可调直流稳压电源的设计完整版

可调直流稳压电源的设计
直流稳压电源的设计
设计要求
基本要求：短路保护，电压可调。

若用集成电路制作，要求具有扩流电路。

基本指标：输出电压调节范围：0-6V，或0-8V，或0-9V，或0—12V；
最大输出电流：在0.3A-1.5A区间选一个值来设计；
输出电阻Ro：小于1欧姆。

其他：纹波系数越小越好（5%Vo），电网电压允许波动范围 + -10%。

设计步骤
1．电路图设计
（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。

（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。

（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。

（4）总电路图：连接各模块电路。

2. 设计思想
（1）电网供电电压交流220V(有效值)频率为50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响。

的稳定直流电压输出，供给负载R
L
电路设计
（一）直流稳压电源的基本组成
直流稳压电源是将频率为50Hz 、有效值为220V 的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的直流电源，其基本组成如图（1）所示：
图（1） 直流稳压电源的方框图 直流稳压电源的输入为220V 的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。

可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。

为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。

对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。

交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

（二）各电路的选择
1.电源变压器
电源变压器T 的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U i 。

实际上，理想变压器满足I 1/I 2=U 2/U 1=N 2/N 1=1/n ，因此有P 1=P 2=U 1I 1=U 2I 2。

变压器副边与原边的功率比为P 2/ P 1=η，式中η是变压器的效率。

根据输出电压的范围，可以令变压器副边电压为22V ，即变压系数为0.1。

2.整流电路
T
负 载
（1）半波整流
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象。

图（2） 半波整流电路 图（3） 半波整流电路的波形图
整流电路如图（2）所示，其输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值U o(AV)。

从图（3）所示波形图可知，当ωt=0～π时，U o =2U 2sin ωt;当ωt=π～2π时，U o =0。

所以，求解U o 的平均值U o(AV)，就是将0～π的电压平均在0～2π时间间隔之中，如图（3）所示，写成表达式为:
U o(AV)=1/2π
U 2sin ωtd(ωt) 解得: U o(AV)=U 2/π≈0.45U 2
负载电流的平均值:
I o(AV)= U o(AV)/R L
半波整流电路中的二极管安全工作条件为：
a ）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即I F ＞I DO =U LO /R L =0.45U 2/R L
b ）二极管的最大反向工作电压UR 必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM ，即U R ＞U RM =2U 2
单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。

但是由于它只是利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。

因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。

（2）全波桥式整流电路
为了克服单相半波整流电路的特点，在使用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。

如图（4）所示
图（4） 全波桥式整流电路
设变压器次级电压U 2=U 2m sin ωt=2U 2sin ωt ，其中U 2m 为其幅值，U 2为有效值，负载电阻为100Ω。

在电压U 2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U 2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。

U 2和U L 的波形如图（5）
所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等。

由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为 ωt
U 2o U L
ωt
o
图（5） 全波整流电路的波形
U OL =2U 2m /π=π
22U 2≈0.9U 2=0.9×22≈20V 全波整流电路中的二极管安全工作条件为：
a ）二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有I F ＞I DO =0.5U LO /R L =0.45U 2/R L =0.45×20/100≈90mA
b）二极管的最大反向工作电压U R必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即U R＞U RM =2U2=1.4×20=28V
单相桥式整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用高、脉动小等优点，因此得到广泛的应用。

它的主要缺点是所需二极管的数量比较多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就比较大。

3．滤波电路
电容滤波电路是最常见的也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图（6）所示：
图（6）单相桥式整流电容滤波电路
该电路工作原理：设U2= U2m sinωt=2U2sinωt，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向R L供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压U C基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。

现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压U C 基本接近U2m，因此U2＜U C，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过R L放电，由于放电时常数d=R L C很大（R L较大时），因此放电速度很慢，U C下降很少。

