線性穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓電源設(shè)計摘要：直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設(shè)計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并穩(wěn)定輸出直流電壓。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電路；整流；濾波；穩(wěn)壓；正文：現(xiàn)有線性穩(wěn)壓電源綜述1．1原理采用線性穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓電源電路中的調(diào)整功率管工作在線性放大區(qū)。線性穩(wěn)壓電源的工作過程可簡述為：將220V、50HZ的工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)過線性變壓器降壓以后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個紋波電壓和穩(wěn)定性均能符合要求的直流電壓。可變電阻電源電壓U1：RL1負我

電壓電源電壓U1：RL1Uc如圖所示，可變電阻RW跟負載電阻RL組成一個分壓電路，輸出電壓為：Uo=UiXR/(R+R),因LWL此通過調(diào)節(jié)R的大小，即可改變輸出電壓的大小。請注意，在這個式子里，如果只看可調(diào)電阻R的值變化，Uo的輸出并不是線性的，但如果把R和R—起看，則是線性的。還要注意，這個W W L圖并沒有將R的引出端畫成連到左邊，而畫在右邊。雖然這從公式上看并沒有什么區(qū)別，但畫在W右邊，卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念 實際中的電源，絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的，使用前饋方法很少，或就是用了，也只是輔助方法而已。如果用一個三極管或者場效應(yīng)管，來代替圖中的可變阻器，并通過檢測輸出電壓的大小，來控制這個“變阻器”阻值的大小，使輸出電壓保持恒定，就實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。這個三極管或者場效應(yīng)管是用來調(diào)整電壓輸出大小的，所以叫做調(diào)整管。由于調(diào)整管相當于一個電阻，電流流過電阻時會發(fā)熱，所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會產(chǎn)生大量的熱，導致效率不高。這是線性穩(wěn)壓電源的一個最主要的一個缺點。1．2線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點優(yōu)點有如下幾點：電源穩(wěn)定度較高；輸出紋波電壓較??；瞬態(tài)響應(yīng)速度較快；線路結(jié)構(gòu)簡單，便于理解和維修；無高頻開關(guān)噪聲；成本低；工作可靠性較高。缺點有如下幾點：內(nèi)部功耗大，轉(zhuǎn)換效率低，一般只有45%左右；體積大，重量重，不便于微小型化；濾波效率低，必須具有較大的輸入和輸出濾波電容；輸入電壓動態(tài)范圍小，線性調(diào)整率低；輸出電壓不能高于輸入電壓。1．3造成線性穩(wěn)壓電源缺點的原因

首先，從原理圖可以看出，調(diào)整管V在電源的整個工作過程中一直是工作在晶體管特性曲線的線性放大區(qū)。調(diào)整管V本身的功耗與輸入電流成正比，調(diào)整管V集-射極的管壓降等于輸入與輸出電壓差。這樣一來調(diào)整管V本身的功耗不但隨電源輸出電流的增大而增大，而且還隨輸入與輸出電壓差的增大而增大，使調(diào)整管V的溫度急劇升高。為了保證調(diào)整管V能夠正常地工作，除選用功率大、耐壓高的管子外，還必須采取一些必要的散熱措施對管子進行冷卻，如加散熱器或軸流風機進行風冷等。其次，線性穩(wěn)壓電源電路中使用了50HZ工頻變壓器，我們通常把這種變壓器稱之為線性變壓器。這種線性變壓器的效率一般可以做到80~90%。這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率。然后，由于線性穩(wěn)壓電源電路的工作頻率較低，為50HZ,因此要降低輸出電壓中紋波電壓的峰-峰值，就必須增大濾波電容的容量。最后，由于線性穩(wěn)壓電源電路中的調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，只有在增大調(diào)整管集-射極管壓降的基礎(chǔ)上，才能實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。因此線性穩(wěn)壓器只有一般壓差和低壓差系列產(chǎn)品，而沒有升壓和極性反轉(zhuǎn)式系列產(chǎn)品。二.系統(tǒng)設(shè)計思路及模塊分析線性穩(wěn)壓電源的主要結(jié)構(gòu)如下圖所示整流電路濾波電路穩(wěn)壓蟲路整流電路濾波電路穩(wěn)壓蟲路圖1線性穩(wěn)壓電源主要結(jié)構(gòu)電子設(shè)備中都需要穩(wěn)定的直流電源。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。本設(shè)計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并穩(wěn)定輸出直流電壓。變壓器的作用變壓器的作用就是把交流電網(wǎng)供給的220v，50Hz交流電變換為合適的數(shù)值。變壓電路相對簡單，僅有一個單相變壓器，變壓器將市電轉(zhuǎn)化為電路能承擔的電壓。變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。理想變壓器滿足I/1二U/U二1/n1221

