采用晶闸管预调整的直流稳压电源电路设计.docx
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采用晶闸管预调整的直流稳压电源电路设计
采用晶闸管预调整的直流稳压电源电路设计
采用晶闸管预调整的直流稳压电源电路设计
摘 要
在电子线路的相关应用中，电源是比不可少的部分。
直流稳压电源作为直流能量的提供者在各种电子设备中有着极其重要的地位。
它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。
采用集成稳压器LM317构成的直流稳压电源，具有优异的性能、较高的可靠性，低廉的维修费用等优点。
然而，作为功率器件，必须考虑到稳压器的热功耗。
当稳压器输入电压固定，输出电压较小时，LM317压降则会较大。
此时如果输出较大电流，将导致消耗在稳压器上的功率很大，可能温升过大，影响LM317正常工作。
设计采用了晶闸管，实现对LM317输入电压的预调整，即输入电压以一定限度随着输出电压变化。
电路通过检测稳压器两端电压差获取控制信号，通过晶闸管触发电路产生触发脉冲，控制晶闸管的导通角，从而实现控制稳压器输入输出的电压差在3V左右。
最终，该设计降低了稳压器热功耗，延长了其使用寿命，提高直流稳压电源稳定性。
本电源输出电压从0～30V连续可调，最大输出电流可达1.5A。
关键词：
触发脉冲；晶闸管；电压预调整；稳压器
TheCircuitDesignofPre-adjustedDCPowerSupplyUsingThyristor
ABSTRACT
Relatedapplicationsintheelectroniccircuit,thepowersupplythantheessentialpart.DC-DCpowersupplyasenergyprovidersinavarietyofelectronicdeviceshasanextremelyimportantposition.Itsperformanceisgoodornotdirectlyaffecttheaccuracyofelectronicproducts,stabilityandreliability.
IncludingtheintegratedregulatorLM317,theDCpowersupplyhasmanyadvantages,likeexcellentperformance,highreliability,lowrepaircostandsoon.However,asthepowerdevice,theheatlossoftheregulatormustbeconsidered.Whentheregulatorinputvoltageisfixedandtheoutputvoltageissmall,thevoltagedropontheregulatorwillbelarge.Iftheoutputcurrentisgreatatthistime,itwillleadtotheconsumptionoftheregulator'spowergreatly.ExcessivetemperaturerisemayaffecttheLM317work.Thisdesignbasedathyristortopre-adjusttheinputvoltagefromtheLM317,sothattheinputvoltagecanvarieswiththeoutputvoltageatalimitation.Voltageregulatorcircuitbydetectingthevoltagedifferenceacrossaccesscontrolsignal,generatedbythyristortriggercircuittotriggerpulsetocontrolthyristorconductionangle,implementsthecontroloftheinputandoutputvoltageregulatorvoltagedifferenceabout3V.Eventually,thisdesignreducestheheatlossandincreasestheusefullife,soreachesitstargetofimprovingtheDCpower’sstabilityandpracticability.
Thepowersupplyoutputvoltagecontinuouslyadjustablefrom0~30V,themaximumoutputcurrentupto1.5A.
