直流穩(wěn)壓電源的設計可調直流穩(wěn)壓電源的設計直流穩(wěn)壓電源的設計設計要求基本要求：短路保護，電壓可調。若用集成電路制作，要求具有擴流電路?；局笜耍狠敵鲭妷赫{節(jié)范圍：0-6V，或0-8V，或0-9V，或012V；最大輸出電流：在0.3A-1.5A區(qū)間選一個值來設計；輸出電阻Ro：小于1歐姆。其他：紋波系數(shù)越小越好（5%Vo），電網電壓允許波動范圍 + -10%。設計步驟1電路圖設計（1）確定目標：設計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個模塊之間的信號傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。（2）系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。（3）參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。（4）總電路圖：連接各模塊電路。2. 設計思想（1）電網供電電壓交流220V(有效值)頻率為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(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，供給負載RL。電路設計（一）直流穩(wěn)壓電源的基本組成 直流穩(wěn)壓電源是將頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩(wěn)定、輸出電流為幾十安以下的直流電源，其基本組成如圖（1）所示：T整流濾波穩(wěn)壓負載圖（1） 直流穩(wěn)壓電源的方框圖直流穩(wěn)壓電源的輸入為220V的電網電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉換為直流電壓，即正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖所示?？梢钥闯?，他們均含有較大的交流分量，會影響負載電路的正常工作。為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。對于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當電網電壓波動或者負載變化時，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。（二）各電路的選擇1.電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。實際上，理想變壓器滿足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，因此有P1=P2=U1I1=U2I2。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。根據(jù)輸出電壓的范圍，可以令變壓器副邊電壓為22V，即變壓系數(shù)為0.1。2.整流電路（1）半波整流圖（2） 半波整流電路 圖（3） 半波整流電路的波形圖整流電路如圖（2）所示，其輸出電壓平均值就是負載電阻上電壓的平均值Uo(AV)。從圖（3）所示波形圖可知，當wt=0時，Uo =U2sinwt;當wt=2時，Uo=0。所以，求解Uo的平均值Uo(AV)，就是將0的電壓平均在02時間間隔之中，如圖（3）所示，寫成表達式為: Uo(AV)=1/202U2sinwtd(wt) 解得: Uo(AV)=2U2/0.45U2負載電流的平均值: Io(AV)= Uo(AV)/RL半波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電流，即IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RLb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2單相半波整流電路簡單易行，所用二極管數(shù)量少。但是由于它只是利用了交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此，這種電路僅適用于整流電流較小，對脈動要求不高的場合。（2）全波橋式整流電路為了克服單相半波整流電路的特點，在使用電路中多采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。如圖（4）所示圖（4） 全波橋式整流電路設變壓器次級電壓U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m為其幅值，U2為有效值，負載電阻為100。在電壓U2的正半周期時，二極管D1、D3因受正向偏壓而導通，D2、D4因承受反向電壓而截止；在電壓U2的負半周期時，二極管因受D2、D4正向偏壓而導通，D1、D3因承受反向電壓而截止。U2和UL的波形如圖（5）所示，顯然，輸入電壓是雙極性，而輸出電壓是單極性，且是全波波形，輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為圖（5） 全波整流電路的波形UOL=2U2m/p=U20.9U2=0.92220V 全波整流電路中的二極管安全工作條件為：a）二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管平均電。由于4個二極管是兩兩輪流導通的，因此有IFIDO=0.5ULO/RL =0.45U2/RL=0.4520/10090mAb）二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即URURM =U2=1.420=28V單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數(shù)要求是一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用高、脈動小等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。它的主要缺點是所需二極管的數(shù)量比較多，由于實際上二極管的正向電阻不為零，必然使得整流電路內阻較大，當然損耗也就比較大。