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[導讀]目前,各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場,電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而,基于成本的考慮,對于電源性能要求不是很高的場合,可采用帶有過流保護的集成穩(wěn)壓電路,同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護電路作為電源電路中不可缺少

目前,各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場,電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而,基于成本的考慮,對于電源性能要求不是很高的場合,可采用帶有過流保護的集成穩(wěn)壓電路,同樣能滿足產(chǎn)品的要求。

過流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分,根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式,而直流電機電源較宜采用關(guān)斷方式。

過流保護電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié),常用做法是串聯(lián)一個小電阻或者是霍爾元件來獲得電流信號。由于霍爾元件體積比較大,價格昂貴,因而考慮采用串聯(lián)一個小電阻的方法。

1、工作原理

帶過流保護功能的LM317穩(wěn)壓電路如圖1所示,集成穩(wěn)壓電路一般分為5部分,即交流降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護電路。交流220V電壓經(jīng)電源變壓器降壓整流得到直流電壓Vin,此電壓通過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器輸入端,在集成穩(wěn)壓器輸出端可得到1.25~37V直流電壓。工作原理圖及各部分電壓波形如圖2所示。

下面分析保護電路的工作過程。

1.1 集成穩(wěn)壓器的保護

為獲得較高的輸出電壓值,LM317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間的電阻R2值及其壓降往往較大,在R2兩端并接一個小于10μF的電容C3,可有效地抑制輸出端的紋波。當輸入端或輸出端發(fā)生短路時,電容C3的放電將在R1上產(chǎn)生沖擊電壓,會危及穩(wěn)壓器的基準電壓電路,因此需在R1兩端并二極管D3以保護穩(wěn)壓器。

穩(wěn)壓器的輸出端不加電容亦能工作,由于穩(wěn)壓器在1∶1的深度負反饋下工作,當輸出端負載為容性的某一值時,穩(wěn)壓器有可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。因此,在穩(wěn)壓器的輸入端接入0.1μF的電容C1,輸出端接入1000μF的電解電容C5,提供足夠的電流供給,同時可以防止可能發(fā)生的自激振蕩以及減小高頻噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。當輸入端發(fā)生短路時,C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電,C5值較大,則放電時的沖擊電流很大,電壓會通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶體管放電,可能造成輸出晶體管發(fā)射結(jié)反向擊穿。為此,在穩(wěn)壓器兩端并接二極管D2,輸入端短路時C5通過D2放電,保護穩(wěn)壓器。

1.2 過流保護

過流保護電路原理見圖3,R5為取樣小電阻。當電源工作時,穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓,電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流iout較大(約為額定電流的8~10倍),iout流過小電阻R5,并經(jīng)R4對C4充電。通過設(shè)定R4、C4的值,使充電時間Υ大于電機啟動時間δ,V2(9013)處于截止狀態(tài),電機啟動到穩(wěn)定狀態(tài)后,電流恢復到工作電流。一旦電機發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn),使電容C4兩端電壓達到V2的導通電壓,則V2導通,強制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。

圖3 保護電路原理圖

2、電路設(shè)計

2.1 集成穩(wěn)壓器的選擇

在選擇集成穩(wěn)壓器時,應(yīng)該兼顧性能、使用和價格幾個方面。性能指標主要根據(jù)負載電壓電流的大小、調(diào)整率的高低以及工作穩(wěn)定范圍的寬窄來選。LM317系列由于其輸出電壓可調(diào),同時其有較高的穩(wěn)壓精度、較高的紋波抑制比和較好的輸出電壓溫度特性,而得到了廣泛的應(yīng)用。

設(shè)電源的輸出總功率P0,負載額定電壓U0,則輸出電流額定值為I0=P0/U0,為了使電路穩(wěn)定運行,還需要考慮一定的設(shè)計余量(一般取10%以上)。LM317系列穩(wěn)壓器主要參數(shù)如表1所列,根據(jù)計算出的電流值,選擇相應(yīng)的穩(wěn)壓器。

表1 LM317家族主要成員

2.2 整流濾波電路設(shè)計

橋式整流濾波電路要確定整流二極管以及濾波電容值。

(1)整流二極管的選擇

選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大,二極管導通角愈小,通過二極管脈沖電流的幅度愈大,因此,整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流ID=Ii/2,Ii=IR2+I0,IR2=IR1+Iadj≈0.01A(式中Ii為穩(wěn)壓器的輸入電流,IR1、IR2、Iadj分別為流過R1、R2,以及調(diào)整端的電流),則ID=(0.01+I0)/2??紤]到電容充電電流的沖擊,正向電流一般取平均電流的2~3倍。