Keywords：
Triggerpulse;Thyristor;Voltagepre-adjustment;Regulator
1引言
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源[1]。
直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两类。
线性稳压电源结构简单，尤其是采用稳压集成芯片后，大大减小了电路的复杂程度，而且电压调整方便，输出电压稳定性好，纹波电压小。
开关稳压电源以改变调整元件（或开关）的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。
这类电源功耗小，效率可达85%左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。
所以在一些精度要求较高的应用场合，线性稳压电源有着明显的优势，发展迅速[2]。
线性直流稳压电源一般由降压变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成。
首先是整流变压器的设计，使其输出电压满足要求；其次是单相桥式整流电路的设计，把交流电转换为直流电输出；再次是对整流电路输出的单相脉动电压进行滤波，提高输出直流电压的质量。
最后经稳压电路保证输出直流电压的进一步稳定。
随着集成电路的飞速发展稳压电路也迅速实现集成化。
LM317是一种输出电压可变的集成三端稳压器件，使用方便、应用广泛、有良好的稳压性能和较高的调整灵敏度。
在输出电压范围为1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流。
LM317非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。
此外还具有内部限流、热关断等保护功能。
因此，本设计采用LM317作为稳压环节。
在采用LM317作为稳压器的稳压电源中，当输入电压固定不可调，输出电压在较宽的范围变化时，稳压器两端压差较大。
这时如果输出电流也比较大，将导致稳压器上的功耗很大，这样，将有一大部分能量损失在稳压器LM317上，而且对稳压器的寿命及稳定性也产生影响，这就需要有较大的散热装置来散热。
在传统线路中，通常采用抽头变压器来变压,用波段开关来控制，使调压管两端压差尽可能小,但是这个办法成本高、体积大、浪费有色金属，而且波段开关易出故障,在调整输出电压方面也不方便。
增加晶闸管电路，将三端稳压器的的输入、输出电压差作为晶闸管门极触发电路的控制信号，通过控制晶闸管的导通角实现对三端集成稳压器输入电压的预调整，使三端稳压器的输入输出电压差值始终保持在3V左右。
这样就避免了稳压器上的大功率损耗，调整输出电压也比较方便。
所以，本设计需要解决0～30V可调直流电压输出、稳压器两端压差控制、晶闸管同步移相触发等几个问题。
2电路设计
本设计主要由整流滤波电路、稳压电路、晶闸管触发电路、移相控制信号产生电路及+12V直流供电电源等五个部分组成，整体电路结构框图如图2-1所示。
其工作原理做一简单介绍:
交流输入电压经整流及晶闸管电路后通过滤波进入主电路，由移相控制电压产生电路采集稳压器两端电压差，产生移相控制信号，晶闸管触发电路通过整流部分获取同步信号，由移相控制信号调节触发脉冲产生电路，产生同步移相触发脉冲信号，控制晶闸管导通角，实现对主电路输入电压的预调整。
图2-1整体电路结构图
2.1主电路设计
主电路由整流滤波电路和稳压电路两部分组成。
整流电路可选用桥式全波整流或半波整流，滤波一般用电容来实现。
稳压电路是构成直流稳压电源的基本环节，这里采用三端集成稳压器LM317作为稳压电路的主体。
2.1.1整流滤波电路设计
整流滤波电路如图2-2所示，整流电路采用单相桥式整流，它由四个二极管接成电桥的形式构成。
根据二极管单相导电性，在U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；U2的负半周内，D2、D4导通，D1、D3截止。
这样，负载上始终可以得到一个单向脉动电压Ut。
图2-2整流滤波电路
稳压器LM317输入、输出端电压差设计为3V左右，最大输出电压为30V，最大输入电压为33V。
整流电路输出电压的平均值：
（2-1）
即
（2-2）
根据公式（2-2），Ut为33V时,U2为36.7V，交流电源输入220V、50HZ正弦交流电，因此变压器副边电压U2应控制在36V左右。
整流电路输出波形如图2-3所示。
图2-3整流输出波形图
滤波电路采用最简单的电容滤波电路，即在整流电路输出端直接并联一个电容。
整流电路的输出电压虽然是单一方向脉动电压，但含有较大的交流成分。
滤波电路作用是通过电容的充放电过程，滤除脉动电压中较大的交流分量，输出比较平滑的直流电压。
