线性稳压电源设计

专题五线性稳压源设计

杨涛

09282055

生医0902班

合作者：李勇达

指导教师：任希

题目五：线性稳压源设计

杨涛 09282055

摘要：直流稳压电源通常是输入为频率为50Hz，220V的正弦信号，输出为稳定的直流信号。其组成主要为电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分，将输入的交流信号转变为所需要的直流信号，以电压的形式输出。本文从稳压电路的不同来设计了两种电压源电路：以稳压管作为稳压电路的线性稳压电源和以串联开关型稳压电路来稳压的电压源。

关键词：线性；稳压电源；整流，滤波

1.稳压电源的结构

直流稳压电源的输入通常是交流电网提供的50Hz、220V（单相）或380V（三相）正弦波，输出是稳定的直流电压。直流稳压电源的组成框图如下图1所示，由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

～

U O

50Hz

图一直流稳压电源结构框图

电压变压器的作用是降低电压，经220V或380V的电网电压降低到所需要的幅值。整流电路是利用二极管的单向导电性将电源变压器输出的交流电压变换成脉动的直流电压。经整流电路输出的电压虽然是直流电压，但有很大的交流分量。滤波电路是利用储能元件（电感、电容）将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤出，输出比较平滑的直流电压。负载电流较小的多采用电容滤波电路，负载电流较大的多采用电感滤波电路，对滤波效果要求高的多采用电容、电感和电阻组成复杂的滤波电路。稳压电路利用自动调整的原理，使输出电压在电网电压波动和负载电流变化时保持稳定，即输出直流电压几乎不变。我们设计的是输入电压为220V、50Hz的单相电网电压，输出为稳定的直流电压的电压源。

2.整流电路

整流电路有很多种我们设计时用到的是单项式整流电路，其电路图如图2，图中变压器将输入的电网电压降低到所需幅值。

图2 单相式整流电路

当输入电压为正时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止，由于二极管为理想二极管，故流过R1的电流为箭头所示方向，其两端电压等于变压器的输出端电压。

当输入电压为负时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止，流过R1的电流仍为如箭头所示方向，其两端电压等于变压器输出端的电压。

3.滤波电路

滤波器的作用是滤除整流输出电压中的交流成分，保留直流成分，使直流电源的输出波形变得平滑，更接近理想的直流电压。滤波电路一般由电抗元件组成，利用电抗元件的储能作用使输出电压波形平缓。

3.1电容滤波电路

单相式整流滤波电路如图3所示，电路中是在整流电路的输出端与负载之间并联一电容。

图3 电容滤波电路

在电路中整流输出电压除想向负载供电外，还要使电容充放电。当输入电压周期性的变换时，电容也在进行有规律性的充放电，使整流输出电压得到平滑，输出波形如图4所示。电容放电时间常数为R1C，R1C越大，放电就越慢，输出电压就越平缓，纹波就越小，平均值越大。

图4 电容滤波电路输出波形

3.2电感滤波电路

电感滤波电路就是在整流电路的输出端串联一电感，其电路图如图5所示。电感上感生电动势的方向总是阻止回路电流的变化，则

电感滤波输出电压平均值近似等于整流电路的输出电压。只有在ωL远远大于R时，输出交流分量很小，才能获得较好的滤波效果。而且R越小，输出交流分量就越小，滤波效果就越好，即电感滤波器适用于大负载电路。

图5 电感滤波电路

其输出波形如图6所示。

图6 电感滤波电路输出波形

3．稳压电路

3.1稳压管稳压电路

稳压管稳压电路如图7所示，稳压电路接在整流滤波电路的输出端和负载之间，稳压管一般应与负载并联，其中R为稳压管的限流电阻。在图7中，设负载电阻R2不

变，当电网电压，即输入电压增大时，稳压管两端电压也增大，由稳压管的伏安特性曲线可知，稳压管电压微小增加，会使流过稳压管的电流急剧增大，I R也随之增大，致使限流电阻R上的电压随之增大，从而抵消了整流电路的输出电压，使负载上的电压几乎保持不变。

当输入电压，即电网电压不变，负载R2变小时，，则流过负载的电流增大，流过R 的电流也增大，则R两边的电压随之增大，从而使稳压管两端电压减小，引起流过稳压管的电流急剧减小，进而使流过R的电流几乎不变，从而其两端电压也保持不变。同理，当流过负载的电流减小时，负载两端的电压也几乎不变。

图7 稳压管稳压电路

由于稳压管的稳定电压就是稳压管的输出电压，所以稳压管的稳压值可以根据输出电压的要求选择。同时因为稳压管工作在反向击穿区u，所以稳压管上的工作电流应该满足I VDZmin > I Z和I VDZmax < I ZM.

3.2串联开关型稳压电路

串联开关型稳压电路的电路如图8所示，输入电压为整流滤波电路输出的直流电压；晶体管VT为调整管，工作在开关状态，；晶体管的基极的电压为矩形波，控制VT 的工作状态；电感L和电容C组成滤波电路，，VD为续流二极管。

图8 串联开关型稳压电路

调节晶体管基极的矩形波的占空比可以改变输出电压的大小。

4.稳压电源的设计

由于稳压电源的输出端是开放的，故有一定的内阻，当负载的大小改变时，其输出的电压的幅值和其稳定性会有所改变，故可以在输出端加上一同相电压跟随器，可以去除负载对电源电路的影响。设计点电路图如下：

稳压管型线性稳压电源的设计如图9所示：

图9 稳压管型线性稳压电源电路

其输出的波形如下图10：

图10 稳压管型线性稳压电源的输出波形

输出电压的值为U o = 20V。

串联开关型线性稳压电源的设计如图11所示：

图11 串联开关型线性稳压电源电路

其输出波形如下图12所示：

图12 串联开关型线性稳压电源输出波形

5两种设计方法的比较

这两种方法电源变压器，整流电路和滤波电路都是一样的，只是稳压电路不同。稳压电路的不同就决定了其性能的不一样。稳压管型直流稳压电源电路设计比较简单，稳压管中不需要在额外加入输入信号，其效率比较高，但输出的直流电压在起始段有一段时间的延迟，而且直流电压幅值的调节很不方便。而串联稳压电源型的直流稳压电源电路比稳压管型的复杂，而且稳压电路中需要再加入矩形波信号，效率比较底，但其输出电压比较稳定，没有延迟，而且输出电压的幅值很好调节，只需改变矩形波信号的占空比即可。可以根据不同的需要来选择不同的电源电路，如果对直流电压的要求不是很高，一般选择稳压管直流稳压电源电路，如果要求直流源没有延迟，且需要改变电压的幅值，则一般选择串联开关型稳压电源电路。

线性稳压电源的设计方法还有很多，但主要的不同还是在于稳压电路的设计原理不一样，但其总的原理还是一样的：将含有交流成分的直流信号变成只含直流信号。