適合幅值的交流電壓適合幅值的交流電壓經(jīng)過變壓器后的波形（幅度變化）整流電路的作用整流電路是把經(jīng)過變壓后的交流電通過具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟ㄈ缍O管、晶閘管等），將正負交替的正弦交流電壓變換為單向的脈動直流電壓。但是，這種電壓直流幅值變化很大，包含有很多的脈動交流成分，還不能作為直流電源使用。對于高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源，其整流電路一般都選用橋式整流電路。整流電路常見的有單相橋式整流電路，單相半波整流電路，和單相全波整流電路。本次設(shè)計為橋式整流濾波電路，就是四個二極管兩兩并聯(lián)后接入輸出電壓分別把正負電壓整流在輸出時候獲得了正負輸出的兩次的整流電壓。經(jīng)過整流電路后的波形濾波電路的作用濾波電路：經(jīng)整流后的直流輸出電壓脈動性很大，不能直接使用。為了減少其交流成分，通常在整流電路后接有濾波電路。濾波電路的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波濾除掉，使其變成平滑的直流電。在小功率電路中常采用電容濾波電路，將濾波電容C直接并聯(lián)在負載RL兩端，就可組成電容濾波電路。由于電容的儲能作用,使得輸出直流電壓波形比較平滑，脈動成風降低，輸出直流電壓的平均值增大，采用電容濾波電路可以得到脈動性很小的直流電壓。穩(wěn)壓電路的作用穩(wěn)壓電路的作用是當外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能夠輸出直流電壓不受影響。從而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路的類型很多，通常采用集成穩(wěn)壓器。在小功率穩(wěn)壓電源中，經(jīng)常使用的是三端集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器的類型很多，按輸出電壓類型不同可以分為固定式和可調(diào)式，按輸出電壓極性不同可分為正電壓輸出和負電壓輸出兩種類型。經(jīng)過穩(wěn)壓電路后的波形：穩(wěn)壓電路濾波三：各部分模塊設(shè)計濾波三：各部分模塊設(shè)計穩(wěn)壓變壓器的選擇根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系nl：n2=ul：u2,如將220V的市電變?yōu)?2V的交流電。這樣可求得變壓器的匝數(shù)比為nl：n2=10:1,可以通過調(diào)節(jié)匝數(shù)比或者輸出端的接入阻抗來改變輸出壓值的大小為防止線路電路過大，在變壓器次級輸出加上保險絲。整流電路3.2.l半波整流電路單相半波整流電路如圖2所示，圖中T為電源變壓器，用來將市電220V交流電壓變換為整流電路所要求的交流低電壓，同時直流電源與市電電源有良好的隔離。V為整流二極管，設(shè)為理想二極管，R為要求直流供電的負載等效電阻。L+Ud-圖2-單相半波整流電路+Ud-圖2-單相半波整流電路設(shè)變壓器二次電壓為U二sinot。當U為正半周時，由圖2可知，二極管V因正偏22而導通，流過二極管的電流i同時流過負載電阻R，即i=i，負載電阻上的電壓DL0DU=U。當U~0,為負半周時，二極管因反偏而截止，i~0,因此，輸出電壓U~0,02200此時U全部加在二極管兩端，即二極管承受反向電壓U~U。因為該電路只在U的2D22正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。V=V=丄4'2vsin?td?t=-V=0.45V0L2兀 1 兀1 10理論計算其利用效率只有45%橋式整流電路橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。設(shè)計的電路圖為：數(shù)據(jù)分析為：輸出平均電壓TOC\o"1-5"\h\z1平L 2J2V=V=—j\2Vsin?tdet= V=0.9V\o"CurrentDocument"0L兀 2 兀2 20流過負載的平均電流為:r2.2v0.9V\o"CurrentDocument"I= 2= 2L兀R RLL流過二極管的平均電流為「Iv2V0.45V\o"CurrentDocument"I=L= 2= 2D2兀RRLL二極管所承受的最大反向電壓V =QVRmax 2比較：相比半波整理而言橋式整流電路具有更高的效率理論計算為90%而半波整流在一定的程度上浪費了較多的能源，其效率理論上只有45%。則我們選擇橋式整流電路3.3濾波電路：3．3.1電容濾波設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時接通電路，U為正半周，當U由零上升22時，V、V導通，C被充電，同時電流經(jīng)V、V向負載電阻供電。忽略二極管正向壓1 5 1 5

