教學(xué)用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)案例

1 引言

在職業(yè)教學(xué)的電子線路實(shí)驗(yàn)中，大功率的直流穩(wěn)壓電源是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的能量保證。而經(jīng)典的DH1729穩(wěn)壓電源采用分立元件組成。電路復(fù)雜；FY13003-3D型穩(wěn)壓電源采用分立元件與集成比較器結(jié)合，電路更復(fù)雜，故障率高；簡(jiǎn)易型WD-5穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓集成電路，但性能低，適應(yīng)范圍窄；而新穎的數(shù)字化穩(wěn)壓電源成本高。這里基于LT3080低功耗集成穩(wěn)壓電路的特性，使用TL431做比較器，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高電源效率和工作可靠性．使整個(gè)穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，方便維修。

2 教學(xué)用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求

教學(xué)用穩(wěn)壓電源應(yīng)具備通用型穩(wěn)壓電源的各種技術(shù)參數(shù)：電壓穩(wěn)定度為(△UO／UO)×100％；穩(wěn)壓系數(shù)K=△UO／△Uil；負(fù)載調(diào)整率為△IO／(△UO／UO)；紋波系數(shù)γ=(Ums／UO)×100％；輸出內(nèi)阻RO=∣△UO／△IL∣。

教學(xué)用穩(wěn)壓電源還必須具備以下功能性要求：輸出電壓的可調(diào)性最好在技術(shù)要求范圍內(nèi)；輸出電流的限流保護(hù)，或具有可調(diào)電流源，確保試驗(yàn)中出現(xiàn)短路或過(guò)載故障后電源及實(shí)驗(yàn)電路不損壞；安全的功耗限制，保障電源的可靠運(yùn)行；綠色化設(shè)計(jì)提高電源效率；維修調(diào)試簡(jiǎn)單，降低成本，具備可自由加減功能，能夠任意選擇電源容量，方便教師自由擴(kuò)展；電源性價(jià)比高，有利于技術(shù)革新和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

3 LDO低功耗穩(wěn)壓集成電路

LS3080是1.1 A低壓差線性穩(wěn)壓器，可直接并聯(lián)以增加輸出電流或安裝在表面貼裝型電路板上以散熱。LT3080是一款精密電源和電壓跟隨器，因而可用在那些需大電流，可從零起調(diào)的電源中，無(wú)需散熱片。

T3080利用流經(jīng)單個(gè)電阻的基準(zhǔn)電流，可使輸出電壓在0～36 V之間可調(diào)。當(dāng)輸出電容為2.2μ時(shí)，LT3080實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，無(wú)需額外的ESR陶瓷電容；內(nèi)部具有電流限制和熱限制。

LT3080結(jié)構(gòu)輸出電壓根據(jù)恒流源在電阻Rp上的電壓變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以輸出電壓UO=RSET×10μA，無(wú)需負(fù)電源支持就能夠使其從0 V起調(diào)，并且LT3080具有極低的壓降，能使△U在300 mV內(nèi)。保證輸出電壓的穩(wěn)定系數(shù)不小于0.001％，可根據(jù)輸出電流并聯(lián)多只LT3080而無(wú)需均流電阻。LT3080只需采用很小的取樣反饋電阻就能夠?qū)崿F(xiàn)電流源，性能十分優(yōu)良IOUT=1 V／R1，并可通過(guò)改變RP1調(diào)節(jié)IOUT。

4 教學(xué)用穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 利用TL431的比較特性實(shí)現(xiàn)輸入電壓三段式自動(dòng)調(diào)節(jié)

TL431是可變分流的穩(wěn)壓集成電路，由高精度的基準(zhǔn)電壓源和高速比較器組成，適用范圍廣。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙采用TL431的比較特性實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)切換。由TL431的等效電路(圖3)可知，當(dāng)Uref>2.5 V時(shí)，輸出三極管導(dǎo)通，UO=2 V；當(dāng)Uref＜2.5 V時(shí)輸出三極管截止，故利用其比較特性組成輸入電壓切換電路，如圖4所示。TIA31采用TO-92封裝，并具有100 mA的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。所以使得整個(gè)輸入電壓切換跟隨輸出電壓變化，三段式自動(dòng)轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電路簡(jiǎn)單。

4.2 基于LT3080和TL431組合的教學(xué)用穩(wěn)壓電源系統(tǒng)

采用LT3080和TL431組合設(shè)計(jì)的0～30 V，0～2 A的教學(xué)用穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，如圖5所示。輸入市電220 V，交流電壓經(jīng)變壓器T變換輸出10 V、20 V、30 V。變壓器容量100 VA。通過(guò)繼電器J1、J2實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，以適應(yīng)不同的輸出電壓需要。當(dāng)輸出電壓在0～10 V之間時(shí)。J1、J2都不吸合，輸入電壓UI=10 V。經(jīng)VD1～VD4整流后輸出12 V的電壓，通過(guò)LT3080做電流源輸出IO，R1控制輸出電流IO=1 V／R1=2 A，輸出后經(jīng)LT3080穩(wěn)壓輸出UO，RPV控制UO=RPV×20μA，電路簡(jiǎn)單。根據(jù)輸出電流的大小可并聯(lián)多只LT3080。

由于調(diào)節(jié)電位器RPl和RPV阻值都比較大，因此應(yīng)選用線性精密電位器。在調(diào)節(jié)輸出電壓UO時(shí)，當(dāng)UO小于10 V時(shí)，J1，J2均不吸合，輸入接交流10 V端，當(dāng)輸出電壓超過(guò)10V時(shí)，調(diào)節(jié)RP1使VA＞2.5 V，IIC5導(dǎo)通，J1吸合，輸入電壓可切換至20 V，當(dāng)輸出電壓超過(guò)20 V時(shí)，調(diào)節(jié)RP2使UB>2.5 V，IIC6導(dǎo)通J2吸合，輸入電壓切換至30 V，從而實(shí)現(xiàn)輸入跟蹤式三段電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，降低了輸入輸出間電壓，減少穩(wěn)壓集成電路功耗，提高電源的利用率。

將每只LT3080上的功耗限制在12 W以下，保證其工作的可靠性，由于LT3080的LDO特性，設(shè)計(jì)時(shí)可使△U盡可能的小。采用多抽頭變壓器，增加圖4所示的調(diào)節(jié)電路，以提高電源效率。

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)兼顧通用性，設(shè)計(jì)輸出電壓為0～30V如果針對(duì)職業(yè)教學(xué)使用的需要，變壓器的輸出設(shè)計(jì)為6V，13V，25V更能充分利用LT3080穩(wěn)壓集成電路 LDO的優(yōu)良特性，因?yàn)槌Ｓ玫膶?shí)驗(yàn)電壓為5V、12V、24V。用TL431的開(kāi)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)輸入電壓的自動(dòng)切換時(shí)只需微調(diào)RP1，RP2即可 (但是輸出電壓的最大值只有25V)。輸出還可采用加減并聯(lián)組合形式來(lái)滿足不同輸出電壓和電流的需要，使整個(gè)電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，進(jìn)而提高教學(xué)用穩(wěn)壓電源的可靠性、可調(diào)性、易修改性。