可调0至30V 2A直流电源电路

电源是电子电路的主要部件。电源电路可以用多种方式设计。可以有可调电源或可以有固定电压的电源。电源电路的额定电压取决于它所提供的电压或电压范围以及负载所允许的最大电流。其次，为家庭提供交流电压作为主要供电。许多电器如风扇、荧光灯管等都可以直接使用交流电压，但大部分电子装置都需要将交流电压转换成直流电压才能运作。任何外部电源电路都需要将交流电压转换为直流电压，以供电子设备使用。本课题设计了一种输入交流电源，输出0ー30v 2A 直流电压的可调电源电路。
本项目设计的电源是可调线性稳压型，因此电路的输出电压是恒定的，并借助可变电阻器进行机械变化。在这种电源中，一个与负载串联的线性调节器调压器元件(可变电阻器)连接到输出端。像 BJT 或 FET 这样的线性元件用于在输出端提供所需的电流。
在本文设计的电源电路中，双极性晶体管2n3055采用线性工作模式，电阻可变。可变电阻有助于在输出端为工作范围内的任何电流提供适当的电压。通过电路供电的负载可以有不同的额定功率。高额定功率负载引起较大的电流。在这个电源电路中，2n3055晶体管有助于将电源的输出电流提高到最高2 a 的限制。
电源电路的设计是一个循序渐进的过程，包括降低交流电压，将交流电压转换为直流电压，平滑直流电压，补偿瞬态电流，稳压，电压变化和电流放大以及短路保护。
所需组件 -

图一: 可调0至30v 2A 直流电源所需元件清单

框图–

图二: 可调0至30v 2A 直流电源框图

电路连接 -
电路是分阶段组装的，每个阶段都服务于特定的目的。为了降低230v 交流电，采用了18v-0-18v 变压器。变压器的二次线圈与全桥整流器相连。全桥整流器是通过四个 sr560二极管相互连接构成的，这四个二极管在原理图中分别被命名为 D1，D2，d3和 D4。D1和 d2的阳极的阴极连接到一个次级线圈，d4的阴极和 d3的阳极连接到次级线圈的另一端。D2和 d3的阴极相连，从整流器输出端取出一个端子，d1和 d4的阳极相连，从全波整流器输出端取出另一个端子。为了安全起见，在 d2-d3阴极接头处串联一个2a 熔丝连接到输出端子。
在全波整流器的输出端之间连接一个470 uF 的电容器(示意图中为 C1) ，以保证输出平滑。对于稳压，12V 和18v 额定值的齐纳二极管串联并联到平滑电容器上。可变电阻串联到齐纳二极管上进行电压调节，并且并联连接一个10uf 的电容器(示意图中显示为 C1)进行瞬时电流补偿。两个 NPN 晶体管(示意图中显示为 q1和 Q2)串联在一个输出端作为达灵顿对放大器连接，以获得所需的电流增益。达灵顿对的输出进一步连接到 NPN 晶体管(示意图中显示为 Q3)和电阻(示意图中显示为 R3)用于短路保护。
将原理图绘制或打印在纸上，并仔细进行每个连接。只有在检查每个连接正确后，才能将电源电路插入交流电源。
项目是如何运作的
电源电路工作在明确界定的阶段，每个阶段服务于特定的目的。电路工作在以下阶段-
1. AC 到 AC 的转换
2. 交直流转换-全波整流
3. 平滑
4. 暂态电流补偿
5. 稳压
6. 电压调整
7. 电流放大效应
8. 短路保护
交流到交流变换
主要电源的电压(由中间变压器供电后步进线电压从发电厂)大约是220-230v 的交流电，需要进一步步进到30v 的水平。为了减少220v 交流电到30v 交流电，采用了降压变压器。
由于电阻损耗，电路的输出电压下降了一些。因此，高额定电压大于所需的30伏特的变压器需要采取。变压器应该在输出端提供2a 电流。满足上述电压和电流要求的最适合的降压变压器是18v-0-18v/2A。这台变压器降低主线电压到36v 交流电，如下图所示。

