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仆愿逄
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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文可調式高電壓電源供應器 High Voltage Adjustable Power Supplies 指導教授 : 黃建立學生 : 蔡宗翰楊育哲黃文賢

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3 誌謝在修業期間, 承蒙恩師黃建立老師在課業上的協助與專題論文上的細心照顧與指導, 毫無保留的給與您寶貴的經驗以及觀念, 並提供個人在學習上的心路歷程各種在業界的經驗和指導學生在專題上應該注意的細節, 實在是受益良多再來要感謝的是電子學老師, 洪三山老師與林賢龍老師, 在製作專題的過程中, 老師們所教授的上課內容與編寫的講義和各種補充資料都帶給我們很大的幫助感謝張志華助教提供我們實驗場地及圖書館所提供的各項資源, 最後感謝學長姊和助教的細心指導 2

4 摘要由於日常生活中, 我們使用的電器用品大部分其內部元件所使用的電源均為直流電, 所以我們必須使用電源供應器將交流市電轉換成各種不同的直流電壓以供電器使用, 而電源供應器的好壞也直接影響到電器的安全性穩定度和壽命, 有些電器或元件需要高壓電流才能趨動, 然而所販售的高壓電源供應器都要數萬元以上, 所以在本專題中, 我們運用在電子學的相關知識以及老師們的指導, 我們完成了我們的可調式高壓電流供應器, 而在本論文中我們將會說明運用到的原理和理論, 以及如何製造可調式高壓電源供應器, 我們也將說明其可調電壓範圍及相對的電流變化我們系統是由橋式整流電路 LM317 LM337 和中央抽頭式變壓器所組成其中橋式整流電路將變壓器所輸入的交流電壓轉換為直流電壓, 此直流電壓經過穩壓電路後, 最後完成一組輸出電壓為 170V-175V / 150mA 之電源供應器 3

5 ABSTRACT Because for the most part of electric equipment we used, the power supply used by internal component all is direct current, so we must have a power supply to switch the exchanges electricity to the different direct current voltages to use by electric equipment. The quality of power supply influences directly to the security and stability of the electric equipment. However, the high voltage power supply sold all over than ten thousand dollars. So we use relevant knowledge of the electronics and the guidance by teachers. We finish our high voltage adjustable power supply. We will explain what the principle and theory we used in this paper, and we how to make a high voltage adjustable power supply. We will also explain the range of adjustable voltage and the changes of relative electric current. Our system is commutated a machine, LM317, LM337 by the whole bridge type steady press chip with central take out a type transformer constitute.among them,the whole bridgeses commutate a machine to is a direct current electric voltage the exchanges electric voltage conversion that the transformer inputs, this direct current electric voltage has been completed a set of exportation electric voltage as the power supply of 150 Vs Vs-165ses/100 mas finally after pressing electric circuit steadily 4

6 目錄誌謝... ii 摘要......iii ABSTRACT iv 目錄... v 圖目錄.. vii 表目錄 ix 附錄... x 第一章緒論前言研究動機內容摘要第二章基本原理概述基本原理介紹電壓轉換整流器濾波穩壓..11 第三章實驗準備電源供應器電源供應器的選擇線性穩壓器 / 控制器無電感 DC/DC 轉換器採用電感 (Inductor-Based) 的 DC/DC 轉換器元件的介紹 LM317/LM 實驗設備中央抽頭式變壓器示波器三用電錶. 20 第四章實驗成果前言實驗電路與結果電路設計簡介達靈頓電路簡介..29 5