降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此U=U~U,在U達到最大值時,0C22U也達到最大值，如圖6中a點，然后U下降，此時，U>U，V、V截止，電容CC2C215向負載電阻R放電，由于放電時間常數(shù)t=RC一般較大，電容電壓U按指數(shù)規(guī)律緩LLC慢下降，當下降到圖7中b點后，|uJ>Uc，V>V導通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，o20D圖圖6-電容濾波電路當圖=時：Lo20D圖圖6-電容濾波電路當圖=時：L邁U；當R為有限值時,0；駅〈U<2U；通常取U=L 2 0 2 0XqU=01.2U，R越大U越大。2C0為獲得良好濾波效果，一般?。篟C±（3?5）-（T為輸入交流電壓的周期）。

L2采用電容濾波電路可以得到脈動性很小的直流電壓，但輸出電壓受負載變動的影響較大，其主要用于要求負載電流較小，負載基本不變的場合。3.3.2電感濾波電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點，把電感器與負載串聯(lián)起來，以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看，當電源提供的電流增大（由電源電壓增加引起）時,電感器L把能量存儲起來；而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感L有平波作用。優(yōu)點：整流二極管的導電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。缺點：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾,一般只適應(yīng)于低電壓、大電流的場合。

仿真效果圖：輸出電壓。由于電感濾波的二極管導通角不會減小，所以不會產(chǎn)生電容濾波所出現(xiàn)的浪涌現(xiàn)象綜合比較我們選擇使用電容濾波電路3.4穩(wěn)壓電路3.4.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管是一個特殊的面接觸型的半導體硅二極管，其V-A特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡~穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小，當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然猛增，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓的變化卻相當小，利于這一特性，穩(wěn)壓管訪問就在電路到起到穩(wěn)壓的作用了。而且，穩(wěn)壓管與其它普能二極管不同之反向擊穿是可逆性的，當去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復正常，但如果反向電流超過允許范圍，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。

