線性可調直流穩壓電源的設計詳解

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

　　線性穩定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調整管工作在線性區，靠調整管之間的電壓降來穩定輸出。由于調整管靜態損耗大，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。

　　該類電源優點是穩定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續可調的成品。缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。這類穩定電源又有很多種，從輸出性質可分為穩壓電源和穩流電源及集穩壓、穩流于一身的穩壓穩流（雙穩）電源。從輸出值來看可分定點輸出電源、波段開關調整式和電位器連續可調式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數字顯示式型等等。

　　一、設計任務

　　1、課題名稱：線性可調直流穩壓電源

　　2、設計要求

　　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電壓調整率：Ku≤5%（最大輸出電流時）；

　　⑤電流調整率：Ki≤3%。（輸出為12V時）。

　　二、硬件設計

　　1、直流穩壓電源設計思路

　　（1）電網供電電壓交流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，再通過穩壓電路穩壓，便可得到基本不受外界影響的穩定直流電壓輸出，供給電壓表。

　　2、直流穩壓電源原理

　　（1）直流穩壓電源

　　直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成。

　　①電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網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：利用單向導電元件，把50Hz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穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網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，二極管D1、D2導通，D3、D4截止；u2的負半周內，D3、D4導通，D1、D2截止。正負半周內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導電，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、電感濾波和復式濾波等。

　　在整流電路的輸出端，即負載電阻RL兩端并聯一個電容量較大的電解電容C，則構成了電容濾波電路，如圖4所示電路，由于濾波電容與負載并聯，也稱為并聯濾波電路。

　　從圖3可以看出，當u2為正半周時，電源錯誤！未找到引用源。通過導通的二極管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），由于放電時間常數較大，電容放電速度很慢，當uc下降不多時u2已開始下一個上升周期，當u2＞u0時，電源u2又通過導通的VD2、VD4向負載RL供電，同時再給電容C充電（如t3～t4），如此周而復始。電路進入穩態工作后，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。

　　顯然，放電時間常數RLC越大、輸出電壓越平滑。若負載開路（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τ=RLC有關，τ應遠大于u2的周期T，分析及實驗表明，當

　　時，濾波電路的輸出電壓可按下式估算，即

　　整流二極管導通時間縮短了，存在瞬間的浪涌電流，要求二極管允許通過更大的電流，管子參數應滿足

　　在已知負載電阻RL的情況下，根據式子選擇濾波電容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；電容的耐壓應大于u2的峰值，同時要考慮電網電壓波動的因素，留有足夠的余量。電容濾波電路的負載能力較差，僅適用于負載電流較小的場合。

　　（4）穩壓電路

　　①電路的構成：同相比例運算電路的輸入電壓為穩定電壓，且比例系數可調，所以輸出電壓就可調；同時為了擴大輸出電流，集成運放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式，就構成具有放大環節的串聯型穩壓電路。用兩個TIP41組成的復合管做調整管，電阻R1與穩壓管D3構成基準電壓電路，電阻R2、R3和R4為輸出電壓的采樣電阻，集成運放LM358作為比較放大電路。調整管、基準電壓電路、采樣電阻和比較放大電路構成串聯型穩壓電路的基本部分。電容C1、C2和C3起到濾波作用。

　　②穩壓原理：由于某種原因（如電網電壓波動或負載電阻的變化等）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經行比較放大；A的輸出電壓，即調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得到穩定。