7 4.3.2 其他設計..30 第五章結論與未來展望結論未來展望.31 第六章附錄 32 參考文獻..33 6

8 圖目錄圖 1.1 線性式電源供應器圖 3.1 交換式電源供應器圖 2.1 為傳統線性電源供應器之結構..4 圖 2.2 半波整流器電路圖.. 6 圖 2.3 半波整流器輸出入轉換曲..6 圖 2.4 半波整流器的輸出波形.. 6 圖 2.5 全波整流器電路圖 7 圖 2.6 全波整流器輸出入轉換曲線 7 圖 2.7 全波整流器輸出波形圖 7 圖 2.8 全波橋式整流器電路圖 8 圖 2.9 全波橋式整流器輸出入轉換曲線 8 圖 2.10 全波橋式整流器輸出圖..9 圖 2.11 有濾波電容器之半波整流電路.10 圖 2.12 電容充電流程 10 圖 2.13 電容器選擇對波形影響. 11 圖 2.14 基鈉二極體的特性圖. 11 圖 3.1 電源供應器圖 3.2 無電感交換式轉換器的效率曲線例圖 3.3 採用電感的交換式轉換器的效率曲線範例圖 3.4 LM317 實體..17 圖 3.5 LM317 電路圖和輸出電壓公式..17 圖 3.6 LM337 實體...18 圖 3.7 LM337 電路圖和輸出電壓公式...18 圖 3.8 中央抽頭式變壓器模擬電路圖.. 19 圖 3.9 示波器.. 19 圖 3.10 三用電錶

9 圖 4.2 流程圖圖 4.3 負端電路圖..22 圖 4.3 負端輸出電壓波形...23 圖 4.4 負端輸出結果..23 圖 4.5 正端電路圖..24 圖 4.6 正端電壓輸出波形..25 圖 4.7 正端輸出結果..25 圖 4.8 輸入電壓之漣波..26 圖 4.9 輸出電壓之漣波..26 圖 4.10 最高電壓之輸 27 圖 4.11 最低電壓之輸出.27 圖 4.12 達靈頓電路

10 表目錄表 2.1 整流器電路的優點與缺點之比.9 表 3.1 轉換器電路拓樸的比較果表 4.1 正端所使用 NPN 電晶體 2SC5129 規格表. 28 表 4.2 負端所使用的 PNP 電晶體 2SA1294 規格表..28 9

11 附錄附件一可調式電源供應器之電路實體正面 32 附件二可調式電源供應器之電路實體反面 32 10

12 第一章緒論 1.1 前言隨著科技的發展, 電子產品在我們日常生活中仍佔有極重要的地位, 而這些電子產品所仰賴的動力來源, 依然是以直流電源為主目前仍然利用整流濾波的方式來獲得直流電源供應, 因此直流電源供應器可以處在任何環境需求下工作在使用上, 電源供應器可分為兩種 - 線性式電源供應器 (Linear Power Supply), 外觀, 如圖 1-1 所示 ; 及交換式電源供應器 (Switching Power Supply), 外觀, 如圖 1-2 所示簡單的線性式電源供應器大都由低頻變壓器將輸入電源由高壓轉變為低壓, 在使用電晶體電阻和電容組合成的串並聯穩壓器組成 ), 其優點是電路簡單穩定度高暫態響應快可靠度高漣波小電磁干擾小, 然而因其使用大電流變壓器, 體積大且重量重, 大多無法直接安裝在電路基板上, 轉換效率低 ( 約 30~50%) 不可做直流輸入都是其缺點而切換式電源供應器改進了線性式電源電源供應器的缺點, 使其效率由百分之三十到五十, 大幅提高到百分之六十到九十, 其優點是轉換效率高空載時耗電小重量輕可做直流輸入雖然在電路結構上比線性式電源供應器來得複雜, 漣波比較大電磁干擾也比較大, 但整體而言, 切換式電源供應器仍優於線性式電源供應器, 故目前電源供應器的市場乃以切換式電源供應器為主流 11

13 圖 1.4 線性式電源供應器圖 1.5 交換式電源供應器 1.2 研究動機電源供應器是電子產品或設備之心臟核心部份, 為整個電子系統運作的動力來源, 其品質的好壞更是直接影響到電子產品的安全性今日普遍使用於 3C 電子產品之電源供應器大部分是提供低壓直流, 具有體積小, 重量輕及能量散失小的特性, 可使用於個人電腦螢幕儀器和通訊等方面但是有一些高電壓的運算放大器需要高壓直流, 而這方面的電源供應器比較少, 所以才朝這方面研究 12

14 1.3 內容摘要本論文內容共分五章, 主要針對可調式高電壓電源供應器的電路設計, 各章主要內容概述如下 : 第一章 : 簡單介紹本論文之研究背景與目的和前言第二章 : 理論探討 ( 原理計算方法公式 ) 第三章 : 實驗準備第四章 : 實驗結果第五章 : 結論第六章 : 附錄 13

