晶体管扩流 5V3A线性稳压电源设计

晶体管扩流5V/3A线性稳压电源设计

一、线性稳压电源

1.1工作原理

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分。线性稳压电源具有性能可靠，构造简单，反应速度快，纹波干扰小等特点，在电路中得以广泛的应用。目前，虽然各种开关电源得到了很大的发展，但在性能要求较高的模拟电路，如音响电路、高精度测量等电路中，仍然无法替代线性稳压电源。线性稳压电源主要由工频变压器、整流电路、线性稳压电路等组成，其结构如图1。

图1 线性稳压电源结构图

常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX 系列（正电压型），79XX 系列（负电压型）。例如7805 ，输出电压为5V ）；LM317 （可调正电压型），LM337 （可调负电压型）；1117 （低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3 为3.3V ，1117-ADJ 为可调型）,LM2940。通常这些线性稳压电源IC内部由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。线性稳压电源的主要缺陷，除了工频变压器的体积较大外，就是变换效率较低，通常只能达到35%-60%。而变换效率低的主要原因在于线性稳压电路的效率较低。使线性稳压电路中的电压调整管上承受较大的功耗，需要使用大面积的散热片对其散热，这就进一步加大了线性稳压电源的体积。

常用的5V线性稳压电源如7805的输出电流通常不超过1A，因此在需要线性稳压电源输出电流达到3A的时候需要对现有的线性稳压电源进行扩流。常用的线性稳压电源扩流方法有使用晶体管电流放大的特性进行扩流。为降低损耗，此次设计选用了低压差线性稳压电源LM2940。图2是利用晶体利用晶体管扩流的3A/5V线性稳压电源的扩流设计。

图2 晶体管扩流线性稳压电路

1.2线性稳压电源扩流的原理

UIN接直流输入电源，其输入电压的范围跟选用的芯片有关，UOUT为线性稳压电源的输出端接负载。如图所示流过负载的电流为Io，Io由源LM2940的输出电流I2和PNP 的输出电流I1两部分。IR为流过电阻的电流，Ib为PNP的基极电流，Iin为源LM2940的输出电流。分析时忽略源LM2940的静态工作电流。假设晶体管的放大倍数为β，晶体管基极导通电压为Ueb。如图3所示。

Io=I1+I2 (1-1)

Iin=IR+Ib (1-2)

I1=βIb(1-3)

I2= Iin=IR+Ib (1-4)

IR=Ueb/R1 (1-5) Io=I1+I2=βIb+ Iin=βIb+ IR+Ib=(1+β) Ib+Ueb/R1 (1-6) 由式(1-6)可知是，输出电流和晶体管的放大倍数以及电阻R1的值相关，由于晶体管输出电流与基极的电流成正比，晶体管的放大倍数为β，当晶体管处于线性放大区工作时，只要较小的Ib电流，就能获得较大的I2输出，当参数选取合适时，I2的电流将是Io输出电流的主要部分，从而实现了扩流。在使用时要确保PNP处于线性放大区。

图3晶体管扩流线性稳压电路原理分析

1.3晶体管扩流的优点.

电路简单,稳定.调试方便。

电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI等方面易于控制。

1.4晶体管扩流的缺点：

此电源是线性稳压电路,所有有其特有的内部功率损耗大,全部压降均转换为热量损失了,效率低.所以散热问题要特别注意。

由于核心的元件源LM2940的工作速度不太高,所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢。

此电路没有加电源保护电路,源LM2940本身有过流和温度保护，但是扩流三极管没有加保护,所以存在一个很大的缺点,如果源LM2940在保护状态以后,电路的输出会是Vin-Vce,电路输出超过预期值,因此在设计时应做相应的措施。

二、5V/3A线性稳压电源系统设计指标

本课程设计的设计目标为，设计一个电路，实现对LM2940线性稳压电源的输出电流扩流，使得扩流后的电路能够最大工作在3A的负载下，并满足如下要求：

(1)电压调整率≤0.2％（输入电压220V变化范围＋10％～－10％下，满载）

(2)负载调整率≤1％（最低输入电压下，空载到满载）；

(3)效率≥40％（输出电压5V.输入电压220V下，满载）；

(4)PNP 管子外壳温升不超过70摄氏度 三、电路设计：

根据线性稳压电源扩流的原理，设计扩流电路。如图2为晶体管扩流电路原理图，其组成由变压器，整流桥以及晶体管放大型扩流电路组成。

图4 晶体管扩流电路原理图

四、元器件选型

4.1不可控整流部分参数选取依据：

如图3所示a 图为单相电容滤波不可控整流电路的原理图，b 图为工作波形图。

图5可控整流电路的原理图

工作原理：在u 2正半周过零点至w t =0期间，因u 2

主要数量关系忽略二级管的压降有： 空载时2U d

重载时，U d 逐渐趋近于0.9U 2，即趋近于接近电阻负载时的特性。

在设计时根据负载的情况选择电容C 值，使(3~5)/2RC T ≥, 此时输出电压为： U d ≈1.2U 2。

电流平均值输出电流平均值I R 为： I R =U d /R

二极管电流I D 平均值为：I D =I d /2=I R /2

2

由LM2940的输入电压范围在6.25V ≤V IN ≤26V ，为了减小线性电源的损耗，因此希望变压器二次侧整流后获得的直流电压的值在LM2940的输入范围内，且值尽量的小。在选型时由于常用的工频变压器有交流220转5、9、12、等几个固定值范围。

因此变压器选择220V 转9V

2

约为12.7V 。为保

证输出电流不小于3A ，因此该变压器的功率应大于27W ，购买时根据实际情况选择功率大于30W 的变压器。 4.2器件具体选型 （1）整流二极管：

2，二极管承受的正向电压有效值为2/2U 。因变压器选择220V 转9V 的工频变压器，整流二级管所承受方向峰值电压为二次侧电压峰值为

2约为12.7V ，二级管承受的正向电压有效值为4.5V 。考虑安全裕量，一般选取二极管的反向电压为二级管所承受的反向电压峰峰值的2-3倍。假定二极管反向重复峰峰值电压为HRM V ，则有：

2(2

3)2HRM V U ≥

因为 变压器二次侧有效值为9V ，即有

2约为12.7V ，所以设计选取二极管的反向电压为二级管所承受的反向电压峰峰值的3倍时有

2HRM V ≥

38.07H RM V ≥

二极管正向电压有效值为RMS

V

考虑裕量则有：