直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供者，在各種電子設(shè)備中有著極其重要的作用，它的性能是否良好直接影響到電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。本文通過分析穩(wěn)壓電源的原理，選擇穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建直流電源的電路圖并選擇合適的元器件，最終設(shè)計(jì)一種輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源。

　　直流穩(wěn)壓電源定義

　　能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電的電子裝置叫直流穩(wěn)壓電源，由于電子技術(shù)的特性，要求電源電路能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負(fù)載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能，提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。

　　直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)

　　直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出額定電壓、輸出額定電流、輸出電壓范圍、電壓調(diào)整率、穩(wěn)壓系數(shù)Sr、輸出電阻Ro和紋波系數(shù)等。

　　輸出額定電壓及范圍

　　220V交流輸入電壓的變化范圍在198V～240V左右，穩(wěn)壓電源的輸出電壓不會(huì)受輸入電壓太大影響，在輸入電壓在范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓變化也就幾毫伏。

　　輸出額定電流

　　輸出額定電流是反映穩(wěn)壓源的一個(gè)重要指標(biāo)，將穩(wěn)壓源、可變電阻、數(shù)字萬用表電串聯(lián)，用可變電阻來模擬

　　負(fù)載，調(diào)節(jié)電阻值使電流為設(shè)計(jì)的額定值，然后減小電阻值，電流會(huì)隨之變

　　大，而輸出電壓變化很小，但當(dāng)繼續(xù)減小電阻到某一值時(shí)，輸出電壓開始急劇下降，這時(shí)的電流值便是最大輸出電流。

　　穩(wěn)壓系數(shù)Sr

　　穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義：當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，輸出直流電壓Uo的相對(duì)變化量與輸入直流電壓UI的相對(duì)變化量之比，Sr越小，穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能越好。

　　電壓調(diào)整率

　　一般情況下，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)極限為±10%，在此條件(ΔUI/UI=±10%)下，衡量輸出電壓相對(duì)變化量ΔUO/UO，稱為電壓調(diào)整率。

　　紋波系數(shù)

　　紋波系數(shù)是直流電壓中的交流成分的峰峰值，由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。

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　　輸出電阻Ro

　　體現(xiàn)了穩(wěn)壓電源帶負(fù)載的能力，定義為：當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，由于負(fù)載變化引起的輸出端直流電壓變化量與輸出直流電流變化量之比，Ro越小，說明穩(wěn)壓電源帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

　　響應(yīng)速度

　　直流穩(wěn)壓電源在額定工作情況下，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載急劇變化時(shí)，電壓回到正常值所需時(shí)間,響應(yīng)速度也是直流穩(wěn)壓電源的重要質(zhì)量指標(biāo)。

　　穩(wěn)壓電源的分類

　　直流穩(wěn)壓電源通?？煞譃榛瘜W(xué)電源、線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源。

　　化學(xué)電源

　　干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于化學(xué)電源。

　　線性直流穩(wěn)壓電源

　　線性直流穩(wěn)壓電源指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。線性直流穩(wěn)壓電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路等。

　　開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源

　　開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源是利用控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它的電路形式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式等。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠;缺點(diǎn)相對(duì)于線性直流穩(wěn)壓電源，其紋波較大。

　　直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

　　原理

　　線性直流穩(wěn)壓電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達(dá)到高精度的直流電壓，必須再經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)穩(wěn)壓電源具有的干擾與噪音。

　　元器件

　　電阻

　　電阻是所有電子電路中使用最多的元件,表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。電阻元件是對(duì)電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件,電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長度，還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1℃時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。

　　電容

　　電容是一種靜態(tài)電荷存儲(chǔ)介質(zhì)，是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、濾波、補(bǔ)償、充放電、儲(chǔ)能、隔直流等電路中。

　　穩(wěn)壓二極管

　　穩(wěn)壓二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。

　　變壓器

　　變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵心(磁芯)。主要功能有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓(磁飽和變壓器)等。

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　　設(shè)計(jì)分析

　　根據(jù)直流穩(wěn)壓電源原理，我們?cè)O(shè)計(jì)一種可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源，輸出的直流電壓范圍為：+4V~+9V，最大輸出電流I=0.9A，輸出電壓變化量：<0.005V，穩(wěn)壓系數(shù)S<0.003。設(shè)計(jì)電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如圖1所示，其組成部件的作用介紹如下。