15 第二章基礎理論 2.1 概述本章首先對系統的整體架構做一個簡單說明, 接著說明各部份的原理, 至於系統中的電路之實作與結論則分述於第三四五張圖 2.1 所示為一個傳統線性電源供應器 (Power-Supply) 之結構, 一個完整的電源供應器應包括橋式整流器濾波器, 穩壓器, 負載等圖 2.1 為傳統線性電源供應器之結構直流對直流電源轉換器是針對負載所需電壓, 提供穩定電源供應, 其不受線電壓 (Line Supply) 負載及周圍環境影響一般上直流電源轉換器又稱為電源供應器 (Power Supply) 一般的電源供應器可以分為以下兩種 : (A) 線性式電源供應器 (The Linear Supply) (B) 交換式電源供應器 (Switching-mode Power Supply) 或稱切割式電源供應器 (Chopper Power Supply) 14

16 2.2 基本原理介紹大部分的電子設備如電視機音響電腦等, 其內部元件所使用的電源均為直流電, 除了較為輕便簡單的電子設備採用乾電池作電源外, 大都必須有電源供應器或是將交流電經由整流與濾波轉換成各種不同的穩定直流電壓, 以供電子設備使用本文件即針對整流二極體與濾波電容器的原理做介紹, 並敘述整流器之實際製作當我們討論到電源供應器的電路時, 則必需考慮到以下四個基本的功能 : 電壓轉換將電壓器將 110 伏特或 220 伏特的輸入的交流電壓, 升壓或降壓至使用者所需的電壓準位, 因此不會改變 110 伏特或 220 伏特的交流耦合 (A.C.) 與直流耦合 (D.C.) 整流器將具有正負極性的交流耦合的電壓轉制恆定的電壓值, 所得的結果稱為脈動直流電壓 (pulsating D.C. voltage) A. 半波整流器如圖 2.2 中, 當輸入信號再出及圈的頂端為正電位時, 則在次級所感應的電壓亦將為正電位, 因此二極體的陽極則處於正電位狀態, 所以會呈現順向偏壓, 如此二極體就被導通了反之, 在輸入電壓的負半週上, 次級繞組的頂端則為負電位, 此時二及體會被逆向偏壓, 所以二極體就不會導通了, 因此僅當輸入電壓將二極體順向偏壓時, 輸出才會有電壓產生圖 2.3 為半波整流器輸出入轉換曲線, 圖 2.4 為輸出波形 15

17 圖 2.2 半波整流器電路圖圖 2.3 半波整流器輸出入轉換曲線圖 2.4 半波整流器的輸出波形 B. 全波整流器 16

18 如圖 2.5 中, 在變壓器的初級圈我們輸入交流電壓, 當變壓器的初級圈的 A 點為正電位時, 則 C 點就為負電位, 此時 D1 二極體就會被順向偏壓,D2 二極體則被逆向偏壓電流將會流經變壓器的中間抽頭至地端, 然後再流至負載, D1 二極體, 最後則流回至變壓器的頂端在下一個半週期裡,A 點將趨於負電位, 而 C 點則趨於正電位, 所以,D1 二極體將被逆向偏壓,D2 二極體則被導通, 此時電流經變壓器的中間抽頭至地端, 然後再流至負載, 二極體, 最後則流回至變壓器的底端圖 2.6 為全波整流器輸出入轉換曲線, 圖 2.7 為輸出波形圖 2.5 全波整流器電路圖圖 2.6 全波整流器輸出入轉換曲線圖 2.7 全波整流器輸出波形圖 17

19 C. 全波橋式整流器如圖 2.8 中, 全波橋式整流器的電路結構須用到四個二極體, 在第一個的半週期裡會有兩個二極體導通而再下一個的半週期裡另外兩個二極體會被導通當變壓器的頂端為正電位時,A 點將為正電位, 而 B 點為負電位, 這也就是說 D3 的陽極為正電位, 而 D4 的陰極為負電位, 所以,D3 與 D4 都在順向偏壓的狀態至於 D1 的陰極則在正電位, 而 D2 的陽極則在負電位, 所以,D1 與 D2 都在逆向偏壓的狀態因此, 在正半週期裡的 D3 與 D4 二及體會導通, 而在負半週期裡會導通的二極體則為 D1 與 D2, 電流則由變壓器的底端流經 D4 二極體, 然後流至共用線上, 負載, 與 D3 二極體, 最後再流至變壓器的頂端在下一個的半週期裡,D3 與 D4 二極體會再 off 狀態, 電流則由變壓器的頂端流經 D1 二極體至共用線上, 負載, 與 D2 二極體, 最後再流至變壓器的底端圖 2.9 為全波橋式整流器輸出入轉換曲線, 圖 2.10 為輸出波形其波形與全波整流相同但輸出電壓與二極體上的峰值逆向電壓卻有不同如表 8.1 為以上三種整流電路之比較圖 2.8 全波橋式整流器電路圖 18