与此同时，U2仍按2 U2sinωt的规律上升，一旦当U2＞U C时，D1、D3导通，U2对C充电。

然后，U2又按2 U2sinωt的规律下降，当U2＜U C时，二极管均截止，故C又经R L放电。

同样，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。

这
样在U2的不断作用下，电容上的电压不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压U L= U C，使负载电压的纹波大为减小。

由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点：
a）R L C越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取 R L C≥(3～5)T/2 式中，T为交流电源电压的周期。

由上式可以解得 C =(3～5)T/2 R L≈400μF
b）R
L 越小输出电压越小。

若C值一定，当R L ∞，即空载时有U
LO
=2 U2
≈1.4 U2。

当C=0，即无电容时有U LO≈0.9 U2。

当整流电路的内阻不太大（几）和电阻RL电容C取值满足上式时，有U LO≈(1.1～1.2) U2
总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合
4.稳压电路
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。

因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。

为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

（1）简单稳压电源
稳压二极管组成的稳压电路如图（7）所示：
图（7）稳压二极管组成的稳压电路
稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的。

当输入电压变化时，输入电流将随之变化，稳压管中的电流也将随之同步变化，结果输出电压基本不变；当负载电阻变化时，输出电流将随之变化，但稳压管中的电流却随之作反向变化，结果仍是输出电压基本不变。

显然，稳压管反向击穿特性曲线越陡峭，稳压特性越好。

下面讨论R 的取值范围。

参见图（7），设为保证稳压作用的所需的流过稳压二极管的最小电流为I zmin ，为防止电流过大从而造成损坏所容许的流过稳压二极管的最大电流为I zmax ，即要求I zmin ＜Iz ＜I 2max 。

当U I 最大和R L 开路时，流过稳压二极管的电流最大，此时应有zmax z
max I I U U R -≥；当U I 最小（不小于U z ）和R L 最小（不允许短路）时，流过稳压二极管的电流最小，此时应有min L z zmin z min I /R U I U U R +-≤。

即 min
L z zmin z min I zmax z
max I /R U I U U R I U U +-≤≤- 一般来说，在稳压二极管安全工作的条件下，R 应尽可能小，从而使输出电流范围增大。

稳压管稳压电路的优点是电路简单，所用元器件少；但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。

（2）三端集成稳压器电路
集成稳压器与简单稳压电路相比其电路结构简单，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。

并且内部有过热保护、过流保护等保护电路，可以很安全的保护电路的正常工作。

图（8）时由LM317组成的基准电压源电路，电容C o 用于消除输出电压中的高频噪音，可取小于1μF 的电容。

输入端和调整端
之间的电压时非常稳定的电压，其值为1.25V 。

输出电流可达1.5A 。

图（8）由LM317组成的稳压电路
由于调整端的电流可忽略不计，输出电压为
Uo=(1+R2/R)×1.25V
为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C。

但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D2，提供一个放电回路，D1,D2起保护作用。

如图（9）所示：
图（9） LM317的外加保护电路
由于设计要求电压从零开始调起，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需要设计一个电压补偿电路来抵消LM317的1.25V最小输出电压，如图（10）所示，
电压补偿电路由R
3和二极管D组成，其输出电压U
o
=U-U D,其中，U为LM317的输出端
电压，U D为二极管D的正向压降。

U D即为补偿电压。

其值略大于LM317的基准电压（1.25V），这里用两只串联的硅材料整流二极管的导通压降来实现。

当调节R2减少,使U3达到与U D相等时,输出电压即为0V。

之后,当调节R2逐渐增大时, U0即由
0V 开始增大。

由于负载电流流过D ,故D 的最大工作电流应能适应负载电流的要求。

下图中输出电压的表达式为：
U o =(1+R2/R1)×1.25-1.4
由于LM317工作时必须大于其最小工作电流，所以一般R1小于240Ω,在此令
R1=100Ω，根据上式可以求出R2max≈1.5KΩ
图（10）输出电压可调的直流稳压电源电路原理图
直流稳压电源电路图
由以上分析可以得出整个可调直流稳压电路图如下：
图（11）输出电压可调（0～15）的直流稳压电源电路原理图。