線性直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案詳解

　　線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下時(shí)的直流穩(wěn)壓電源，它是一種電源變換電路，也是電子系統(tǒng)的重要組成部分，其功能主要是為電子電路提供它所需要的電能。電子設(shè)備通常需要電壓穩(wěn)定的直流電源對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。線性穩(wěn)壓電源被廣泛的應(yīng)用于電子電路中，雖然各種新型的穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)層出不窮，但線性穩(wěn)壓電源卻始終是無(wú)法代替的。

　　一、線性直流穩(wěn)壓電源的工作原理

　　1、普通電源的工作原理

　　現(xiàn)在隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也變得越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也在逐漸的不斷更新、不斷增多，電子設(shè)備與人們?nèi)粘５墓ぷ鳌⑸畹年P(guān)系也是日益密切。任何的電子設(shè)備都離不開(kāi)安全有效的電源，電源是一切電力電子設(shè)備的動(dòng)力源，因此它被形象地稱之為“電路的心臟”?，F(xiàn)在的生活中，各種高科技產(chǎn)品對(duì)電源的技術(shù)性能指標(biāo)的要求更是越來(lái)越高。

　　電源通?？梢苑譃榻涣麟娫春椭绷麟娫矗侨魏坞娮釉O(shè)備都不可缺少的組成部分。直流電源又可分為兩類［8］，即：一類是能直接供給直流電流或電壓的，如電池、蓄電池、太陽(yáng)能電池、硅光電池、生物電池等，；另一類是能將交流電變換成所需要的穩(wěn)定的直流電流或電壓的，這類變換電路統(tǒng)稱為直流穩(wěn)壓電源。

　　現(xiàn)代電子設(shè)備的電路中使用了大量的半導(dǎo)體器件，這些半導(dǎo)體一般需要幾伏到幾十伏的直流供電電源，以便于得到其正常工作時(shí)所必需的能源?，F(xiàn)代電子設(shè)備中使用的直流穩(wěn)壓電源主要分為兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)性穩(wěn)壓電源。

　　線性穩(wěn)壓電源亦稱為直流線性穩(wěn)壓電源，它的穩(wěn)壓性能很好，而且輸出紋波很小，其缺點(diǎn)是需要使用體積和重量都比較大的工頻變壓器，而且穩(wěn)定效率也比較低。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源按照不同分類方式可以分成多種類型。按照其輸出是否調(diào)整元（開(kāi)關(guān)元件）等構(gòu)成的其他部分隔離，這種隔離可以分為非隔離型和隔離型兩類；按照開(kāi)關(guān)元件的激勵(lì)方式，又可以將其分成自激勵(lì)和他激勵(lì)兩種類型；而按照電源的輸入，又可分為AC/DC和DC/DC兩種類型；按照開(kāi)關(guān)元件的連接形式，可分成串聯(lián)型和并列型兩種類型。它的優(yōu)點(diǎn)是效率高，體積小，重量輕，但卻存在著線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修技術(shù)難度大等的一系列的缺點(diǎn)。

　　開(kāi)關(guān)電源和線性電源的成本都隨著其輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者的增長(zhǎng)速率各異。一般，當(dāng)輸出功率較小時(shí)，線性電源的成本相對(duì)較低。但是，當(dāng)線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上時(shí)，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。

　　直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向：智能化 、數(shù)字化、模塊化、綠色化［11］。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的誕生也為21世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

　　線性直流穩(wěn)壓電源的工作原理

　　線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是一種電源變換電路，是電子系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是為電子電路提供它所需要的電能。

　　當(dāng)接入220V/50Hz的市電后，先經(jīng)過(guò)變壓器，將220V的交流高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓輸出到整流橋，經(jīng)過(guò)整流橋的整流作用輸出脈動(dòng)較大的直流電，接入到濾波電路中，再利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓不能突變的特性， 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，最后得到平滑的輸出電壓。

　　線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)指標(biāo)

　?。?） 電網(wǎng)調(diào)整率

　　它表示輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化±10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量，有時(shí)也以絕對(duì)值表示。一般穩(wěn)壓電源的電網(wǎng)調(diào)整率等于或小于1%、0.1%，甚至0.01%。

　?。?） 穩(wěn)壓系數(shù)

　　穩(wěn)壓系數(shù)有絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時(shí)，

　?。?） 紋波電壓

　　1）最大紋波電壓

　　在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對(duì)值大小，通常以峰—峰值或有效值表示。

　　2）紋波系數(shù)γ

　　二、電路的設(shè)計(jì)

　　1、直流穩(wěn)壓電源的總體方框圖

　　2、穩(wěn)壓電源模塊電路的設(shè)計(jì)

　　2.1、電源變壓器

　　電源變壓器是一個(gè)降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V/Hz的交流電壓變換成符合需要的低交流電壓，并送給整流電路。變壓器的變壓比是初級(jí)電壓與次級(jí)電壓的比值，由變壓器的副邊輸出來(lái)電壓確定。

　　變壓器的主要參數(shù)有：

　?、僮儔罕龋鹤儔浩鞯淖儔罕仁浅跫?jí)電壓與次級(jí)電壓的比值。

　?、陬~定功率：是變壓器在指定頻率和電壓下能連續(xù)工作而不超過(guò)規(guī)定溫升的輸出功率。

　　③效率：是輸出功率與輸入功率之比，它反映了變壓器的自身?yè)p耗。 ④空載電流：變壓器在工作電壓下次級(jí)空載時(shí)（次級(jí)電流為零），初級(jí)線圈流過(guò)的電流稱為空載電流?？蛰d電流大的變壓器損耗大、效率低。