电容滤波波形如图2-4所示。
图2-4电容滤波波形
2.1.2稳压电路设计
经滤波之后的电流还是很不稳定，直流电压Ui受电网电压的波动和负载电流变化的影响很难保证输出电流电压的稳定。
所以必须加上稳压电路，才能保证输出直流电压的稳定性。
采用集成稳压器构成的直流稳压电源，具有优异的性能、较高的可靠性、低廉的维修费用等优点所以本设计采用集成稳压器稳压。
由于设计要求连续可调，采用三端可调式集成稳压器LM317。
LM317的输出电压范围为1.25V到37V，能够提供超过1.5A的电流。
它使用起来方法简单，只需要两个外部电阻来设置输出电压。
令外，LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路[3]。
LM317的输出电压范围为1.25V到37V，设计要求输出电压从0V起调，因此需增加一组-1.25V的电源。
此电源由整流滤波电路和稳压电路两部分组成。
如图2-5所示，二极管D4和电解电容C8组成整流、滤波电路,电阻R13和稳压二极管D5组成稳压电路。
采用稳压二极管，只需D4单相半波整流即可。
D5工作电流在2mA左右，用电阻R13保护稳压管。
稳压管电压接到LM317调整端ADJ与地之间。
图2-5稳压电路
工作时，LM317建立并保持输出端与调节端之间+1.25V的标称参考电压UREF，稳压输出电压表达式为：
（2-3）
由上式可知改变R2，Uo的值即可改变。
设计要求该稳压器输出电压范围为0—30V，即最大输出电压不超过30V。
此种情况下，只需限定R2的阻值变化范围即可。
由于输出端Vout与调整端ADJ之间的固有参考电压UREF为1.25V，且R1选用240Ω，经计算R2阻值为5.8KΩ即可。
为了保证输出电压的精度和稳定，R1、R2应选用同种类型的电阻，并要求电阻R2的精度要高一些。
而在具体的电路板制作中，R1应尽量靠近输出端和调整端之间安装，不然输出电流过大时所产生的附加电压，会干扰R1两端的基准电压，造成输出不稳定。
电阻R2的接地点应与负载电流返回接地点在一起，否则R2上的压降就附加上负载在地线上的压降部分，造成输出电压偏差，影响电路输出效果。
电解电容C6为滤波电容。
C7为输入旁路电容，以减小对输入电压阻抗的敏感性。
C9防止输出电压增大时电压纹波被放大。
C11可有效地抑制自激，该电容具有改善电源的瞬态响应的作用。
为了防止反向电压损坏三端稳压器，需加装保护二极管D2和D3。
当输入端电压突然降低为零时，因输出滤波电容器C11和调整端电容器C9的充电电压不能迅速放电，就会形成电压输出大于输入和调整端大于输出端的情况。
这时，D2、D3分别作为以上情况的分流电路，保护三端稳压器不被反向电流所击穿。
为了对LM317输入电压进行预调整，LM317的输入端设置晶闸管SCR。
通过晶闸管触发电路产生触发脉冲，控制晶闸管的导通角，从而实现控制稳压器输入输出的电压差在3V左右。
2.1.3晶闸管介绍
晶闸管（Thyristor）又称作可控硅整流器（SCR），是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，在电力电子领域应用广泛。
相关介绍如下：
晶闸管结构如图2-6（a）所示,晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。
P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。
四个区形成了J1、J2、J3三个PN结。
晶闸管符号如图2-6（b）所示，其电路符号中A为阳极，K为阴极，G为门极或控制极。
晶闸管结构模型如图2-6（c）所示，晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释。
故可以把晶闸管看成是由两个三极管T1和T2组成的，那么其等值电路可表示成图2-6（d）中虚线框内的两个三极管T1和T2。
对三极管T1来说，P1N1为发射结J1，N1P2为集电结J2，对三极管T2来说，P2N2为发射结J3，N1P2为集电结J2。
因此J2为公共的集电结。
当晶闸管承担正向电压时，J1，J3正向偏置，中间结J2为反偏置。
当其承担反相电压时，J1，J3为反偏置，J2为正偏置。
晶闸管未导通时，加正压时外加电压由J2结承担，加反相电压时外加电压由J1，J3结承担。
晶闸管等值电路如图2-6（d）所示，如果晶闸管接入电路中，那么电源US正极经负载R引到晶闸管阳极，US的负极接到晶闸管的阴极，一个正向触发控制电压Ug经电阻Rg后接到晶闸管的门极，产生一个门极注入电流IG，则IG流入晶体管T2的基极，即产生集电极电流IC2，它构成晶体管T1的基极电流，放大成集电极电流IC1，又进一步增大T2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后T1和T2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈，会仍然保持导通状态。