图3:18-0-18V 变压器电路图

交流到直流的转换-全波整流

降压后的交流电压需要通过整流转换为直流电压。整流是将交流电压转换为直流电压的过程。有两种方法将交流信号转换为直流信号。一种是半波整流，另一种是全波整流。该电路采用全波桥式整流器将36v 交流电转换为36v 直流电。全波整流比半波整流更有效，因为它提供了交流信号正负两面的完整利用。在全波桥式整流器配置中，四个二极管以这样的方式连接在一起，使得电流只沿一个方向流过它们，从而在输出端产生直流信号。在全波整流过程中，一次有两个二极管正向偏置，另外两个二极管反向偏置。

图四: 全波整流器电路图

在正半周期内，d2和 d4二极管串联，d1和 d3二极管反向偏置，电流流过 D2、输出端和 d4输出端。在电源负半周期内，d1和 d3二极管串联，d1和 d2二极管反向偏置，电流流过 D3、输出端和 D1。通过输出端子的电流方向在两种情况下保持不变。

图5: 全波整流器正周期电路图

图6: 全波整流器负周期电路图

选用 sr560二极管构成全波整流器，因为它们具有最大(平均)正向额定电流为2a，在反向偏置条件下，它们可以维持峰值反向电压达到36v。这就是 sr560二极管用于全波整流的原因。
平滑
顾名思义，就是通过使用一个电容器来平滑或滤除直流信号的过程。全波整流器的输出是不稳定的直流电压。整流器输出的频率是主电源的两倍，但仍含有波纹。因此，需要通过连接一个电容并联输出的全波整流器平滑。电容器在一个周期内充放电，产生稳定的直流电压作为输出。因此，在整流电路的输出端连接一个高值的电容器(图示为 C1)。由于整流电路要整流的直流电路存在大量的交流尖峰和不必要的纹波，因此采用了减小这些尖峰电容的方法。这个电容器作为一个过滤电容器，绕过所有的交流通过它到地面。在输出端，平均直流电压更平滑，纹波更小。

图7: 平滑电容器电路图

暂态补偿电流
在电源电路的输出端，还有一个电容器(原理图中如 c2所示)并联。这种电容器有助于快速响应负载瞬态。每当输出负载电流变化，那么有一个初始短缺的电流，这可以通过这个输出电容器来实现。
输出电流的变化可以通过
输出电流，Iout = c (dV/dt) ，其中
dV = 最大允许电压偏差
dt = 暂态响应时间
考虑 dv = 100mV
dt = 100us
在这个电路中使用了一个10uf 的电容器,
C = 10uF
Iout = 10u (0.1/100u)
Iout = 10mA
这样就可以得出结论，输出电容器将响应10ma 的电流变化，暂态响应为100。

