线性稳压电源设计1线性稳压电源设计摘要：直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流器把交流电变为直流电，经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将 220V 交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出直流电压。关键词：直流稳压电路；整流；滤波；稳压；正文：现有线性稳压电源综述11 原理采用线性稳压电源的稳压电源电路中的调整功率管工作在线性放大区。线性稳压电源的工作过程可简述为：将 220V、50HZ 的工频电网电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性均能符合要求的直流电压。如图所示，可变电阻 RW 跟负载电阻 RL 组成一个分压电路，输出电压为：Uo=UiR L/(RW+RL)，因此通过调节 RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果只看可调电阻 RW的值变化，Uo 的输出并不是线性的，但如果把 RW和 RL一起看，则是线性的。还要注意，这个图并没有将 RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念-实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，或就是用了，也只是辅助方法而已。如果用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。12 线性稳压电源的优缺点优点有如下几点：电源稳定度较高；输出纹波电压较小；瞬态响应速度较快；线路结构简单，便于理解和维修；无高频开关噪声；成本低；工作可靠性较高。缺点有如下几点：内部功耗大，转换效率低，一般只有 45%左右；体积大，重量重，不便于微小型化；滤波效率低，必须具有较大的输入和输出滤波电容；输入电压动态范围小，线性调整率低；输出电压不能高于输入电压。13 造成线性稳压电源缺点的原因线性稳压电源设计2首先，从原理图可以看出，调整管 V 在电源的整个工作过程中一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区。调整管 V 本身的功耗与输入电流成正比，调整管 V 集-射极的管压降等于输入与输出电压差。这样一来调整管 V 本身的功耗不但随电源输出电流的增大而增大，而且还随输入与输出电压差的增大而增大，使调整管 V 的温度急剧升高。为了保证调整管 V 能够正常地工作，除选用功率大、耐压高的管子外，还必须采取一些必要的散热措施对管子进行冷却，如加散热器或轴流风机进行风冷等。其次，线性稳压电源电路中使用了 50HZ 工频变压器，我们通常把这种变压器称之为线性变压器。这种线性变压器的效率一般可以做到 8090%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。然后，由于线性稳压电源电路的工作频率较低，为 50HZ，因此要降低输出电压中纹波电压的峰-峰值，就必须增大滤波电容的容量。最后，由于线性稳压电源电路中的调整管工作在线性放大区，只有在增大调整管集-射极管压降的基础上，才能实现稳压的目的。因此线性稳压器只有一般压差和低压差系列产品，而没有升压和极性反转式系列产品。二.系统设计思路及模块分析线性稳压电源的主要结构如下图所示：图 1 线性稳压电源主要结构电子设备中都需要稳定的直流电源。直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。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。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将 220V 交流电，变为稳定的直流电，并稳定输出直流电压。2.2变压器的作用变压器的作用就是把交流电网供给的 220v，50Hz 交流电变换为合适的数值。变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将市电转化为电路能承担的电压。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流） 。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器的基本原理是电磁感应原理。理想变压器满足 121/IUn线性稳压电源设计3经过变压器后的波形（幅度变化） 2.3整流电路的作用 整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流元件（如二极管、晶闸管等），将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是，这种电压直流幅值变化很大，包含有很多的脉动交流成分，还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源，其整流电路一般都选用桥式整流电路。整流电路常见的有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，和单相全波整流电路。本次设计为桥式整流滤波电路，就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。经过整流电路后的波形2.4滤波电路的作用 滤波电路：经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容 C 直接并联在负载 RL 两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成风降低，输出直流电压的平均值增大，采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压。220V变压器适合幅值的交流电压整流电路单向脉动电压适合幅值的交流电压单向脉冲电压滤波电路滤波线性稳压电源设计4经过滤波电路后的波形2.5稳压电路的作用稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能够输出直流电压不受影响。从而维持稳定的输出。稳压电路的类型很多，通常采用集成稳压器。在小功率稳压电源中，经常使用的是三端集成稳压器。集成稳压器的类型很多，按输出电压类型不同可以分为固定式和可调式，按输出电压极性不同可分为正电压输出和负电压输出两种类型。经过稳压电路后的波形：三：各部分模块设计3.1变压器的选择根据输入输出电压的关系 n1：n2=u1：u2,如将 220V 的市电变为 22V 的交流电。这样可求得变压器的匝数比为 n1：n2=10:1，可以通过调节匝数比或者输出端的接入阻抗来改变输出压值的大小为防止线路电路过大，在变压器次级输出加上保险丝。3.2整流电路3.2.1 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， 为要求直流供电的负载等效电阻。LR图 2-单相半波整流电路设变压器二次电压为 。当 为正半周时，由图 2 可知，二极管 V 因正2 Usint2偏而导通，流过二极管的电流 同时流过负载电阻 ，即 = ，负载电阻上的电压DLR0iD= 。当 0，为负半周时，二极管因反偏而截止， 0，因此，输出电压0U22滤波 稳压稳压电路图 3-半波整流效果图线性稳压电源设计50，此时 全部加在二极管两端，即二极管承受反向电压 。因为该电路0U2 DU2只在 的正半周有输出，所以称为半波整流电路。2011102sin0.45LVVtdV理论计算其利用效率只有 45%3.2.2 桥式整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。设计的电路图为：数据分析为：输出平均电压 022201sin0.9LVVtdV流过负载的平均电流为: 22.9LLIR流过二极管的平均电流为 220.45LDLIV二极管所承受的最大反向电压 max2R比较：相比半波整理而言桥式整流电路具有更高的效率理论计算为 90%而半波整流在一定的程度上浪费了较多的能源，其效率理论上只有 45%。则我们选择桥式整流电路3.3滤波电路：图 4-半波整流原理图图-桥式整流电路原理图图 4-整流效果图线性稳压电源设计633.1 电容滤波设电容两端初始电压为零，并假定 t=0 时接通电路， 为正半周，当 由零上升2U2时， 、 导 通，C 被充电，同时电流经 、 向负载电阻供电。忽略二极管正向压1V5 1V5降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此 = ，在 达到最大值0C22时， 也达到最大值，如图 6 中 a 点，然后 下降，此时， ， 、 截止，CU2UU1V5电容 C 向负载电阻 放电，由于放电时间常数 = C 一般较大，电容电压 按指数LRLRC规律缓慢下降，当下降到图 7 中 b 点后， ， 、 导通，电容 C 再次被充电，22V4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。当 = 时： = ；当 为有限值时,0.9 ；通常取 = LR0U2LR2U020U1.2 ， 越大 越大。2UC为获得良好滤波效果，一般取： C(35) (T 为输入交流电压的周期)。L2采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载基本不变的场合。3.3.2电感滤波电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用。优点：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。图 6-电容滤波电路图图 7-电容滤波电路波形线性稳压电源设计7缺点：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。仿真效果图：电感上产生的感声电动势总是阻碍回路电流变化，电感滤波输出电压平均值近似等于整流电路输出电压。由于电感滤波的二极管导通角不会减小，所以不会产生电容滤波所出现的浪涌现象综合比较我们选择使用电容滤波电路3.4稳压电路3.4.1 稳压管稳压电路稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其 V-A 特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。图 12-稳压二极管特性曲线图图 10-电容滤波效果图 图 11-电感滤波效果图图 8-电感滤波原理图图 9-电感滤波仿真效果图线性稳压电源设计8有稳压二极管 和限流电阻 R 所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。其具ZD体图如下：（1）设负载 RL不变，当电网中的电压升高使输入电压增大时，输出电压 UO也随之增大，则稳压管两端的电压也增大，根据稳