(wěn)壓器較易損壞的是輸出腳（圖中2腳）電壓高于輸入腳（圖中3腳）而形成擊穿，因此一般像圖2－10中那樣并聯(lián)一個二極管1N4001，它的主要作用是：如果輸入端C1或C2出現(xiàn)短路，則輸出2腳會高于輸入3腳，很容易擊穿穩(wěn)壓器，所以反向并聯(lián)一個二極管，對1腳電壓進行泄放，使2腳到3腳電壓限幅為0.7V，可有效保護穩(wěn)壓器不被反向擊穿。
用示波器監(jiān)視RV1處于位置1時穩(wěn)壓電路空載輸出端out2，結果如圖所示。

調節(jié)RV1，使其到達位置2（16％），則穩(wěn)壓電路輸出端out2電壓也會增大。此時輸出電壓為6.37V，負載LED被點亮，如圖所示。
圖　RV1處于位置2時穩(wěn)壓電路仿真圖
用示波器監(jiān)視高擋位穩(wěn)壓電路輸出，結果如圖所示。

在穩(wěn)壓輸出端out2處接入2kΩ電阻與LED負載進行穩(wěn)壓測試，如圖所示。
加入2kΩ電阻與LED負載后，由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓大小為6.37V，并可將LED點亮。用示波器監(jiān)視穩(wěn)壓電路輸出，結果如圖所示。

圖RV1處于位置2時穩(wěn)壓電路輸出仿真圖圖

穩(wěn)壓電路負載輸出仿真圖（一）

隨后在穩(wěn)壓器輸出端out2處加入5kΩ電阻與LED負載進行測試，如圖所示。

圖穩(wěn)壓電路負載輸出仿真圖（二）

加入5kΩ電阻與LED負載后，由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓大小為6.37V，并可將LED點亮。用示波器監(jiān)視穩(wěn)壓電路當前輸出，結果如圖所示。

綜上所述，本項目所設計的可調式直流穩(wěn)壓電源適配器，能夠在負載變化的情況下提供穩(wěn)定可調的直流穩(wěn)壓電源適配器。

可調式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路的整體電路原理圖如圖所示。

圖整體電路原理圖
經(jīng)過對電路板進行實際測試，輸入15V交流電壓，輸出可以在1.48～14.84V之間可調，基本符合設計要求。PCB版圖（見圖）

實物測試（見圖）

可調式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路實物圖
為了提高電子設備的精度及穩(wěn)定性，在直流電源適配器中還要加入穩(wěn)壓電路，因此稱為直流穩(wěn)壓電源適配器。典型的直流穩(wěn)壓電源適配器主要由電源適配器變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分構成。電源適配器變壓器把50Hz的交流電網(wǎng)電壓變成所需要的交流電壓；整流電路用來將交流電變換為單向脈動直流電；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電流中的交流成分（即紋波電壓），使其成為平滑的直流電；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電網(wǎng)電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。本項目所介紹的可調式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路在固定式單電源適配器直流穩(wěn)壓電路的基礎上，具有電壓可控、電壓穩(wěn)定度高等特點，其輸出電壓精確可測，可用于電源適配器精度要求比較高的設備或科研實驗。

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| 發(fā)布時間：2019.05.21    來源：電源適配器廠家
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