20 圖 2.9 全波橋式整流器輸出入轉換曲線圖 2.10 全波橋式整流器輸出圖表 2.1 整流器電路的優點與缺點之比較半波整流全波整流全波橋式整流優點 1. 低價格 2. 電路結構簡單 1. 較半波電路更有效率 1. 低價格 2. 不需要中間抽頭變壓器缺點 1. 僅有一半的輸入波形被使用 2. 三者之中較沒效率 3. 平均輸出電壓較低 1. 需要一個中間抽頭變壓器 2. 二極體需要較高的 P.I.V. 值 1. 高負載電流狀態下, 效率較低 2. 輸出的電壓幾乎為全波整流產生電壓的 2 倍 3. 對相同輸出電壓而言, 二極體的峰值逆向電壓只有全波電路二極體的峰值逆向偏壓的一半濾波無論半波或全波整流, 雖然輸出電壓是直流的形式, 但並非良好的直流, 而是週期性的脈動直流, 其脈動成份稱為漣波 (ripple) 多數電子元件都不希望在有脈動的工作電壓下運作, 因此我們必須設法減小輸出之脈動, 以供應平穩之直流電壓圖 2.11 為一簡易之加上濾波電容器半波整流電路, 當通電時 V in 不但通過二極體 19

21 D, 同時亦對電容器 C(capacitor) 充電, 當電容器充電至最大值 E m, 電壓開始下降, 並對負載 R L 放電, 負載 R L 之電能由電容器 C 供給, 並一直循環到下個週期, 如圖 2.21 所示之作動流程圖 2.11 有濾波電容器之半波整流電路圖 2.12 電容充電流程電容器之容量越大, 所能儲存之電荷越多, 放電時電壓下降較小 ; 反之, 選擇較小的電容器, 則電壓下降的較多, 如圖 2.13 所示, 電容的選用對輸出波形有很大的影響, 因此電容器在濾波效果上扮演重要的角色 20

22 圖 2.13 電容器選擇對波形影響穩壓基本的穩壓電路都由基納二極體組成, 是 PN 結合矽的一種基納二極體特性如圖 2.14 所示, 順向時和一般整流二極體一樣 ; 但逆向時, 當逆向電壓達到崩潰電壓後, 通過基鈉二極體之逆向電流便大量增加由於 Iz 在 Imin 與 Imax 之間時, 基鈉二極體兩端之電壓穩定不變, 因此可以作為穩壓之用在 Iz 小於 Izmin 提, 基鈉二極體會工作於特性曲線的彎曲處, 無法提供穩壓作用, 若 Iz 大於 Izmax 則基鈉二極體會燒毀, 故必須在基鈉二極體串聯一個適當的電阻器, 使 Iz 介於 Imin 與 Imax 之間而得良好的工作圖 2.14 基鈉二極體的特性圖 21

23 第三張實驗準備 3.1 電源供應器圖 3.1 電源供應器 3.2 電源供應器的選擇系統設計人員利用處理器發展電子設備時, 通常須為他們的應用選擇最好的電源供應架構, 這是極具挑戰性的工作在某些情形下, 插入式電源 (plug-in power) 解決方案是最理想的選擇, 但在其它應用中, 只有採用離散零件的電源供應器才是最佳解決方案插入式電源解決方案的選擇比較簡單直接, 但對於缺少電源供應設計經驗的數位設計工程師來說, 離散式電源解決方案的設計卻是項艱巨任務絕大多數 DC/DC 電源供應控制元件供應商都會提供完整的設計資料, 協助工程師完成電路設計, 但在設計電源供應器之前, 工程師必須先選擇適當的電路拓樸對於以微控制器 DSP 和 FPGA 為基礎的現代電子產品, 在這將提供某些設計準則, 使工程師能針對這些產品的常用架構, 選擇最正確的電源供應電路拓樸線性穩壓器 / 控制器線性穩壓器是最簡單的轉換器, 只能把較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電 22

