如何實現(xiàn)線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計？方案詳解

直流穩(wěn)壓電源能為負載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。

線性穩(wěn)定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻(50Hz)上，所以重量較大。　該類電源優(yōu)點是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調(diào)的成品。缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。這類穩(wěn)定電源又有很多種，從輸出性質(zhì)可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一身的穩(wěn)壓穩(wěn)流(雙穩(wěn))電源。從輸出值來看可分定點輸出電源、波段開關(guān)調(diào)整式和電位器連續(xù)可調(diào)式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數(shù)字顯示式型等等。

一、 設(shè)計任務(wù)

1、課題名稱：線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

2、設(shè)計要求

①輸出電壓：Vo=4.5～12.0V;

②最大輸出電流：Iomax≥1A;

③輸出紋波：VP-P≤10mV;

④電壓調(diào)整率：Ku≤5%(最大輸出電流時);

⑤電流調(diào)整率：Ki≤3%。(輸出為12V時)。

二、 硬件設(shè)計

1、 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計思路

(1)電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。

(2)降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向脈動直流電，但其幅度變化大(即脈動大)。

(3)脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。

(4)濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給電壓表。

2、 直流穩(wěn)壓電源原理

(1)直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。

①電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。

②整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電

③濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。

④穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。

(2)整流電路

①直流電路常采用二極管單相全波整流電路

②工作原理

設(shè)變壓器副邊電壓u2=錯誤!未找到引用源。U2sinωt，U2為有效值。 在u2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止;u2的負半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻RL，且方向是一致的。

在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即 電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為 (U2是變壓器副邊電壓有效值)。

(3)濾波電路——電容濾波電路原理圖

采用濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑。常見的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。

在整流電路的輸出端，即負載電阻RL兩端并聯(lián)一個電容量較大的電解電容C，則構(gòu)成了電容濾波電路，如圖4所示電路，由于濾波電容與負載并聯(lián)，也稱為并聯(lián)濾波電路。

從圖3可以看出，當(dāng)u2為正半周時， 電源錯誤!未找到引用源。通過導(dǎo)通的二極管VD1、VD3向負載RL供電，并同時向電容C充電(將電能存儲在電容里，如t1～t2)，輸出電壓

u0=uc≈u2;錯誤!未找到引用源。達峰值后u2減小，當(dāng)u0≥u2時，VD1、VD3提前截止，電容C通過RL放電，輸出電壓緩慢下降(如t2～t3)，由于放電時間常數(shù)較大，電容放電速度很慢，當(dāng)uc下降不多時u2已開始下一個上升周期，當(dāng)u2>u0時，電源u2又通過導(dǎo)通的VD2、VD4向負載RL供電，同時再給電容C充電(如t3～t4)，如此周而復(fù)始。電路進入穩(wěn)態(tài)工作后，負載上得到如圖中實線所示的近似鋸齒的電壓波形，與整流輸出的脈動直流(虛線)相比，濾波后輸出的電壓平滑多了。

線性穩(wěn)壓電源是一種常見的電源，其設(shè)計相對簡單，應(yīng)用范圍廣泛。本文將介紹如何實現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計，并提供一些應(yīng)用方案。

線性穩(wěn)壓電源的作用是將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，以滿足各種電子設(shè)備的需要。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點包括效率高、噪聲低、穩(wěn)定性好等，適用于各種需要直流電源的場合。但是，線性穩(wěn)壓電源也有一些缺點，如體積較大、成本較高、紋波較大等，需要在實際應(yīng)用中進行權(quán)衡和選擇。

在進行線性穩(wěn)壓電源設(shè)計時，需要確定設(shè)計目標。具體來說，需要考慮輸出電壓精度、輸出紋波大小、效率等指標。根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)。下面介紹線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計步驟：

步驟1：確定設(shè)計目標

首先需要明確設(shè)計目標，例如輸出電壓精度為±5%，紋波小于5mV等。這些目標需要根據(jù)實際應(yīng)用場景來確定。

步驟2：選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計目標，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)。線性穩(wěn)壓電源通常分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種拓撲結(jié)構(gòu)。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源具有較高的輸出電壓精度和紋波抑制能力，但效率較低;而并聯(lián)型穩(wěn)壓電源則具有較高的效率和良好的負載響應(yīng)，但輸出電壓精度和紋波抑制能力相對較差。根據(jù)實際需求進行選擇。

步驟3：確定元器件參數(shù)

根據(jù)所選拓撲結(jié)構(gòu)，確定電阻、電容、二極管等元器件的參數(shù)。例如，選用精密電阻來提高輸出電壓精度，選用低噪聲電容來減小紋波等。這些元器件的參數(shù)需要根據(jù)電路的實際情況來確定。

步驟4：編寫電路圖

利用電路設(shè)計軟件，如Altium Designer、Eagle等，繪制線性穩(wěn)壓電源的電路圖。在電路圖中，需要將各個元器件按照其實際數(shù)值和規(guī)格進行標注，并按照一定的連接方式進行連接。

步驟5：測試和優(yōu)化

根據(jù)測試結(jié)果進行優(yōu)化，例如減小電路板空間、提高電壓精度等。測試時需要用到各種測試儀器和設(shè)備，例如萬用表、示波器、電子負載等。通過測試來驗證電路的性能是否達到了設(shè)計目標，并對不滿足設(shè)計目標的電路進行優(yōu)化和改進。