而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才会关断。
所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。
按照以上介绍的晶闸管工作原理，可列出如下方程：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
式中，α1和α2分别是晶体管T1和T2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是T1和T2的共基极漏电流。
由上式可得：
（2-8）
图2-6晶闸管结构、符号、模型及等值电路
总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下[4]：
（1）晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
（2）晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才导通。
（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。
（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用，使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
晶闸管对触发电路的要求：
（1）触发脉冲的宽度在10μs以上，才能保证晶闸管可靠导通。
（2）触发信号应有足够的幅度。
（3）触发脉冲前沿陡度，一般需达1～2A/μs。
（4）应用良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
2.2晶闸管触发电路设计
由于LM317输出电压范围较宽，当稳压器输入电压固定，输出较小的电压时，压降则会较大,随之产生的热量势必对稳压器的稳定性与寿命产生重大影响。
因此，利用晶闸管触发电路产生压控触发脉冲，控制晶闸管的导通角，通过晶闸管的触发角即导通时间变化来控制输入电压的变化，这样便可对其输入电压进行预调整。
至于晶闸管的关断，可以由单相脉动电压变化到零时或某一时刻晶闸管承受反向电压时均可实现。
设计晶闸管触发电路要解决两个问题：
一是怎样获取同步触发信号，二是怎样获取移相控制触发脉冲。
为了获得较大的导通角变化范围，触发电路的输入电压信号应与晶闸管的输入电压信号频率同步，这样便须有一个同步信号产生电路来作用于触发电路。
这里经分析以后，选用NE555作为触发电路的主体来实现触发功能。
本设计采用两个集成定时器NE555产生移相压控同步触发脉冲，移相控制电压通过采集LM317两端电压获得。
由于采用集成电路NE555，所以具有工作可靠、调试方便、线路简单的优点。
2.2.1NE555介绍
NE555集成电路不仅常用作定时延时控制，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。
可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中。
NE555采用单电源供电。
双极型555的电压范围为4.5～15V；而CMOS型的电源适用范围更宽，为2～18V。
它可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。
555的最大输出电流达500mA，带负载能力强，可以直接驱动小电机、扬声器等负载。
NE555内部等效电路，如图2-7所示。
图2-7NE555内部等效电路
NE555引脚定义，如表2-1所示。
表2-1NE555引脚定义
引脚
1
2
3
4
5
6
7
8
英文
GND
TRIG
OUT
RESET
CVOLT
THOLD
DISCHG
VCC
中文
地
触发
输出
复位
控制电压
阈值
放电端
电源
NE555工作真值表，如表2-2所示。
表2-2NE555工作真值表
导通
截止
导通
不变
不变
2.2.2触发脉冲产生电路设计
如图2-8所示，触发电路由同步信号产生电路和移相触发脉冲产生电路两部分组成。
晶闸管触发脉冲必须与交流电源的频率同步，所以必须首先设计一个同步信号产生电路。
同步信号产生电路由倒相器和施密特触发器组成.
图2-8触发脉冲产生电路
倒相器包括NPN型三极管Q1及其相关电阻。
经过整流桥整流的脉动直流电压Ut为倒相器输入电压，Ui为倒相器输出电压。
如果Q1基极电压小于+0.7V时，三极管PN结截止，其集电极输出为高电平，即Ui为高电平。