　?、萁^緣電阻和抗電強(qiáng)度：絕緣電阻是指變壓器線圈之間、線圈與鐵心之間及引線之間的電阻。抗電強(qiáng)度是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)變壓器可承受的電壓，它是變壓器特別是電源變壓器安全工作的重要參數(shù)。

　　電源變壓器Tr的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的

　　2.2、整流電路

　　整流電路將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。常用的整流濾波電路有單相半波整流濾波、橋式整流濾波等。

　　半波整流：利用了二極管的單向?qū)щ娦?，只輸出交流成分中的正電壓部分，電路非常的?jiǎn)單易行，所用的二極管的數(shù)量也很少。但是，由于它利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出電壓較低，交流分量大，效率低。故這種電路僅僅適用于整流電流較小，對(duì)脈動(dòng)要求也不是很高的場(chǎng)所。

　　單相橋式整流電路：由四個(gè)二極管組成，其構(gòu)成原則就是，保證在變壓器副邊電壓的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流的方向始終不發(fā)生變化。它實(shí)現(xiàn)了全波整流電路，將副邊輸出電壓的負(fù)半周期也充分利用了起來(lái)，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電壓平均值是半波整流電路的兩倍。

　　因此，綜合考慮，本電路設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。

　　當(dāng)變壓器“1”端為正、“2”端為負(fù)時(shí)，二極管VD2和VD4承受正向電壓而導(dǎo)通，VD1和VD3承受反向電壓而截止。此時(shí)，變壓器“1”端通過(guò)VD4流經(jīng)RL，再經(jīng)過(guò)VD2返回至“2”端。當(dāng)“1”端為負(fù)、“2”端為正時(shí)，二極管VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流則由“2”端通過(guò)VD3流經(jīng)RL，再經(jīng)過(guò)VD1返回至“1”端。

　　2.3、濾波電路

　　濾波電路可以濾除整流電路輸出電壓中的大部分的交流成分，既而得到比較平滑的直流電壓。本電路為滿足其要求而選用電容濾波電路。各個(gè)濾波電容C均需滿足2/）5~3（*TCRL=，其中T為輸入交流信號(hào)的周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。

　　2.4、穩(wěn)壓電路

　　穩(wěn)壓電路的功能是用以確保其輸出的直流電壓是穩(wěn)定的，不隨著交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而發(fā)生變化。它利用調(diào)節(jié)流過(guò)穩(wěn)壓管自身的電流大小來(lái)滿足負(fù)載電流的改變，并與限流電阻配合將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器和可調(diào)式三端穩(wěn)壓器兩種。本電路要求輸出±5V/1A，±12V /1A和±15V/1A。故選用固定式三端穩(wěn)壓器LM7805CT，LM7905CT，LM7812CT，LM7912CT和LM7815CT，LM7915CT，電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)的電路外接元件只需一個(gè)固定電阻和一只電位器即可，工作穩(wěn)定，其芯片內(nèi)有過(guò)渡、過(guò)熱和安全工作區(qū)保護(hù)，最大輸出電流也滿足要求。

　　3、電路參數(shù)計(jì)算

　?。?）確定電源變壓器副邊電壓、電流及功率。

　　輸出電流小于0.5A，輸出電壓小于12V，由上分析，可選購(gòu)副邊電壓為16V，功率為8W的變壓器。

　　選整流二極管及濾波電容。

　?。?）因電路形式為橋式整流電容濾波，通過(guò)每個(gè)整流二極管的反峰電壓和工作電流求出濾波電容值。

　?。?）電阻的選擇

　　直流穩(wěn)壓電源是做電子實(shí)驗(yàn)的必備儀器。電子電路要能完成所具備的功能，都必須有直流電源為其提供能量。直流穩(wěn)壓電源為電子電路提供電壓連續(xù)可調(diào)的直流電壓，同時(shí)還應(yīng)具備電壓電流顯示、報(bào)警、過(guò)流保護(hù)等功能。還具有較多其它功能，例如：可用于各種老化的電子設(shè)備的維修，如老化的PCB板、家電、各類IT產(chǎn)品、CCFL、燈管等；適用于需要自動(dòng)定時(shí)通、斷電，自動(dòng)記周期數(shù)的電子老化元件的測(cè)試；電解電容器脈沖老練；電阻器，繼電器，馬達(dá)等測(cè)試?yán)暇?；整機(jī)老練；電子元器件性能測(cè)試，例行試驗(yàn)。直流穩(wěn)壓電源還可以廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、大專院校、實(shí)驗(yàn)室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、直流電機(jī)、充電設(shè)備等。

　　另外，線性直流穩(wěn)壓電源可用于手機(jī)和電腦的維修。在電腦的維修中，5V和12V的直接輸出是非?？煽康模烧{(diào)輸出在連接電路之前是一定要把電壓看好的，能不能工作不是重中之重，如果電壓太高了就會(huì)把電路燒掉了，那就不好了，而且還可能引發(fā)一系列的安全問(wèn)題。而在手機(jī)的維修的過(guò)程中，因?yàn)樵谑謾C(jī)開(kāi)機(jī)故障的判斷中，需要看開(kāi)機(jī)電流的變化，所以最大用個(gè)1A的電流表就足夠了。