　　整流濾波電路

　　濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電壓降低時(shí)，就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑。

　　穩(wěn)壓電路

　　穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載溫度變化時(shí)，能維持輸出直流電壓穩(wěn)定。

　　設(shè)計(jì)方案

　　整流電路選擇

　　1.單相全波整流電路

　　使用的整流期較半波整流多一倍，整流電壓脈動(dòng)較小，比半波整流小一倍。無濾波電路時(shí)的輸出電壓Vo=0.9Vi，變壓器的利用率比半波整流時(shí)高，整流期間所承受的反向電壓較高。

　　2.單相橋式整流電路

　　使用的整流期較全波整流時(shí)多一倍，整流電壓脈動(dòng)與全波整流相同，每期所承受的反向電壓為電源電壓峰值，變壓器利用率較全波整流電路高。

　　穩(wěn)壓電路選擇

　　1.簡單并聯(lián)型穩(wěn)壓電源

　　并聯(lián)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整原件與負(fù)載并聯(lián)，因而具有極低的輸出電阻，動(dòng)態(tài)特性好，電路簡單，并具有自動(dòng)保護(hù)功能，負(fù)載短路時(shí)調(diào)整管截止，可靠性高，單效率底，尤其是在小電流時(shí)調(diào)整管需承受很大的電流，損耗過大。

　　2.固定式三端穩(wěn)壓器

　　由固定式三端穩(wěn)壓器輸出腳、輸入腳和接地腳組成，LM317是可調(diào)電壓穩(wěn)壓芯片，輸入端接電容可以進(jìn)一步濾波，輸出端接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，此電路比較穩(wěn)定。

　　設(shè)計(jì)電路

　　根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)電路如圖2所示：電路中通過變壓器將AC220V電壓變壓之后進(jìn)入整流橋，將交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過C1濾波后的比較穩(wěn)定的直流電送到三端穩(wěn)壓集成電路。

　　元器件選擇

　　1.三端集成穩(wěn)壓電路選擇LM317：Vin輸入端提供工作電壓后，可保持其+Vout輸出端(2腳)比其ADJ調(diào)整端(1腳)的電壓高1.25V。因此用極小的電流來調(diào)整ADJ端的電壓，便可在+Vout端得到比較大的電流輸出，并且電壓比ADJ端高出恒定的1.25V。在圖2中，由于LM317的3腳與1腳之間電壓為恒定值1.25V，可以看作是基準(zhǔn)電壓，所以由固定電阻R：(應(yīng)小于240Ω)與電位器RP1組成的取樣分壓電路，可以用來調(diào)節(jié)輸出電壓，可按下式估算：U0=1.25V(1+RP1/R1)。調(diào)整端2的電流極小，所以流過R1和RP1的電流幾乎相等，通過改變電位器R3的阻值就能改變輸出電壓U0，為保持輸出電壓的穩(wěn)定性，要求流經(jīng)R1的電流要小于5mA，這就限制了電阻R1的取值。此外，還應(yīng)注意：LM317在不加散熱器時(shí)的最大允許功耗為2W，在加200×200×3mm³散熱板后，其最大允許功耗可達(dá)15W;

　　2.變壓器選擇功率為3W、電壓為9V的變壓器;

　　3.可調(diào)電位器選擇220Ω，電阻R1選擇470Ω和R2選擇150Ω;

　　4.發(fā)光二極管的壓降一般為1.5～2.0V，其工作電流一般為5mA～20 mA為宜。發(fā)光二極管在電路正常工作時(shí)起指示燈作用，當(dāng)電路工作電流超出額定值時(shí)，發(fā)光二極管反向，起過流保護(hù)的作用。

　　結(jié)束語

　　經(jīng)過對(duì)直流穩(wěn)壓電源的原理及分析設(shè)計(jì)，我們得出當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定;但是恒壓源是不存在的，它只是一種理想狀態(tài)，雖然輸出電壓可以基本保持穩(wěn)定，但也不是一點(diǎn)都不變的，而且元器件的老化或是環(huán)境變化等都會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的阻抗有一定變化。直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位，隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，電子設(shè)備的供電電源要求也將會(huì)越來越高。