二極管最大反向電壓

式中U2為電源變壓器次級電壓有效值,Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器LM317穩(wěn)定運行,輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在5~15V范圍,取Ui-U0=1OV,得Udmax=1.2Ui=1.2(U0+10)=12+1.2U0。設(shè)計時可考慮一定的余量。

(2)濾波電容設(shè)計

濾波電解電容C1的選擇原則是:取其放電時間常數(shù)RLC1大于充電周期的3~5倍,其耐壓值Uc必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說,脈動電壓峰值為2U2,C1的充電周期等于交流電源周期T的一半,即

式中RL為整流后的等效負載電阻,而RL=Ui/Ii=(10+U0)/(0.0l+I0),代入式中即可確定C1值。

2.3 電源變壓器設(shè)計

在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中,確定變壓器的二次電壓很重要。如果為了有富余而把二次電壓做得較高,就會增加調(diào)整管的損耗,這樣得相應(yīng)地增大散熱器。因此,要設(shè)計出性能優(yōu)良的電源,變壓器的參數(shù)值往往要經(jīng)過多次調(diào)整。參考史獻中全面地講解了電源變壓囂設(shè)計的各個要點,本文不再贅述。這里采用近似計算的方法來確定U2和I2。

U2=Ui/1.2=0.83(10+Uo)

I2=(1.5~2)Ii=(1.5~2)×(0.01+Io)

2.4 集成穩(wěn)壓器電路設(shè)計

為保證穩(wěn)壓器在空載時也能正常工作.則流過電阻R1的電流不能太小。一般取IR1=5~10mA,故R1=VREF/IR1=1.25/(5~10)×10-3≈120~240Ω,式中VREF為穩(wěn)壓器基準電壓。而輸出電壓U0與VREF、R1、R2有以下關(guān)系:[!--empirenews.page--]

Un=VREF+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2 (1)

調(diào)節(jié)電阻R2,即可改變輸出電壓的大小。由于Iadj很小(只有50μA),所以式(1)可寫為Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1) (2)

由式(2)求得R2=(0.8U0-1)R1。

2.5 保護電路設(shè)計

電路中保護二極管的選擇比較簡單,只要能保證滿足反向耐壓和沖擊電流這兩個要求就可以了。而R3的作用主要是限制三極管的基級電流,一般取1~2kΩ。下面談?wù)勥^流保護電路的設(shè)計。

(1)啟動狀態(tài)

電機啟動時必須滿足充電時間Υ大于啟動時間δ,V2不導通,電機才能正常啟動。由于啟動電流很大,一般是額定電流的4~7倍,可看成不變,設(shè)為I=5I0。根據(jù)圖4可知。

圖4 保護電路瞬時短路響應(yīng)

(2)保護狀態(tài)

設(shè)電機負荷在額定狀態(tài)下運行,電機電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機短路或堵轉(zhuǎn)后,電流突然增大到短路電流Is,電容C4開始充電??紤]一定的設(shè)計余量,取保護電流設(shè)定值IG。

2.6 散熱設(shè)計

穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TjM,當T

求得Rθd后,通過查散熱片等效熱阻與材料厚度和表面積關(guān)系的有關(guān)手冊,可得到表面積的范圍。表2列出了幾種常用封裝形式的熱阻。

3、實驗結(jié)果

在交流供電電壓220(1±10%)V,輸出額定電壓U0=24V,額定功率P0=15W,額定電流I0=0.625A,電機啟動時間δ=50ms,允許短路時間ts=500ms,保護電流整定值Ic=2A,最高環(huán)境溫度TAM=+45℃的條件下。設(shè)計出各電路參數(shù)見表3。

按表3的設(shè)計選取參數(shù)組裝完畢后,經(jīng)實驗測定達到如下技術(shù)指標:

輸出特性Un=24V,In=0~1A:

電壓穩(wěn)定度 Sv≤5×10-6;

負載穩(wěn)定度S1≤5×10-5;

溫度系數(shù)α≤1×10-5/℃。

電機能正常啟動,當電機堵轉(zhuǎn)時,過流保護正常起作用。

表2 幾種封裝形式的熱阻

表3 設(shè)計參數(shù)值

4、結(jié)語

綜上所述,采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計的小功率直流電機電源,電路結(jié)構(gòu)簡單,效率高,成本低,輸出電壓性能好,有著很好的應(yīng)用前景。

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