直流稳压电源原理设计探析

　　直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中有着极其重要的作用，它的性能是否良好直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。本文通过分析稳压电源的原理，选择稳压电源的设计方案，构建直流电源的电路图并选择合适的元器件，最终设计一种输出电压可调的直流稳压电源。
　　 直流稳压电源定义
　　能为负载提供稳定直流电的电子装置叫直流稳压电源，由于电子技术的特性，要求电源电路能够对电子设备提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能，提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
　　 直流稳压电源的技术指标
　　直流稳压电源的主要技术指标有：输出额定电压、输出额定电流、输出电压范围、电压调整率、稳压系数Sr、输出电阻Ro和纹波系数等。
　　 输出额定电压及范围
　　220V交流输入电压的变化范围在198V～240V左右，稳压电源的输出电压不会受输入电压太大影响，在输入电压在范围内变化时，输出电压变化也就几毫伏。
　　 输出额定电流
　　输出额定电流是反映稳压源的一个重要指标，将稳压源、可变电阻、数字万用表电串联，用可变电阻来模拟
　　负载，调节电阻值使电流为设计的额定值，然后减小电阻值，电流会随之变
　　大，而输出电压变化很小，但当继续减小电阻到某一值时，输出电压开始急剧下降，这时的电流值便是最大输出电流。
　　 稳压系数Sr
　　稳压电源稳压系数Sr定义：当负载不变时，输出直流电压Uo的相对变化量与输入直流电压UI的相对变化量之比，Sr越小，稳压器稳压性能越好。
　　 电压调整率
　　一般情况下，电网电压的波动极限为±10%，在此条件(ΔUI/UI=±10%)下，衡量输出电压相对变化量ΔUO/UO，称为电压调整率。
　　 纹波系数
　　纹波系数是直流电压中的交流成分的峰峰值，由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。
输出电阻Ro
　　体现了稳压电源带负载的能力，定义为：当输入电压不变时，由于负载变化引起的输出端直流电压变化量与输出直流电流变化量之比，Ro越小，说明稳压电源带负载能力越强。
　　响应速度
　　直流稳压电源在额定工作情况下，当输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间,响应速度也是直流稳压电源的重要质量指标。

　　稳压电源的分类
　　直流稳压电源通常可分为化学电源、线性稳压电源和开关型稳压电源。
　　化学电源
　　干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于化学电源。
　　线性直流稳压电源
　　线性直流稳压电源指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。线性直流稳压电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。
　　开关型直流稳压电源
　　开关型直流稳压电源是利用控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它的电路形式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。它的优点是体积小，重量轻，稳定可靠;缺点相对于线性直流稳压电源，其纹波较大。
　　直流稳压电源设计
　　原理
　　线性直流稳压电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须再经过电压反馈调整输出电压，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关稳压电源具有的干扰与噪音。
　　元器件
　　电阻
　　电阻是所有电子电路中使用最多的元件,表示导体对电流阻碍作用的大小。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件,电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
　　电容
　　电容是一种静态电荷存储介质，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。
　　稳压二极管
　　稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。
　　变压器
　　变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。



　　设计分析
　　根据直流稳压电源原理，我们设计一种可调式直流稳压电源，输出的直流电压范围为：+4V~+9V，最大输出电流I=0.9A，输出电压变化量：<0.005V，稳压系数S<0.003。设计电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如图1所示，其组成部件的作用介绍如下。
　　整流滤波电路
　　滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑。
　　稳压电路
　　稳压电路的作用是当电网电压波动、负载温度变化时，能维持输出直流电压稳定。
　　设计方案
　　整流电路选择
　　1.单相全波整流电路
　　使用的整流期较半波整流多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一倍。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高，整流期间所承受的反向电压较高。
　　2.单相桥式整流电路
　　使用的整流期较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每期所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。
　　稳压电路选择
　　1.简单并联型稳压电源
　　并联型稳压电源的调整原件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能，负载短路时调整管截止，可靠性高，单效率底，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。
　　2.固定式三端稳压器
　　由固定式三端稳压器输出脚、输入脚和接地脚组成，LM317是可调电压稳压芯片，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。
　　设计电路
　　根据以上分析，设计电路如图2所示：电路中通过变压器将AC220V电压变压之后进入整流桥，将交流电变为直流电，经过C1滤波后的比较稳定的直流电送到三端稳压集成电路。
　　元器件选择
　　1.三端集成稳压电路选择LM317：Vin输入端提供工作电压后，可保持其+Vout输出端(2脚)比其ADJ调整端(1脚)的电压高1.25V。因此用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在+Vout端得到比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。在图2中，由于LM317的3脚与1脚之间电压为恒定值1.25V，可以看作是基准电压，所以由固定电阻R：(应小于240Ω)与电位器RP1组成的取样分压电路，可以用来调节输出电压，可按下式估算：U0=1.25V(1+RP1/R1)。调整端2的电流极小，所以流过R1和RP1的电流几乎相等，通过改变电位器R3的阻值就能改变输出电压U0，为保持输出电压的稳定性，要求流经R1的电流要小于5mA，这就限制了电阻R1的取值。此外，还应注意：LM317在不加散热器时的最大允许功耗为2W，在加200×200×3mm3散热板后，其最大允许功耗可达15W;
　　2.变压器选择功率为3W、电压为9V的变压器;
　　3.可调电位器选择220Ω，电阻R1选择470Ω和R2选择150Ω;
　　4.发光二极管的压降一般为1.5～2.0V，其工作电流一般为5mA～20 mA为宜。发光二极管在电路正常工作时起指示灯作用，当电路工作电流超出额定值时，发光二极管反向，起过流保护的作用。
　　结束语
　　经过对直流稳压电源的原理及分析设计，我们得出当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定;但是恒压源是不存在的，它只是一种理想状态，虽然输出电压可以基本保持稳定，但也不是一点都不变的，而且元器件的老化或是环境变化等都会导致负载的阻抗有一定变化。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位，随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，电子设备的供电电源要求也将会越来越高。