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

直流穩壓電源適配器在現代人的工作、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，多數都需要穩定的直流電源適配器進行供電。直流穩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。傳統的多功能直流穩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壓電路在固定式單電源適配器直流穩壓電路的基礎上，具有電壓可控、電壓穩定度高等特點，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壓電源適配器，將市電轉化成直流穩壓+5V。

基本要求
能夠提供可調的0～+5V直流穩壓電源適配器。
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定性，在直流電源適配器中還要加入穩壓電路，因此稱為直流穩壓電源適配器。典型的直流穩壓電源適配器主要由電源適配器變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等幾部分構成。電源適配器變壓器把50Hz的交流電網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；穩壓電路的作用是當輸入交流電網電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。

系統組成
可調式單120W電源適配器直流穩壓電路整個系統主要分以下四個部分。
降壓電路：利用變壓器對220V交流電網電壓進行降壓，變為所需要的交流電壓，以滿足+5V電源適配器輸出的需要。
整流電路：將交流電壓變為單向脈動的直流電壓。
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。
穩壓電路：清除電網波動及負載變化的影響，保持輸出電壓的穩定。
系統模塊框圖如圖所示。

系統模塊框圖

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，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，輸入的交流信號經整流電路整流，又經濾波電路，最終將穩定有效的電壓由out1端傳輸至穩壓電路模塊。可見，濾波電路在電路設計中是十分重要的。

3.穩壓電路
使用三端穩壓器有以下優點。
（1）元件數量少。
（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之間連續調節），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端輸入至三端穩壓器，利用RV1控制輸出電壓大小，調節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。

三端穩壓器最易損壞的是輸出腳（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中那樣并聯一個二極管1N4001，它的主要作用是：如果輸入端C1或C2出現短路，則輸出2腳會高于輸入3腳，很容易擊穿穩壓器，所以反向并聯一個二極管，對1腳電壓進行泄放，使2腳到3腳電壓限幅為0.7V，可有效保護穩壓器不被反向擊穿。
用示波器監視RV1處于位置1時穩壓電路空載輸出端out2，結果如圖所示。

調節RV1，使其到達位置2（16％），則穩壓電路輸出端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時穩壓電路仿真圖
用示波器監視高擋位穩壓電路輸出，結果如圖所示。

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

圖RV1處于位置2時穩壓電路輸出仿真圖圖

穩壓電路負載輸出仿真圖（一）

隨后在穩壓器輸出端out2處加入5kΩ電阻與LED負載進行測試，如圖所示。

圖穩壓電路負載輸出仿真圖（二）

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

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

可調式單電源適配器直流穩壓電路的整體電路原理圖如圖所示。

圖整體電路原理圖
經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壓電路實物圖
為了提高電子設備的精度及穩定性，在直流電源適配器中還要加入穩壓電路，因此稱為直流穩壓電源適配器。典型的直流穩壓電源適配器主要由電源適配器變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等幾部分構成。電源適配器變壓器把50Hz的交流電網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；穩壓電路的作用是當輸入交流電網電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。本項目所介紹的可調式單電源適配器直流穩壓電路在固定式單電源適配器直流穩壓電路的基礎上，具有電壓可控、電壓穩定度高等特點，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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