24 壓, 輸入電流則等於輸出電流線性穩壓器由誤差放大器參考電壓和導通元件 (pass element) 組成, 它們可能完全整合成單顆元件, 也可能由控制元件和外接式導通元件構成, 導通元件可能是雙極電晶體或 MOSFET 線性穩壓器的優點是簡單, 輸出電壓的雜訊和漣波也很小, 差距很大時, 線性穩壓器的轉換效率會變得很低, 這是它的主要缺點由於功耗會以熱量的形式散發出來, 若應用的輸出電流很大, 穩壓器的封裝就必須承受可觀的散熱要求面對較大的供應電流, 採用外接導通元件的線性穩壓器略佔優勢, 因為它可以選擇導通元件, 以便承受更大電流, 並且安裝適當的散熱片線性穩壓器若要提供穩壓能力, 輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某個最小值, 又稱為最小電壓差 (dropout voltage), 這是線性穩壓器的另一個缺點許多內建導通元件的最新穩壓器都提供非常低的最小電壓差, 甚至在更大電流時也是如此, 因此就算輸入電壓很低, 它們也能正常工作 ; 舉例來說, 即使輸入電壓只有 1.8-V, 提供 1.5 V 固定輸出電壓的 TI TPS72515 還是能發揮穩壓效果, 並提供 750 ma 輸出電流, 此時它的轉換效率仍高達 83% 無電感 DC/DC 轉換器交換式穩壓器會以個別脈衝的形式把輸入電能送至輸出端, 它使用電感或電容做為電能儲存裝置, 負責把電能從輸入端轉送至電源供應電路的輸出端不同於只能降壓的線性穩壓器, 交換式穩壓器可以升壓降壓或將輸入電壓反相 ; 此外, 電能儲存元件也可讓輸出電流不等於輸入電流舉例來說, 交換式穩壓器可將 5-V 低電流電源轉換成電流較大的 3.3-V 電源, 或是將 3.3-V 大電流電源升壓為電流比較小的 5-V 電源此外, 相較於線性穩壓器, 交換式穩壓器也能實現較高的電源轉換效率 23

無電感交換式 DC/DC 轉換器有時又稱為電荷泵浦, 它們是最簡單的交換式穩壓器電荷泵浦使用多顆開關和電容, 輸入電源的電荷會經由一個或多個飛馳 (flying) 電容移動至輸出電容這種轉換器的設計很簡單, 效率也很高, 這是它的主要優點圖 3.1 即是 TPS60130 300 ma 無電感交換式轉換器的效率曲線圖 3.

25 無電感交換式 DC/DC 轉換器有時又稱為電荷泵浦, 它們是最簡單的交換式穩壓器電荷泵浦使用多顆開關和電容, 輸入電源的電荷會經由一個或多個飛馳 (flying) 電容移動至輸出電容這種轉換器的設計很簡單, 效率也很高, 這是它的主要優點圖 3.1 即是 TPS ma 無電感交換式轉換器的效率曲線圖 3.2 無電感交換式轉換器的效率曲線範例為了在更寬廣的輸入至輸出電壓範圍內提供更高效率, 轉換器可能會切換至不同的倍壓模式 (multiplication mode), 例如 1.5 倍或 2 倍 ; 如圖 3.2 所示, 切換至不同的倍壓模式會造成效率曲線步階改變若不採用回授穩壓電路, 這類的轉換器只能提供輸入電壓整數倍的輸出電壓, 但不同的回授方法卻會對轉換器效率和漣波產生不同影響, 因此工程師應針對他們的應用需求來選擇適當的回授方法採用電感 (Inductor-Based) 的 DC/DC 轉換器採用電感的交換式轉換器元件除了包含控制電路外, 至少還會內建一個開關電晶體, 交換式控制器元件則只包含控制電路, 因此需要外接開關電晶體, 這兩 24

種元件的輸出電流範圍都大於無電感轉換器另外還有多種電路組態, 某些是前述降壓升壓和反相轉換器的簡單組合, 它們能為特定應用提供更多功能或更高效率這些交換式轉換器至少會使用一個電感器做為電能儲存元件, 它們也需要輸出電容器 ; 相較於線性穩壓器和無電感的交換式轉換器, 交換式轉換器能在更寬廣的負載範圍內提供高效率, 這是它們的主要優點圖 3-2 是 TPS62200 降壓轉換器的效率曲線

