簡(jiǎn)易帶過流保護(hù)直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)。
內(nèi)容簡(jiǎn)介:帶過流保護(hù)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(hù)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。
本文介紹了過流保護(hù)的原理,詳細(xì)介紹了帶過流保護(hù)直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)方法,采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的小功率直流電機(jī)電源,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高,成本低,輸出電壓性能好,有著很好的應(yīng)用前景。
引言
目前,各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場(chǎng),電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而,基于成本的考慮,對(duì)于電源性能要求不是很高的場(chǎng)合,可采用帶有過流保護(hù)的集成穩(wěn)壓電路,同樣能滿足產(chǎn)品的要求。
過流保護(hù)電路作為電源電路中不可缺少的一個(gè)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(jī)電源較宜采用關(guān)斷方式。
過流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié),常用做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻或者是霍爾元件來(lái)獲得電流信號(hào)。由于霍爾元件體積比較大,價(jià)格昂貴,因而考慮采用串聯(lián)一個(gè)小電阻的方法。
1、工作原理
帶過流保護(hù)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(hù)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(hù)電路的工作過程。
1.1 集成穩(wěn)壓器的保護(hù)
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(gè)小于10μF的電容C3,可有效地抑制輸出端的紋波。當(dāng)輸入端或輸出端發(fā)生短路時(shí),電容C3的放電將在R1上產(chǎn)生沖擊電壓,會(huì)危及穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓電路,因此需在R1兩端并二極管D3以保護(hù)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(fù)反饋下工作,當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某一值時(shí),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(shí)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí),C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電,C5值較大,則放電時(shí)的沖擊電流很大,電壓會(huì)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(shí)C5通過D2放電,保護(hù)穩(wěn)壓器。
1.2 過流保護(hù)
過流保護(hù)電路原理見圖3,R5為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí),穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓,電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)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(duì)C4充電。通過設(shè)定R4、C4的值,使充電時(shí)間Υ大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ,V2(9013)處于截止?fàn)顟B(tài),電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后,電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn),使電容C4兩端電壓達(dá)到V2的導(dǎo)通電壓,則V2導(dǎo)通,強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。
2、電路設(shè)計(jì)
2.1 集成穩(wěn)壓器的選擇
在選擇集成穩(wěn)壓器時(shí),應(yīng)該兼顧性能、使用和價(jià)格幾個(gè)方面。性能指標(biāo)主要根據(jù)負(fù)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(lái)選。LM317系列由于其輸出電壓可調(diào),同時(shí)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(fù)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(yùn)行,還需要考慮一定的設(shè)計(jì)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(jì)算出的電流值,選擇相應(yīng)的穩(wěn)壓器。
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(dǎo)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(jí)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(yùn)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(jì)時(shí)可考慮一定的余量。
(2)濾波電容設(shè)計(jì)
濾波電解電容C1的選擇原則是:取其放電時(shí)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(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來(lái)說,脈動(dòng)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(fù)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(jì)
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(huì)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(jì)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(xiàn)中全面地講解了電源變壓囂設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn),本文不再贅述。這里采用近似計(jì)算的方法來(lái)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(jì)
為保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)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(zhǔn)電壓。而輸出電壓U0與VREF、R1、R2有以下關(guān)系:
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?。ㄖ挥?0μA),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(hù)電路設(shè)計(jì)
電路中保護(hù)二極管的選擇比較簡(jiǎn)單,只要能保證滿足反向耐壓和沖擊電流這兩個(gè)要求就可以了。而R3的作用主要是限制三極管的基級(jí)電流,一般取1~2kΩ。下面談?wù)勥^流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
(1)啟動(dòng)狀態(tài)
電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間Υ大于啟動(dòng)時(shí)間δ,V2不導(dǎo)通,電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)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。
穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TjM,當(dāng)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(cè),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(shí)驗(yàn)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(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ=50ms,允許短路時(shí)間ts=500ms,保護(hù)電流整定值Ic=2A,最高環(huán)境溫度TAM=+45℃的條件下。設(shè)計(jì)出各電路參數(shù)見表3。
按表3的設(shè)計(jì)選取參數(shù)組裝完畢后,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo):
輸出特性Un=24V,In=0~1A:
電壓穩(wěn)定度 Sv≤5×10-6;
負(fù)載穩(wěn)定度S1≤5×10-5;
溫度系數(shù)α≤1×10-5/℃。
電機(jī)能正常啟動(dòng),當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),過流保護(hù)正常起作用。
綜上所述,采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的小功率直流電機(jī)電源,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高,成本低,輸出電壓性能好,有著很好的應(yīng)用前景。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)說明來(lái)自西安泰富西瑪電機(jī)(西安西瑪電機(jī)集團(tuán)股份有限公司)官方網(wǎng)站:http://m.todayo.cn/zixun/dianjibaike263.html