3.圖；12-穩(wěn)壓二極官特性曲線有穩(wěn)壓二極管D和限流電阻R所組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡單的穩(wěn)壓電路。其具Z體圖如下：（1）設(shè)負載R不變，當電網(wǎng)中的電壓升高使輸入電壓增大時，輸出電壓U也隨之增大，則穩(wěn)壓管兩端的電壓也增大，根據(jù)穩(wěn)壓管的伏安特性曲線可知，穩(wěn)壓管兩端的電壓有微小增加時，會使穩(wěn)壓管兩端電流急劇增大。這會使R1兩端的電流急劇增大，使得R1兩端的電壓U1也急劇增加，最后保持了穩(wěn)壓管兩端電壓U基本不變。同理也可以分析得出，電網(wǎng)中電壓降低時，U基本保持不變。（2）設(shè)輸入電壓保持不變，當負載R變小，即負載電流I增大，則R1兩端的電流急劇增大，使得R1兩端的電壓U也急劇增加，使得U減小。而U的減小會使穩(wěn)壓管兩端的電壓減小，由穩(wěn)壓管的伏安特性可以知道穩(wěn)壓管電流會急劇減小，從而導致R1兩端的電流急劇減小，使得R1兩端的電壓UR也急劇減小，最終兩者調(diào)節(jié)使輸出電壓U基本不變。同理可知，當負載R增大時，U也可以保持不變。通過以上分析我們可以知道，當外界條件改變時，穩(wěn)壓電路能夠很好的保證輸出電壓不變。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，但是不能滿足很多場合下的應(yīng)用。集成穩(wěn)壓芯片不同集成穩(wěn)壓電路的比較三端固定集成穩(wěn)壓器在使用時，首先要根據(jù)輸出電壓的正、負選擇7800系列或7900系列。7800系列是正穩(wěn)壓器，7900系列是負穩(wěn)壓器，它們的輸出電壓分別是+5V?+24V和-5V?-24V。輸出電流有0.1A、0.5A和1.5A。以W7800三端穩(wěn)壓器為例：W7800為固定式穩(wěn)壓電路，其輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等檔級。最后兩位數(shù)表示輸出電壓值。三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流有大、中、小之分，并分別有不同符號表示。輸出為小電流，代號“L”。例如，78LXX，最大輸出電流為0.1A。輸出為中電流，代號“M”。例如，78MXX，最大輸出電流為0.5A。輸出為大電流，代號“S”。例如，78SXX，最大輸出電流為2A。例如：W7805，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為1.5A；W78M05，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.5A；W78L05，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.1A。.固定輸出的三端集成穩(wěn)壓器：固定輸出的三端集成穩(wěn)壓器的三端指輸入端、輸出端及公共端三個引出端，其外形及符號如圖所示。固定輸出的三端集成穩(wěn)壓器W78XX系列和W79XX系列各有七個品種，輸出電壓分別為±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V；最大輸出電流可達1.5A；公共端的靜態(tài)電流為8mA。型號后兩位數(shù)字為輸出電壓值。在根據(jù)穩(wěn)定電壓值選擇穩(wěn)壓器的型號時，要求經(jīng)整流濾波后的電壓要高于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓2?3V（輸出負電壓時要低2?3V）,但不宜過大。引腳根部相連可調(diào)式三端穩(wěn)壓器W117、W217、W317是一類可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，在工作時需要輸入端和輸出端的電壓差在3~14V之間，否則不能保證穩(wěn)壓管的工作在放大區(qū)。與W7800系列產(chǎn)品一樣，W117、W217M和W317L的最大輸出電流分別為1.5A、0.5A、0.1A。W117、W217M和W317L具有相同的引出端、相同的基準電壓和相似的內(nèi)部電路。對于特定的穩(wěn)壓器，基準電壓URE是1.2V?1.3V中的某一個值，典型值為1.25V；W117、W217M和W317L的輸出端和輸入端電壓之差為3?40V，過低時不能保證調(diào)整管工作在放大區(qū)，從而使穩(wěn)壓電路不能穩(wěn)壓；過高時調(diào)整管可能因管壓降］過大而擊穿；外接取樣電阻不可少，根據(jù)最小輸出電流IOmin可以求出R1的最大值；調(diào)整端電流很小，且變化也很?。慌cW7800系列產(chǎn)品一樣，W117、W217M和W317L在電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化時，輸出電壓非常穩(wěn)定。

圖15-W117的典型應(yīng)用圖中輸出的電壓U=(1+R/R)*1.25。O12兩種電路進行比較穩(wěn)壓型穩(wěn)壓管型直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計比較簡單，穩(wěn)壓管中不需要在額外加入輸入信號，其效率比較高，但輸出的直流電壓在起始段有一段時間的延遲，而且直流電壓幅值