26 種元件的輸出電流範圍都大於無電感轉換器另外還有多種電路組態, 某些是前述降壓升壓和反相轉換器的簡單組合, 它們能為特定應用提供更多功能或更高效率這些交換式轉換器至少會使用一個電感器做為電能儲存元件, 它們也需要輸出電容器 ; 相較於線性穩壓器和無電感的交換式轉換器, 交換式轉換器能在更寬廣的負載範圍內提供高效率, 這是它們的主要優點圖 3-2 是 TPS62200 降壓轉換器的效率曲線交換式轉換器的最大弱點在於成本, 包括設計時間零件數目電路板面積以及輸出雜訊和漣波設計時間包括分析各種電路組態開關方式, 操作模式和回授控制機制, 其中每一項都可以根據成本效率和輸出雜訊來排名包括電感輸出電容以及做為外接開關的二極體或 FET 電晶體在內, 外部零件的選擇對於降低成本把電路板使用面積減至最小提供更高效率和減少漣波非常重要 ; 面對這麼多的設計選項, 交換式轉換器似乎缺乏吸引力, 但極高的轉換效率, 某些情況甚至可超過 95%, 卻讓設計時間和零件成本值回票價要為應用選擇最好的離散式 DC/DC 轉換器, 就必須在成本效率和輸出雜訊或漣波之間做出適當取捨表 1 是各種轉換器的比較結果, 評比項目包括 : 最大輸出電流效率輸出漣波 / 雜訊以及整體成本圖 3.3 採用電感的交換式轉換器的效率曲線範例 25

27 表錯誤! 所指定的樣式的文字不存在文件中.2 轉換器電路拓樸的比較結果最大輸出電流輸入電壓 > 輸出電壓成本優勢效率低輸出雜訊 ( 漣波 ) 低穩壓式電荷泵浦良好良好普通中低壓降線性穩壓器傑出不良傑出中 DC/DC 降壓轉換器普通傑出不良高低壓降線性穩壓控制器 + 外接導通元件良好不良 1 傑出高 DC/DC 降壓控制器 + 外接開關元件不良傑出不良最小輸入電壓 < 輸出電壓 < 最大輸入電壓低穩壓式電荷泵浦 + 低壓降穩壓器普通普通普通中 DC/DC 升壓轉換器 + 低壓降穩壓器不良普通良好中降壓 / 升壓或 SEPIC 轉換器普通普通不良高降壓 / 升壓或 SEPIC 控制器 + 外接開關元件不良普通不良輸入電壓 < 輸出電壓低穩壓式電荷泵浦良好良好普通中 DC/DC 升壓轉換器普通傑出不良高 DC/DC 升壓控制器 + 外接開關元件不良傑出不良元件的介紹 LM317/LM337 LM317/LM337 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路我國和世界各大集成電路生產商均有同類商品可供選用, 是使用極為廣泛的一類串聯集成稳壓器 LM317/LM337 的輸出电壓範圍是 1.2V 至 37V, 負載電流最大為 1.5A 它的使用非常簡單, 僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好 LM317/LM337 內置有過載保護安全區保護等多種保護電路通常 LM317/LM337 不需要外接電容, 除非輸入濾波電容到 LM317/LM337 輸入端的連線超過 6 英寸 ( 約 15 厘米 ) 使用輸出電容能改變瞬態響應調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩壓器高的多的 26

28 紋波抑制比 LM317/LM337 能夠有許多特殊的用法比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上, 可以用來調節高達數百伏的電壓, 只要輸入輸出壓差不超過 LM317/LM337 的極限就行當然還要避免輸出端短路還可以把調整端接到一個可編程電壓上, 實現可編程的電源輸出圖 3.4 LM317 實體圖 3.5 LM317 電路圖和輸出電壓公式 27

29 圖 3.6 LM337 實體圖 3.7 LM337 電路圖和輸出電壓公式 3.4 實驗設備中央抽頭式變壓器使用中央抽頭的變壓器可以達到正負的全波, 經過橋式後, 更可以得到正負兩端的電壓此種電路電源變壓器的利用率差, 漣波頻率高但漣波含有率小, 28

