直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、概述

在電子線路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，本章所介紹的電源是將頻率為50Hz，有效值為220V的交流電轉(zhuǎn)換為有效值和輸出電流較小的直流電。單相交流電轉(zhuǎn)化為直流電一般分為四步，即變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四部分，如下圖所示：

電源變壓器 ：將幅值較大的交流電轉(zhuǎn)換為幅值較小的交流電；

整流電路 ：將正弦交流電轉(zhuǎn)換為正半軸的脈動(dòng)信號(hào)；

濾波電路 ：將整流后的信號(hào)再一次穩(wěn)定，減小其波動(dòng)；

穩(wěn)壓電路： 將濾波后的信號(hào)徹底穩(wěn)定，變?yōu)椴▌?dòng)微乎其微的直流信號(hào)

2、整流電路

（1）半波整流電路

（2）橋式整流電路

3、濾波電路

（1）電容濾波電路

電容濾波是最常見(jiàn)的，也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，由于濾波電路容量較大，因而一般采用電解電容，所以在接線時(shí)要注意電解電容的正負(fù)極。電容濾波的電路和波形如下圖所示：

（2）倍壓整流電路

利用濾波電路的存儲(chǔ)作用，由多個(gè)電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓，稱(chēng)為倍壓整流電路，常見(jiàn)的倍壓整流電路如下圖所示：

（3）其他形式的濾波電路

電感濾波 ：在大電流負(fù)載情況下，由于負(fù)載電阻很小，若采用電容濾波，則電容容量勢(shì)必很大，而且整流二極管的沖擊電流也非常大，這種情況下應(yīng)采用電感濾波，一般采用有鐵芯的線圈。電路如下圖所示：

4、穩(wěn)壓電路

（1）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管工作在反向截止區(qū)，利用二極管的反向截止特性工作，但是為了防止電流過(guò)大使二極管度過(guò)反向截止區(qū)達(dá)到反向擊穿區(qū)，通常在回路中經(jīng)常串聯(lián)限流電阻來(lái)保護(hù)穩(wěn)壓二極管。

（2）串聯(lián)穩(wěn)壓電路

（3）三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用

常見(jiàn)的正輸出三端穩(wěn)壓器有LM78XX系列，其中XX代表輸出的電壓，輸出電壓一般有5V，6V，9V，12V，15V，18V等幾個(gè)檔次。

常見(jiàn)的負(fù)輸出三端穩(wěn)壓器有LM79XX系列，其中XX代表輸出的電壓。

常見(jiàn)的三端可調(diào)穩(wěn)壓器有LM117，LM317等芯片，輸出電壓一般在1.25V至30V左右。

（4）開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路

之前所接觸的直流穩(wěn)壓電源一般都是遵循變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四個(gè)階段將交流電變?yōu)橹绷麟?，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種節(jié)省變壓器損耗的電源結(jié)構(gòu)，即開(kāi)關(guān)電源，這種電源一般是將市電的220V直接整流，然后通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)來(lái)控制輸出的電壓，這種電源內(nèi)部會(huì)有一個(gè)開(kāi)關(guān)芯片，通過(guò)這個(gè)芯片進(jìn)行PWM控制開(kāi)關(guān)管，來(lái)控制電壓的輸出。

按調(diào)整管與負(fù)載的連接方式可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型；按穩(wěn)壓的控制方式分可以分為脈沖寬度調(diào)制型（PWM），脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制（脈寬—頻率調(diào)制）型。

例題分析：設(shè)計(jì)一款輸出范圍在1.25~20V可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，并寫(xiě)出設(shè)計(jì)過(guò)程。

解：基本直流穩(wěn)壓電源分為3個(gè)部分

（1）變壓：一般采用變壓器將220V交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為24V的交流信號(hào)（因?yàn)轭}目需要設(shè)計(jì)電源最大輸出24V）

（2）整流：利用二極管的單向?qū)щ娞匦载?fù)責(zé)將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)

（3）濾波：利用電容兩端電壓不能突變的原理將整流得到的脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為較為平緩的尖峰脈沖

（4）穩(wěn)壓：利用穩(wěn)壓器件將尖峰脈沖轉(zhuǎn)換為無(wú)限接近直流信號(hào)的電壓輸出

具體電路如下圖所示：

電源輸入：保險(xiǎn)絲F1，壓敏電阻R3和CBB電容器C3組成了電源輸入電路

變壓電路：變壓器T1組成變壓電路，將220V交流電壓變?yōu)?4V交流電壓

整流電路：二極管D1，D2，D4，D5構(gòu)成全橋整流電路，負(fù)責(zé)將24V交流信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)

濾波電路：電容C1，C4，C2組成電路的濾波部分，用于穩(wěn)定電壓波形

調(diào)壓電路：調(diào)壓電路由U1，D3，R1，R4，D6組成，其中D3屬于續(xù)流電路，當(dāng)U1的第3管腳斷電之后，將C2電容和C4電容的殘存電荷通過(guò)D3釋放，防止損壞器件。由于要求輸出電壓最高能達(dá)到20V，所以輸入端的電壓至少要大于20V才可以。

注：壓敏電阻：屬于電壓敏感元件，當(dāng)兩端的電壓在額定范圍之內(nèi)時(shí)，壓敏電阻的阻值處于無(wú)窮大，即開(kāi)路狀態(tài)，一旦兩端電壓超過(guò)額定范圍，壓敏電阻的阻值會(huì)立即降到很小，配合保險(xiǎn)絲熔斷交流電壓的輸入。

CBB電容：又稱(chēng)為聚丙烯電容器，能抗高電壓、大電流沖擊，具有損耗小，電性能優(yōu)良，可靠性高和自愈性能。