图8: 暂态电流补偿器电路图

稳压
电源电路应该提供稳压和恒压，没有任何波动或变化。对于稳压来说，这条赛道需要一个线性调节器调压器。使用这种调节器的目的是在输出端保持一个所需电平的恒定电压。

图9: 可调0到30v 2 a 直流电源的稳压器电路图

在这个电路中，输出端的最大电压应该是30v，所以一个30v 的齐纳二极管在输出端的稳压是完美的。这里两个12v 和18v 的齐纳二极管串联在一起，在输出端总共提供30v 的电压。一个30v 的齐纳二极管的1w 额定值或不同的齐纳二极管组合也可以用于获得30v 的输出。
电压调整
为了将输出电压从0调整到30v，一个可变电阻器(示意图中的 RV1)被连接到输出端。Rv1的可变探头连接到 bc547开关晶体管的集电极(图示为 Q3)。通过改变这个电阻器，开关晶体管的发射极将提供0到30v 之间的变化电压。
电流放大
稳压二极管只能提供轧机安培的电流。因此，为了在输出端产生大的负载电流，必须将一些线性元件与能够产生所需电流的负载串联起来。这个电路使用 NPN 双极性晶体管作为线性元件。一个 bc547晶体管(示意图中显示为 Q2)用于为 NPN 双极性晶体管2n3055提供足够的基极电压(示意图中显示为 Q1)。2n3055晶体管能够在输出端提供2a 电流。晶体管连接在达灵顿对放大器配置，输出所需的电流增益。在达灵顿对配置中，净电流增益是两个晶体管电流增益的乘积。
总电流增益(hFE 总) = 晶体管电流增益1(hFE t1) x 晶体管电流增益2(hFE t2)
因此，bc547的当前增益为800,2n3055的当前增益为20到70，因此平均增益为50。然后,
总电流增益(总 hFE) = 800 * 50 = 40,000
这足以使千安培电流提高到安培水平。
短路保护
对于短路保护，在电路输出之前串联一个 bc547开关晶体管(示意图中显示为 Q3)和示意图中显示为 r2的电阻。
测试及预防措施 -
电路组装时应注意以下事项
变压器、桥式整流器和晶体管的额定电流必须大于或等于输出电流要求。然后只有电路才能在输出端提供足够的电流。
降压变压器的额定电压应大于所需的最大输出电压。这是由于，电路由于一些电阻损耗而产生电压降。因此，从变压器输入电压必须比最大输出电压大2至3v。
•整流器输出端的 c1电容用于处理电源噪音。
•电源电路输出端的电容器 c2有助处理输出负载的快速瞬态变化和噪音。这个电容器的值取决于所用电容器的电压、电流变化和暂态响应时间的偏差。
* 电路中使用的电容器的额定电压必须高于输入电压。否则，电容器将开始泄漏的电流，由于过剩的电压在他们的板，将爆发出来。
•电路中使用的齐纳二极管必须为1 w 额定值，否则会因加热而损坏。
•由于当前的需求将在输出负载时增加，晶体管2n3055将开始升温。为了克服这个问题，必须安装一个合适的散热器来散发多余的热量。否则，晶体管就会爆炸。
* 由于电路的设计是在输出端产生最大电流2a，因此应在全波整流器的输出端连接一个2a 的熔断器。这种熔断器可防止电路产生大于2a 的电流。对于2a 以上的电流，熔断器将首先切断电路的输入电源。
一旦电路组装完毕，就可以开始测试了。将电路插入主电源，改变可变电阻。用万用表测量电源电路输出端的电压和电流读数。然后连接固定电阻作为负载，再次检查电压和电流读数。
在无负载测试时，调节可变电阻的输出电压在0.3 v 到30.3 v 之间变化，因此，在计算误差时，得到了跟踪误差百分比
% 误差 = (实验值-期望值) * 100/期望值
% Error = (30.3-30) * 100/30
误差 = 1%
当负载连接在输出端时，最大电压为30v。当负载电阻为1k 时，输出电压为29.1 v，电压降为0.9 v。测量输出电流为29.1 mA，因此在负载1k 电阻下的功率损耗如下
Pout = Iout*Iout*R
Pout = 0.0291*0.0291*1000
Pout = 0.84W
如果使用负载电阻为470欧姆，则测量28.9 v 的电压，显示电压降为1.1 v，测量出的电流为61.4 mA。因此，在负载470欧姆的功率损耗如下-
Pout = Iout*Iout*R
Pout = 0.0614*0.0614*470
Pout = 1.7W
该电路可作为电源适配器，用于广播、数码相机、打印机、笔记本电脑和其他便携式电子设备等各种电子应用。也可作为电子设备的可调直流电源。
浅谈未来物料供应
在不久的将来，随着人们对可再生能源的关注日益增长，高压直流输电(HVDC)将成为更受欢迎的动力传输。HVDC 通常只用于国际和水下电力传输。这样做是为了减少感应电感和电容在长距离上的损失。导线的电阻、电感和电容实际上是不能改变的。对于国内的动力传输来说，目前 AC 是首选的方法。尽管由于电感和电容造成的损失，交流电仍然是国内动力传输的首选，因为降低交流电压比降低直流电压便宜得多。
借助于变压器，交流电压很容易降低。所以目前供应给家庭的电力是交流电压。发电站提供高交流电压以减少功率损耗。就像供应给家庭的交流电压是230v 50hz，然后通过一个中间变压器，发电厂通过传输线提供2300v 的电压，这个电压降到230v。可能有一天，来自可再生资源的 HVDC 将成为家庭电源的普遍来源，基于半导体的电源电路将用于下行和稳压。
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