線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計詳解

直流穩(wěn)壓電源能為負(fù)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(fù)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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。

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）。

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(fù)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(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(dá)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(fù)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，負(fù)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。

顯然，放電時間常數(shù)RLC越大、輸出電壓越平滑。若負(fù)載開路（RL=∞），電容無放電回路，輸出電壓將保持為錯誤！未找到引用源。的峰值不變。 輸出電壓的估算：

顯然，電容濾波電路的輸出電壓與電容的放電時間常數(shù)τ=RLC有關(guān)，τ應(yīng)遠(yuǎn)大于u2的周期T，分析及實驗表明，當(dāng)

時，濾波電路的輸出電壓可按下式估算，即

整流二極管導(dǎo)通時間縮短了，存在瞬間的浪涌電流，要求二極管允許通過更大的電流，管子參數(shù)應(yīng)滿足

在已知負(fù)載電阻RL的情況下，根據(jù)式子選擇濾波電容C的容量，即

若容量偏小，輸出電壓UO將下降，一般均選擇大容量的電解電容；電容的耐壓應(yīng)大于u2的峰值，同時要考慮電網(wǎng)電壓波動的因素，留有足夠的余量。 電容濾波電路的負(fù)載能力較差，僅適用于負(fù)載電流較小的場合。

（4）穩(wěn)壓電路

①電路的構(gòu)成：同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，所以輸出電壓就可調(diào)；同時為了擴(kuò)大輸出電流，集成運(yùn)放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式，就構(gòu)成具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。用兩個P41組成的復(fù)合管做調(diào)整管，電阻R1與穩(wěn)壓管D3構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路，電阻R2、R3和R4為輸出電壓的采樣電阻，集成運(yùn)放LM358作為比較放大電路。調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、采樣電阻和比較放大電路構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本部分。電容C1、C2和C3起到濾波作用。

②穩(wěn)壓原理：由于某種原因（如電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電阻的變化等）使輸出電壓U0升高（降低），采樣電路將這一變化趨勢送到A的反相輸入端，并與同相輸入端電位UZ經(jīng)行比較放大；A的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；因為電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓U0必然降低（升高），從而使U0得到穩(wěn)定。

電路是靠引入深度電壓負(fù)反饋來穩(wěn)定輸出電壓的。

3、 原理圖

圖 7線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源正面

圖 8線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源反面

最先設(shè)計的方案穩(wěn)壓模塊集成運(yùn)放輸出端通過電阻R3分壓再通過調(diào)整管是輸出端穩(wěn)壓。通過焊好電路板測試時發(fā)現(xiàn)不能進(jìn)行穩(wěn)壓，電壓會隨著負(fù)載的變化而變化，調(diào)整管射極輸出端受到負(fù)載影響，穩(wěn)定性較差。優(yōu)化設(shè)計方案后將電阻R1和R2去掉換成晶體管TIP41后穩(wěn)壓模塊的穩(wěn)定性受到的影響降低。