3濾波電路電容濾波電路是最常見的也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構成電容濾波電路，如圖（6）所示：圖（6） 單相橋式整流電容濾波電路該電路工作原理：設U2= U2msinwt=U2sinwt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期還是在負半周期，電源電壓U2一方面向RL供電，另一方面對電容C進行充電，由于充電時間常數(shù)很小（二極管導通電阻和變壓器內阻很?。?，所以，很快充滿電荷，使電容兩端電壓UC基本接近U2m，而電容上的電壓是不會突變的?，F(xiàn)假設某一時刻U2的正半周期由零開始上升，因為此時電容上電壓UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，電容C通過RL放電，由于放電時常數(shù)td=RLC很大（RL較大時），因此放電速度很慢，UC下降很少。與此同時，U2仍按 U2sinwt的規(guī)律上升，一旦當U2UC 時，D1、D3導通，U2對C充電。然后，U2又按 U2sinwt的規(guī)律下降，當U2UC 時，二極管均截止，故C又經RL放電。同樣，在U2的負半周期也會出現(xiàn)與上述基本相同的結果。這樣在U2的不斷作用下，電容上的電壓不斷進行充放電，周而復始，從而得到一近似于鋸齒波的電壓UL= UC，使負載電壓的紋波大為減小。由以上分析可知，電容濾波電路有如下特點：a）RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 RLC(35)T/2 式中，T為交流電源電壓的周期。由上式可以解得 C =(35)T/2 RL400Fb）RL越小輸出電壓越小。若C值一定，當RL，即空載時有ULO= U21.4 U2。當C=0，即無電容時有ULO0.9 U2。當整流電路的內阻不太大（幾W）和電阻RL電容C取值滿足上式時，有ULO(1.11.2) U2 總之，電容濾波適用于負載電壓較高、負載變化不大的場合4.穩(wěn)壓電路 雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產生相應的波動；另一方面，由于整流濾波電路內阻的存在，當負載變化時，內阻上的電壓將產生相反的變化，于是輸出電壓平均值也將隨之產生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網電壓的波動而波動，隨著負載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。（1）簡單穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路如圖（7）所示：圖（7） 穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內變動但擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當輸入電壓變化時，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結果輸出電壓基本不變；當負載電阻變化時，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之作反向變化，結果仍是輸出電壓基本不變。顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性越好。下面討論R的取值范圍。參見圖（7），設為保證穩(wěn)壓作用的所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為Izmin，為防止電流過大從而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為Izmax，即要求IzminIzI2max。當UI最大和RL開路時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時應有；當UI最?。ú恍∮赨z）和RL最?。ú辉试S短路）時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應有。即 一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R應盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點是電路簡單，所用元器件少；但是，因為受穩(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，其輸出電流較小，輸出電壓不可調，因此只適用于負載電流較小，負載電壓不變的場合。（2）三端集成穩(wěn)壓器電路集成穩(wěn)壓器與簡單穩(wěn)壓電路相比其電路結構簡單，它可以通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調節(jié)范圍。并且內部有過熱保護、過流保護等保護電路，可以很安全的保護電路的正常工作。圖（8）時由LM317組成的基準電壓源電路，電容Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，可取小于1F的電容。輸入端和調整端之間的電壓時非常穩(wěn)定的電壓，其值為1.25V。輸出電流可達1.5A。圖（8） 由LM317組成的穩(wěn)壓電路由于調整端的電流可忽略不計，輸出電壓為Uo=(1+R2/R)1.25V為了減少R2上的紋波電壓，可在其上并聯(lián)一個10F電容C。但是，在輸出開路時，C將向穩(wěn)壓器調整管發(fā)射結反偏，為了保護穩(wěn)壓器，可加二極管D2，提供一個放電回路，D1,D2起保護作用。如圖（9）所示：圖（9） LM317的外加保護電路由于設計要求電壓從零開始調起，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需要設計一個電壓補償電路來抵消LM317的1.25V最小輸出電壓，如圖（10）所示，電壓補償電路由R3和二極管D組成，其輸出電壓Uo=U-UD,其中，U為LM317的輸出端電壓，UD為二極管D的正向壓降。UD即為補償電壓。其值略大于LM317的基準電壓（1.25V），這里用兩只串聯(lián)的硅材料整流二極管的導通壓降來實現(xiàn)。當調節(jié)R2 減少,使U3達到與UD 相等時,輸出電壓即為0V。之后,當調節(jié)R2逐漸增