线性直流稳压电源的设计 (1)

线性直流稳压电源的设计

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关键词：变压；整流；滤波；稳压

一、引言

电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将50Hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电；整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是当输入交流电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

二、线性直流稳压电源的组成方框图及各部分的工作波形图

图1直流稳压电源的组成方框图及各部分的工作波形图

三、设计方案及各部分电路及元器件的选择

（一）变压器的选择

通常根据变压器二次输出的功率选择变压器。变压器二次有效值2U 应根据1U 来确定。2U 与1U 的关系为

MIN U ≤1.22U ≤MAX U

在此范围内，2U 越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大，一般取二次电压有效值2U 为

2U ≥MIN U /1.2

这样可求得变压器的匝数比为

N=1N /1N =220/2U

加滤波电容器后，变压器二次电流已不再是正弦波，而且对电容充电时的瞬时电流较大，因此二次电流有效值一般按下式计算：

2I =(1.1～3) 0I

（二）整流电路的设计

整流电路是利用是二极管的单向导电性，将交流电压变成单向的脉动直流电压，有半波整流和桥式整流，目前广泛采用整流桥构成桥式整流电路。

1、半波整流电路

单相半波整流电路如图2所示，图中T 为电源变压器，用来将市电220V 交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时直流电源与市电电源有良好的隔离。V 为整流二极管，设为理想二极管，L R 为要求直流供电的负载等效电阻。

图2单相半波整流电路

设变压器二次电压为2U = 22U sin ωt 。当2U 为正半周时，由图2可知，二

极管V 因正偏而导通，流过二极管的电流D i 同时流过负载电阻L R ，即0i =D i ，负载电阻上的电压0U =2U 。当2U ≈0，为负半周时，二极管因反偏而截止，0i ≈0，因此，输出电压0U ≈0，此时2U 全部加在二极管两端，即二极管承受反向电压D U ≈2U 。因为该电路只在2U 的正半周有输出，所以称为半波整流电路。

2、桥式整流电路

图3为桥式整流电路图，图中1V ～4V 四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。

图 3桥式整流电路图 图4桥式整流电路电压、电流波形图

设变压器二次电压为2U = 22U sin ωt 。波形图如图4所示。当2U 为正半周时，即a 点为正，b 点为负时，1V 、3V 承受正向电压而导通，此时有电流流过L R ，电流路径为

a 1V L R 3V

b ，此时2V 、4V 因反偏而截止，负载L R 上得到一个半波电压，如图4中的0～π段所示。若略去二极管的正向压降，则0U ≈2U 。

在2U 为负半周时，即a 点为负，b 点为正时，2V 、4V 正偏而导通，1V 、3V 因反偏而截止，此时有电流流过L R ，电流路径为b → 2V → L R → 4V → a 。这时L R 上得到一个与0～π段相同的半波电压如图4中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，则0U ≈-2U 。

由此可见，在交流电压2U 的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻L R ，故L R 上得到单方向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为0U =2×0.452U =0.92U 。

桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即D I =21O I =21L

O U U =0.45L R U 2 。 在2U 的正半周，1V 、3V 导通时，可将它们看成短路，这样2V 、4V 就并联在2U 上，其承受的反向峰值电压为RM U =22U 。

同理，2V 、4V 导通时，1V 、3V 截止，其承受的反向峰值电压也为RM U =22U 。

二极管承受电压的波形如电压、电流波形图4所示。

由以上分析可知，桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压0U 提高，脉动成分减小了。

3、整流桥的制作及各引脚作用

将桥式整流电路的四只二极管制作在一起，封装成为一个器件就称为整流桥，其外形如图5所示。a 、b 端接交流输入电压，c 、d 为直流输出端，c 为正极性端、d 为负极性端。

图5整流桥外形图

4、整流电路部分的选择

该设计整流电路部分我选择了桥式整流电路。

（三）滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去

交流成分。滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。

1、电容滤波电路及工作原理

设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，2U 为正半周，当2U 由零上升时，1V 、5V 导 通，C 被充电，同时电流经1V 、5V 向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此0U =C U ≈2U ，在2U 达到最大值时，C U 也达到最大值，如图6中a 点，然后2U 下降，此时，C U >2U ，1V 、5V 截止，电容C 向负载电阻L R 放电，由于放电时间常数τ=L R C 一般较大，电容电压C U 按指数规律缓慢下降，当下降到图7中b 点后，2U >C U ，2V 、4V 导通，电容C 再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。

图 6 电容滤波电路图 图7电容滤波电路波形图

当L R = ∞ 时：0U =22U ；当L R 为有限值时,0.92U <0U <22U ；通常取0U = 1.22U ，C R 越大0U 越大。

为获得良好滤波效果，一般取：L R C ≥(3～5)

2

T (T 为输入交流电压的周期)。

2、电感滤波电路

电路如图8所示，电感L 起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。直流分量被电感 L 短路，交流分量主要降在L 上，电感越大，滤波效果越好。一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。