30 而且交流電壓的正負半週都已利用, 電源變壓器便不會產生極化的作用故適合大電流場電路 XSC1 Ext Trig + D1 + A _ + B V1 110 V 60 Hz 0Deg T1 2 DIODE_VIRTUAL D2 R1 1kΩ DIODE_VIRTUAL R2 1kΩ 圖 3.8 中央抽頭式變壓器模擬電路圖示波器在電子電路中, 我們必須瞭解其動作情形及反應的波形, 才能正確判斷電路是否良好, 及判斷其故障的部位但觀察動作情況, 反應波形, 用一般電表是無法判斷正確性, 尤其在動作快及頻率高的電路中根本無法測試, 必須借助於示波器圖 3.9 示波器 29

31 3.4.3 三用電錶用於測試系統之電壓與電流圖 3.10 三用電錶 30

32 第四章實驗成果 4.1 前言本實作電路為可調式高電壓電源供應器, 其流程圖如下 : 圖 4.6 流程圖我們的可調式高壓電源供應器是由交流的市電 110V 經由中央抽頭式的變壓器轉換成 220V 的交流電, 再經由橋式整流器把本來的跨越正負的弦波, 整流成完整的正半波跟負半波, 接下來經由電容濾波, 把波形整理成直流加上鏈波, 最後經由穩壓 IC 把鏈波抑制成直流, 就成為我們最出想要得到的高電壓直流輸出這樣的電源轉換器特性的優劣除了要選擇合適的電路架構之外, 零件的選用跟設計的考量對整個架構能否有最佳化的效能發揮是有很大個關連性的! 而且設計上要考慮到電路規格 (External Specification) 或客戶規格 (Customer's Specification); 這些規格包括 : 輸入電壓輸出電壓輸出功率效率漣波功因電壓調整率負載調整率各項保護與控制功能等等 31

33 4.2 實驗電路與結果圖 4.7 負端電路圖 32

34 圖 4.3 負端輸出電壓波形圖 4.4 負端輸出結果圖 4.2 是負端輸出電路, 從圖 4.3 圖 4.4 我們可以看出電壓的確由 110V 的交流電降成負 178V 的 DC 直流電 33

35 圖 4.5 正端電路圖 34

36 圖 4.6 正端電壓輸出波形圖 4.7 正端輸出結果圖 4.5 是正端輸出電路, 從圖 4.6 圖 4.7 我們可以看出電壓的確由 110V 的交流電轉換成正 178V 的直流電壓圖 4.8 為經過橋式整流跟電容濾波過後的直流濾波 35

37 圖 4.8 輸入電壓之漣波圖 4.9 為經過 LM317,LM337 穩壓過後的電壓波形圖 4.9 輸出電壓之漣波 36

38 圖 4.10 最高電壓之輸出圖 4.11 最低電壓之輸出 37

39 4.3 電路設計簡介本穩壓電路利用達靈頓電路提高 LM317 跟 LM337 的電流驅動力, 而在高壓電源供應器裏要使用達靈頓電路, 當然得選用可以耐高壓的電晶體因此我們選用 NPN 的 2SC5129 和 PNP 的 2SA1294 來完成電路表 4.1 正端所使用 NPN 電晶體 2SC5129 規格表表 4.2 負端所使用的 PNP 電晶體 2SA1294 規格表 38

40 4.3.1 達靈頓直流分析如下圖所示為典型的達靈頓放大器, 信號由 Q1 的基極輸入, 由 Q2 的射極輸出,Q2 基極與 Q1 射極直接連接, 所以 Q2 基極電流等於 Q1 射極電流圖 4.12 達靈頓電路兩級放大器都採用共集極組態, 以獲得高電流增益達靈頓電路中, 輸入電流為 Q1 的基極電流, 輸出電流為 Q2 的射極電流, 我們可驗證輸入與輸出間具有高倍率的電流放大作用 : 所以達靈頓電路的輸出電流幾乎放大了兩個電晶體 β 值的乘積的倍率, 即 β 1 β 2 倍第一步驟 : 列出輸入方程式與輸出方程式 : 輸入方程式 :V CC =I B1 R B +V BE1 +V BE2 +I E2 R 輸出方程式 :V CC =V CE2 +I E2 R E 另外 :I E1 =I B2 第二步驟 : 輸出電流 I E2 與輸入電流 I B1 的關係 39

