1、.4 辅助电源的设计3.4.1 需要制作的电源(1)运放 LM324 电源电压范围:单电源 3V32V,双电源1.5V16V 。又因为 ICP 传感器输出的是模拟信号,为了完整波形输出,选择双电源12V 。而 AD620 电源电压范围:2.3V18V,所以也选用用双电源12V。(2)因为 ICP 加速度传感器的激励电压为 18V-30V,典型值 24V。+12V 不够用,所以需要制作一个电压为 24V 的直流电源。3.4.2 电源总体设计(1)基本原理变压部分 采用变压器来实现。整流部分 一般桥式整流可采用 4 个整流二极管接成桥式,也可以也可用二极管整流桥堆。滤波电路 采用电容滤波即可。稳压
2、电路 可以采用集成稳压电路。(2)设计思想 电网供电交流电压为有效值 220V,频率为 50Hz,为了获得低压直流,首先需要使用电源变压器进行变压,将电压降低,从而获得合适大小的交流电压。 降压后的交流电压,通过整流电路进行整流,编程有脉动成分的直流,不过其幅值变化还是比较大。 有较大脉动成分的直流电压须经过滤波电路进行滤波,变成平滑,脉动较小的直流电,即将交流成分滤掉,有效地保留其直流成分。 滤波后的直流电压,再通过选择合理的稳压电路进行稳压,之后便可得到较为理想的低压直流电源。(3)原理图图 3.17 直流稳压电源框图3.4.3 变压部分设计电网供应的民用单相交流电只有一种电压,即有效值
3、220V、频率 50Hz 的交流电压。这就需要一种器件能够进行变压,将 220V 的交流电变换成我们需要的交流电压,再经过整流、滤波、稳压等步骤就会得到需要的直流电压。电源变压器,是专门用来改变交流电压与交流电流的器件,能够完成变压任务。也就是说,当某一个固定电压的交流电通过一个相应的电源变压器,可以变换成所需要的交流电压,之后再整流、滤波和稳压转换成所需要的直流电压。要得到符合电路要求的交流电压值,就必须使用电源变压器进行变压 17。最简单的单相变压器结构如图 3.18 所示。它是由初级绕组、次级绕组以及铁心三部分组成。其中,初级绕组用来输入电源的交流电压,所需要的交流电压即会输出于次级绕组
4、。本质地讲,变压器是一种进行电-磁-电转换的器件,也就是使初级线圈的交流电转化成铁心形成的闭合交变磁场,次级线圈被磁场的磁力线切割,从而产生交变的电动势,当负载被接上时,电路形成闭合回路,次级电路就有了交流电流通过 15。图 3.18 单相的变压器结构图电源变压器主要由初级线圈、次级线圈和铁心构成。它两侧的电压值正比于初、次级线圈的匝数,反比于初、次级中的电流值。实际上,变压器的初、次级线圈和铁心都会消耗一部分功率,其中包括铜损涡流损失等,也等于说,变压器的效率 不会是 100%。通常,如果变压器的容量越大,效率也会越高,对于功率在 1000W 以下的变压器效率 在 65%-90%之间。3.4
5、.4 整流部分设计 整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路,有单相半波、全波、桥式整流等。之所以能把方向和大小交变的电流变换为直流电,是因为采用了具有单向导电特性的器件。在一般分析中,我们常把二极管当作理想元件处理,即正向导通电阻为零,反向电阻为无穷大。下面介绍采用晶体二极管搭建的各种整流电路。半波整流电路整流电路结构最简单的一种,电路如图 3.19 所示。它由整流二极管 D、电源变压器 B 和负载电阻 R 组成。变压器把 220V 电压变换为交变电压 E2 ,D 再把交流电变换为脉动的直流电。图 3.19 半波整流电路图 3.20 的波形图说明了二极管整流的过程。图
6、3.20 半波整流波形全波整流电路是一种整流效率非常高的整流电路。下图 3.21 为原理图。e2a 、 e2b 两个电压是大小相等、极性相反的,构成 e2a 、D1 、R 与 e2b 、D2 、Rfz ,两个通电回路。图 3.21 全波整流电路全波整流的工作原理原理,可用图 3.22 所示的波形图说明。图 3.22 全波整流波形桥式整流电路是使用最为广泛的一种整流电路。它只需要用四只二极管连接成“桥“式结构,不仅具有了全波整流电路的优点,还同时弥补了全波整流电路的部分缺点。其电路如图 3.23 所示。图 3.23 桥式整流电路桥式整流电路的工作原理如下:当 u20 时,D2、 D4 截止,D1