相反，基极电压大于+0.7V时，三极管PN结导通，其集电极输出为低电平，即Ui为低电平。
随着Q1基极电压在+0.7V附近上下波动，倒相器的Ui呈现高、低电平交替变化。
其波形见图2-9。
图2-9倒相器波形图
施密特触发器主体是IC1，只需将NE555的2、6引脚连接起来作为信号Ui输入端即可，3引脚是信号Ub输出端。
结合NE555内部等效电路图2-7分析，施密特触发器的工作原理如下[5]：
（1）Ui=0时，
NE555中比较器C1输出为1，C2输出为0，RS触发器将工作在1状态，即Q=1,Ub为高电平。
如果Ui升高，未达到2/3Vcc以前，电路状态保持不变。
（2）当Ui上升到2Vcc/3时，
NE555中比较器C1输出跃变为0，C2输出为1，RS触发器被触发，从1状态翻转到0状态，即跳变到Q=0，Ub也随着由高电平变到低电平。
此后Ui升高到Vcc，接着降低，但只要未下降到1/3Vcc以前，Q=0，Ub为低电平状态。
（3）当Ui下降到Vcc/3时，
NE555中比较器C1输出为1，C2输出跃变为0，RS触发器被触发，由0状态翻转到1状态，即跳变到Q=1，Ub随之由低电平变到高电平。
同步信号产生波形，如图2-10所示。
图2-10同步信号产生电路波形
移相触发脉冲产生电路由NE555构成的压控振荡器产生（如图2-8所示）,IC2首先与R8、R9、C10组成多谐振荡器。
在加入控制电压UCO之前，当复位端为高电平时，按定时器固定频率振荡。
5引脚加上控制电压UCO时，成为压控振荡器。
UCO控制定时器阈值电压，通过改变电容C10充电时间，改变电路原有的时间常数τ，继而改变触发脉冲产生电路的输出脉冲频率，达到了移相触发的目的。
结合NE555内部等效电路图2-7分析，工作原理如下：
起始状态，接通电源前电容C10上无电荷，所以接通电源瞬间，C10来不及充电，故UC＝0V，比较器C1输出为1,C2输出为0，基本RS触发Q=1,3引脚输出高电平。
接通电源后多谐振荡器开始工作，有两个状态，即暂稳态Ⅰ和暂稳态Ⅱ。
（1）暂稳态Ⅰ
起始状态3引脚输出高电平是电路的一种暂稳态,因为在这种状态下,进行电容C6充电、UC升高的渐变过程，充电回路是Vcc→R8→R9→C10→地。
（2）自动翻转Ⅰ
当
充电到2Vcc/3时,比较器C1输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到0状态，3引脚输出低电平。
7引脚内放电管TD饱和导通。
（3）暂稳态Ⅱ
3引脚输出低电平，TD饱和导通是电路的另一种暂稳态，因为在这种状态下，同样有一个电容C10放电的过程，放电回路是：
C10→R9→TD→地。
（4）自动翻转Ⅱ
当UC放电下降到Vcc/3时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态。
3引脚输出高电平，TD截至，即暂稳态Ⅰ。
在暂稳态Ⅰ，电容C10又充电、UC再上升，接通电源之后电路就在这两个暂稳状态之间来回翻转，即振荡，于是NE555输出端就产生了矩形脉冲。
脉冲的高低电平变化，会导致三极管Q2的导通与关断，从而产生触发脉冲。
如图2-11所示。
图2-11多谐振荡器输出波形
当压控振荡器的5引脚接入控制电压时，这时便改变了NE555的阈值电压，导致电容器充电时间发生变化，从而致使触发脉冲发生移相。
当控制电压UCO高于阈值电压时，此时NE555上比较器C1的同相输入电压VT+=UCO，下比较器C2的参考端输入（反相端）电压VT-=UCO/2。
新的阈值控制电压比原来高，所以电容器充电的时间变长，因为VT+和VT-的比值不变，保证了放电时间基本不变，故新输出电压波形的周期
增大，也就是脉冲频率变低了，即脉冲移相量大。
反之，当控制电压低于阈值时，其输出脉冲频率变高,即脉冲移相量小。
以上总结为：
随着UCO值的变化，电容器充电时间随之变化，但放电时间不变，所以电压波形的周期随之变化，即占空比变化。
从整体上分析触发脉冲产生电路：
电路分成同步信号产生电路和移相触发脉冲产生电路，由两片集成定时器NE555、NPN型三极管等元件组成。
其中，IC1作为同步信号产生电路，IC2作为移相触发脉冲产生电路。
两片定时器放电端7引脚相连，共同组成了晶闸管触发电路。
同步信号Ub由整流桥整流后信号Ut经Q1倒相和IC1整形后得到。
IC2在Ub每次过零时被复位，产生一组与电网过零点同步、后移相位角受移相控制信号UCO控制的移相脉冲Ud，UCO越高则移相量越大，触发角越大，导通角越小。
当UCO在0～12V之间变化时,晶闸管SCR触发角范围为10～180°，对应导通角范围为170～0°。
Ud再经隔离变压器TF2触发晶闸管SCR。
最终，晶闸管实现同步移相触发，其波形如图2-12
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