直流穩壓電源的設計

1、概述

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

電源變壓器 ：將幅值較大的交流電轉換為幅值較小的交流電；

整流電路 ：將正弦交流電轉換為正半軸的脈動信號；

濾波電路 ：將整流后的信號再一次穩定，減小其波動；

穩壓電路： 將濾波后的信號徹底穩定，變為波動微乎其微的直流信號

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

電容濾波是最常見的，也是最簡單的濾波電路，由于濾波電路容量較大，因而一般采用電解電容，所以在接線時要注意電解電容的正負極。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作用，由多個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，稱為倍壓整流電路，常見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 ：在大電流負載情況下，由于負載電阻很小，若采用電容濾波，則電容容量勢必很大，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、穩壓電路

（1）穩壓管穩壓電路

穩壓二極管工作在反向截止區，利用二極管的反向截止特性工作，但是為了防止電流過大使二極管度過反向截止區達到反向擊穿區，通常在回路中經常串聯限流電阻來保護穩壓二極管。

（2）串聯穩壓電路

（3）三端穩壓器的應用

常見的正輸出三端穩壓器有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等幾個檔次。

常見的負輸出三端穩壓器有LM79XX系列，其中XX代表輸出的電壓。

常見的三端可調穩壓器有LM117，LM317等芯片，輸出電壓一般在1.25V至30V左右。

（4）開關型穩壓電路

之前所接觸的直流穩壓電源一般都是遵循變壓，整流，濾波，穩壓四個階段將交流電變為直流電，隨著電子技術的發展，出現了一種節省變壓器損耗的電源結構，即開關電源，這種電源一般是將市電的220V直接整流，然后通過PWM調制技術來控制輸出的電壓，這種電源內部會有一個開關芯片，通過這個芯片進行PWM控制開關管，來控制電壓的輸出。

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

例題分析：設計一款輸出范圍在1.25~20V可調的直流穩壓電源，并寫出設計過程。

解：基本直流穩壓電源分為3個部分

（1）變壓：一般采用變壓器將220V交流信號轉換為24V的交流信號（因為題目需要設計電源最大輸出24V）

（2）整流：利用二極管的單向導電特性負責將交流信號轉換為直流信號

（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信號轉換為較為平緩的尖峰脈沖

（4）穩壓：利用穩壓器件將尖峰脈沖轉換為無限接近直流信號的電壓輸出

具體電路如下圖所示：

電源輸入：保險絲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交流電壓變為24V交流電壓

整流電路：二極管D1，D2，D4，D5構成全橋整流電路，負責將24V交流信號轉為直流信號

濾波電路：電容C1，C4，C2組成電路的濾波部分，用于穩定電壓波形

調壓電路：調壓電路由U1，D3，R1，R4，D6組成，其中D3屬于續流電路，當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D3釋放，防止損壞器件。由于要求輸出電壓最高能達到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，當兩端的電壓在額定范圍之內時，壓敏電阻的阻值處于無窮大，即開路狀態，一旦兩端電壓超過額定范圍，壓敏電阻的阻值會立即降到很小，配合保險絲熔斷交流電壓的輸入。

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