41 第三步驟 : 將 I E2 與 I B1 的關係代回輸入方程式, 計算 I B1 第四步驟 : 將 I B1 代入輸出方程式, 找出 V CE2 I E2 =β 1 β 1 I B1 代入輸出方程式, 得出 V CE2 = V CC - I E2 R E 其他設計耐高壓電晶體需含有較低的 β, 而其達靈頓接法的電晶體是用來隔離高壓, 提高電流驅動力 R3 電阻限制了短路電流在 50mA~100mA 輸出端的 RC 電路是用來改善暫態響應調整腳在短路時,R4 和 D1 是用來保護其工作正常其中 Q2 所耗損的瓦數會比較高, 正常時約 5W, 當有短路電流產生時, 約 10W 稽納二極體是為了確保 LM317 的輸入輸出端相差 5V 稽納二極體的阻抗足以小到讓 LM317 的輸入端不用接旁路電容 40

42 第五章結論與未來展望 5.1 結論本篇論文針對傳統的線性式電源供應器的原理做一詳盡的說明, 並實際製作一台輸出電壓為 165V-250V, 電流為 150mA 之電源供應器, 並且與原理互相印證在本文中, 我們以實驗來探討我們的輸出是否為一穩定高電壓輸出, 由於電壓過高, 在電路設計上, 常常要保護元件避免被燒壞, 因為電路的設計, 讓能量將會以熱的方式消耗掉, 所以會有過熱之現象, 因此燒壞不少的的元件, 經過改良之後, 電路逐漸趨於穩定而在輸出電壓的漣波上, 經過穩壓電路, 我們可以看出輸出電壓明顯的將漣波現象改善很多, 在模擬與實作的比較結果, 在負載的變化與電源變動, 會有較好的穩壓效果線性式電源供應器之優點如下 : 1. 電路簡單 2. 電路穩定度高 3. 暫態響應快 4. 漣波較小 5. 電磁干擾小 5.2 未來展望本文所提供之相關理論與方法, 經由實作電路可以得到佐證, 但仍有改進空間, 其方向為 : 1. 保護裝置 : 在電路中可能因為某個元件過熱而導致電路的損壞, 因此若能增加保護裝置就能提高電路的安全性 2. 性能的提升 : 在電能轉換過程中, 會造成功率的損失, 若能減少功率的損失就能提升電路的性能 41

43 第六張附錄附件一可調式電源供應器之電路實體正面附件二可調式電源供應器之電路實體反面 42

44 參考文獻 [1] 曾偉碩," 空載低損耗不對稱半橋電源供應器之研究 ", 國立成功大學電機工程學系碩士論文,92 年 [2] 楊明松," 應用於電暈之電源供應器設計與研製 ", 私立中原大學電機工程學系碩士學位論文,93 年 [3] 無線電界雜誌社編輯部編著," 直流電源供應器的原理與設計 ", 無線電界雜誌社 [4] 孫銘宏," 交換式直流電信電源之電磁干擾雜訊自動量測與濾波器設計 ", 私立義守大學電子工程所碩士論文,92 年 [5] Pressman, Abraham I., Switching power supply design, McGraw-Hill, NewYork, 926pp, 1991 [6] 林慶仁, 宋自恆, 最新的電力電子轉換技術與產品特點, 新電子科技雜誌 2001 年.11 月號第 188 期 [7] 劉泰平譯," 交換式電源供應器技術 ", 大行出版社 [8] Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins, Power electronics :converters, applications, and design, Wiley, New York, 667pp, [9] 廣東電子商貿網,LM317/337 高精度微調穩壓電源應用, s_11716.html [10] 陳旗生," 個人電腦交換式電源供應器之熱管散熱模組研製 ", 國立成功大學工程科學係碩士論文,93 年 [11] 郭朝生," 升降壓型電源轉換器之 T-S 模糊式控制 ", 私立中原大學電機工程學系碩士學位論文,92 年 [12] George C. Chryssis 著, 梁適安譯, " 高頻交換式電源供應器 43

45 原理與設計 ", 第二版, 全華科技圖書股份有限公司 [13] 林慧之," 交換式電源供應器, 散熱性能之電腦輔助設計 ", 國立清華大學動力機械學系碩士論文,90 年 44

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