引言
目前,各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場(chǎng),電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而,基于成本的考慮,對(duì)于電源性能要求不是很高的場(chǎng)合,可采用帶有過流保護(hù)的集成穩(wěn)壓電路,同樣能滿足產(chǎn)品的要求。
過流保護(hù)電路作為電源電路中不可缺少的一個(gè)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(jī)電源較宜采用關(guān)斷方式。
過流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié),常用做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻或者是霍爾元件來(lái)獲得電流信號(hào)。由于霍爾元件體積比較大,價(jià)格昂貴,因而考慮采用串聯(lián)一個(gè)小電阻的方法。
1、工作原理
帶過流保護(hù)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(hù)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。
圖1 帶有保護(hù)的LM317穩(wěn)定電路
圖2 直流穩(wěn)壓電源方框圖
下面分析保護(hù)電路的工作過程。
1.1 集成穩(wěn)壓器的保護(hù)
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(gè)小于10μF的電容C3,可有效地抑制輸出端的紋波。當(dāng)輸入端或輸出端發(fā)生短路時(shí),電容C3的放電將在R1上產(chǎn)生沖擊電壓,會(huì)危及穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓電路,因此需在R1兩端并二極管D3以保護(hù)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(fù)反饋下工作,當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某一值時(shí),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(shí)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí),C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電,C5值較大,則放電時(shí)的沖擊電流很大,電壓會(huì)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(shí)C5通過D2放電,保護(hù)穩(wěn)壓器。
1.2 過流保護(hù)
過流保護(hù)電路原理見圖3,R5為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時(shí),穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓,電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)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(duì)C4充電。通過設(shè)定R4、C4的值,使充電時(shí)間Υ大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ,V2(9013)處于截止?fàn)顟B(tài),電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后,電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā)生短路或堵轉(zhuǎn),使電容C4兩端電壓達(dá)到V2的導(dǎo)通電壓,則V2導(dǎo)通,強(qiáng)制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。
圖3 保護(hù)電路原理圖
2、電路設(shè)計(jì)
2.1 集成穩(wěn)壓器的選擇
在選擇集成穩(wěn)壓器時(shí),應(yīng)該兼顧性能、使用和價(jià)格幾個(gè)方面。性能指標(biāo)主要根據(jù)負(fù)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(lái)選。LM317系列由于其輸出電壓可調(diào),同時(shí)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(fù)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(yùn)行,還需要考慮一定的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dǎo)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(jí)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(yùn)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(jì)時(shí)可考慮一定的余量。
(2)濾波電容設(shè)計(jì)
濾波電解電容C1的選擇原則是:取其放電時(shí)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(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來(lái)說,脈動(dòng)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(fù)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(jì)
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(huì)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(jì)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(xiàn)中全面地講解了電源變壓囂設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn),本文不再贅述。這里采用近似計(jì)算的方法來(lái)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(jì)
為保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)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(zhǔn)電壓。而輸出電壓U0與VREF、R1、R2有以下關(guān)系:
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?。ㄖ挥?0μA),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(hù)電路設(shè)計(jì)
電路中保護(hù)二極管的選擇比較簡(jiǎn)單,只要能保證滿足反向耐壓和沖擊電流這兩個(gè)要求就可以了。而R3的作用主要是限制三極管的基級(jí)電流,一般取1~2kΩ。下面談?wù)勥^流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
(1)啟動(dòng)狀態(tài)
電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間Υ大于啟動(dòng)時(shí)間δ,V2不導(dǎo)通,電機(jī)才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)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(hù)電路瞬時(shí)短路響應(yīng)
(2)保護(hù)狀態(tài)設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行,電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)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。考慮一定的設(shè)計(jì)余量,取保護(hù)電流設(shè)定值IG。
2.6 散熱設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TjM,當(dāng)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(cè),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(shí)驗(yàn)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(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ=50ms,允許短路時(shí)間ts=500ms,保護(hù)電流整定值Ic=2A,最高環(huán)境溫度TAM=+45℃的條件下。設(shè)計(jì)出各電路參數(shù)見表3。
按表3的設(shè)計(jì)選取參數(shù)組裝完畢后,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo):
輸出特性Un=24V,In=0~1A:
電壓穩(wěn)定度 Sv≤5×10-6;
負(fù)載穩(wěn)定度S1≤5×10-5;
溫度系數(shù)α≤1×10-5/℃。
電機(jī)能正常啟動(dòng),當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),過流保護(hù)正常起作用。
表2 幾種封裝形式的熱阻
4、結(jié)語(yǔ)綜上所述,采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的小功率直流電機(jī)電源,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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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