7、、D3 导通,。电流通路为:由+经 D1RLD3-;当 u2uC 时,二极管导通,电源同给给负载 RL 供电和给电容充电,u C 增大,u o= uC。当 u uC 时,二极管截止,电容放电,u C 按指数规律减小,u o= uC 。使用电容进行滤波时,负载变化会干扰输出电压,即带负载能力较差。因此电容滤波适用的场合主要是同时满足输出电压较高、负载电流较小并且负载变化不大的场合。电感滤波是将电感与负载串联,电路如图 3.27 所示。整流二极管管导电角较大,峰值电流非常小小,输出特性非常平坦,适用于低电压大电流即 RL 较小的场合。图 3.27 电感滤波电路若想为进一步改善滤波特性,采取多级滤波
8、,如 LC 滤波电路,RC 型滤波电路。根据课题实验要求,系统采用电容滤波电路。3.4.6 稳压部分设计稳压电路(稳压器)是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。电网电压、负载及环境温度的变化一般不会干扰稳压电路的输出电压。稳压器是内阻很小的电压源。其内阻越小,稳压性能越好。稳压部分可采用由稳压管组成的稳压电路。电路利用稳压管的反向击穿特性的原理来稳压。鉴于稳压管陡直的反向特性,电流的变化几乎不会带来电压的改变。由稳压管组成的稳压电路如图 3.28 所示。图 3.28 稳压管稳压电路随着科学技术的发展,单片集成稳压电源已经被开发和广泛应用起来,具有体积较小,稳定性很高,使用方便灵活,价
9、格便宜等优点,本恒流源系统设计稳压部分采用三端稳压器。本论文主要介绍常见的 W7800 和 W7900 两个系列的三端集成稳压器,它们的内部是串联型的晶体管稳压电路。该组件的外形如下图 3.29 所示,稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内,电路内部同时具备短路环节和过热保护环节。图 3.29 W7800 系列稳压器 W7900 系列稳压器W7800 和 W7900 系列具有一系列的性能特点:它们不需要外接元件,内部有过热保护和过流保护,调整管设有安全工作区保护,输出电压容差为 4%。并且,系列输出电压为额定值,有 5V、6V、9V、 12V 、15V 、18V 、24V 等。根据课题要求,需要
10、输出的额定值为 12V,所以选用 7812 和 7912 系列。W78 系列为三端集成正稳压电路,TO-220 封装,当附加散热片时,输出电流可达 1.5A。虽然是固定的稳压电路,但是通过使用外接元件,可以获得不同的电压和电流。其结构组成框图如图 3.30 所示。图 3.30 LM7812 系列功能框图7812 系列集成稳压器的典型应用电路如下图 3.31 所示,这是一个输出正12V 直流电压的稳压电源电路。C1 为输入端和滤波电容,电容值较大; C2 是输出端滤波电容,电容值较小;RL 为负载电阻。 RL 两端电压为 12V。图 3.31 LM7812 稳压器的应用电路7912 系列同为 3
11、 端正稳压电路,TO-220 封装,提供-12V 的电压。其内部电路如图 3.32 所示。图 3.32 LM7912 的内部电路图对于课题,需要电路同时输出正负电压,所以电路如图 3.33 所示。图 3.33 电路输出正负电压3.4.7 电源电路图(1)在实际应用中,为了确保桥式整流后的电流波形平直,一般采用大小电容配合使用。如图 3.34:(2)同理,24V 直流电源电路如下:图 3.35 24V 电源电路图(3)最终需要将12V 电源电路和 24V 电源电路整合在一起,最终电路图图 3.34 12V 双电源电路图如下:图 3.36 电源电路图3.5 整体电路图的设计我们采用 protel 软件制作电路图,设计好的完整电路图如下:图 3.37 总电路图3.6 印制电路板 PCB的制作我们采用 protel 制作 PCB(印制电路板) ,因为用到的元件数量较多,选用常见的双面直插式制作,设计好的 PCB 见附图 B 和附图 C。
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