廣東理工學(xué)院電氣工程系 王天鳳 梁子衛(wèi)

可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣東理工學(xué)院電氣工程系 王天鳳 梁子衛(wèi)

直流電源作為電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)必不可少的設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了一種正負(fù)電壓為1.25～17V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路，其中運(yùn)用變壓器降壓，二極管整流，電容濾波，集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，最終輸出相對穩(wěn)定的、連續(xù)可調(diào)的正負(fù)直流電壓。

整流；濾波；穩(wěn)壓

1. 引言

在電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，直流電源的使用率很高，然而廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品成本較高，本電路設(shè)計(jì)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源實(shí)用性強(qiáng)，成本低，還可以作為教具教學(xué)使用，本文將詳細(xì)介紹電路設(shè)計(jì)中各個環(huán)節(jié)的工作原理以及元器件的參數(shù)選擇。

2. 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路

3. 設(shè)計(jì)過程

3.1 降壓電路

若要得到最大輸出為正負(fù)17V的直流電壓，根據(jù)公式負(fù)載電壓VL與交流電壓V2的關(guān)系VL=(1.1～1.2)V2，可知交流電壓應(yīng)為15V，可用變壓器把220V的交流電降壓至所需電壓，根據(jù)電路要求，變壓器應(yīng)選擇交流220V/15V具有中間抽頭的三端輸出變壓器。

3.2 整流電路

整流電路一般有三種形式，分別是半波整流、全波整流、倍壓整流，其中半波整流只得到半個周期的脈動直流電，電源利用率低下而極少采用，倍壓整流的輸出電壓要高于電源電壓，不符合本設(shè)計(jì)電路的要求，全波整流能得到全波脈動直流電，對電源的有效利用率大大提高，因此最適宜采用全波整流。如電路原理圖1所示，當(dāng)交流電壓變化到正半周時，電壓流經(jīng)的路徑有兩條，分別是：V2a→D1→V1a→V地，V地→V1b→D4→V2b，V地作為零電位參考點(diǎn)，由第一條路徑可得出V1a→V地，V1a為正電壓，由第二條可得出V地→V1b，V1b為負(fù)電壓，當(dāng)交流電壓變化到負(fù)半周時，電壓流經(jīng)的路徑也有兩條，分別是：V2b→D2→V1a→V地，V地→V1b→D3→V2a，由此可見，第一條從V1a→V地，V1a仍為正電壓，第二條從V地→V1b，V1b仍為負(fù)電壓。這正是充分利用了交流電壓的正負(fù)半周整流得到正負(fù)兩種直流電壓。整流后的電壓與電源電壓的關(guān)系為VO=0.9V2。

對于整流二極管的選擇應(yīng)考慮反向耐壓至少大于次級電源電壓的峰值21.2V，同時考慮到電網(wǎng)電壓的波動，因此整流二極管的反向耐壓值的選擇應(yīng)大于電源電壓的兩倍以上，型號為IN4001的整流二極管，最大反向峰值電壓為50V,平均整流電流為1A，最大峰值浪涌電流為30A，可滿足電路的設(shè)計(jì)要求，故選用IN4001作為整流二極管。

3.3 濾波電路

經(jīng)過整流電路之后，交流電變換成脈動直流電，頻率為100HZ，其中包括恒定分量和諧波分量，這些諧波分量總稱為紋波，為使波形更平滑穩(wěn)定，可用濾波電路實(shí)現(xiàn)。濾波電路的形式一般分為電容輸入式和電感輸入式，前一種多用于小功率電源中，而后一種多用于較大功率電源中，本設(shè)計(jì)電路的使用范圍主要在實(shí)驗(yàn)室的各種基礎(chǔ)性電子實(shí)驗(yàn)中，通常為小功率電路，因此濾波電路選擇電容式濾波。C1、C2、C5、C6、C9、C10為濾波電解電容。設(shè)電容兩端的初始電壓為零，當(dāng)交流電為正半周時，通過D1、D4向C1充電，當(dāng)為負(fù)半周時，通過D2、D3向C1充電。根據(jù)公式，電容的充電時間常數(shù)為τC=RintC，其中Rint包括變壓器二級繞組的直流電阻和整流二極管的正向電阻，一般為十幾至幾十歐姆，阻值很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值。當(dāng)電路空載時，電容沒有放電回路，輸出電壓保持在VO=V2。當(dāng)接入負(fù)載時，電容的放電時間常數(shù)為τd=RLC,其中RL為負(fù)載，為得到平滑的負(fù)載電壓，一般取τd≥（3～5），T為交流電壓的周期。該電路選用470μF的電解電容。C3、C4、C7、C8為小容量濾波電容，也叫退耦電容，主要作用是消除高頻干擾，給高頻信號提供出路流向接地端，由電容的容抗XC=可知，頻率越高，阻抗應(yīng)該越小，但電容中有感抗成分影響，達(dá)到某個頻率后阻抗反而變高。0.01μF瓷片電容在33MHZ以下都是電容特性，因此去耦電容選擇0.01μF的瓷片電容。

3.4 穩(wěn)壓電路

三端穩(wěn)壓器型號多種多樣，一般由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。本電路設(shè)計(jì)目的是輸出可調(diào)的直流電壓，因此選用LM317作為正輸出的穩(wěn)壓可調(diào)，LM337作為負(fù)輸出的穩(wěn)壓可調(diào)。經(jīng)過濾波之后的電壓接在穩(wěn)壓器的Vin端，ADJ端接可調(diào)電位器以調(diào)整輸出電壓的幅值，Vout端的正輸出電壓為：

負(fù)輸出電壓為：

其中VREF為三端穩(wěn)壓器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，約為1.25V。流過RP1、RP2的電流是LM317和LM337的Adj端電流與流過R2的電流之和，為削弱Adj端電流（最大電流值達(dá)到100μA）對輸出電壓的影響，流過R2的電流應(yīng)遠(yuǎn)大于100μA，一般取5mA，因此R2=R3=1.25V/5mA=250Ω,根據(jù)標(biāo)稱值取240Ω，D5、D6、D7、D8選取型號為IN4001的二極管作為穩(wěn)壓器保護(hù)，當(dāng)電路斷電時，濾波電容經(jīng)過二極管放電，避免流入三端穩(wěn)壓器造成輸出端電位高于輸入端電位從而導(dǎo)致穩(wěn)壓器的毀壞。

3.5 電路測試

接入交流電，整流、濾波波形如圖2、圖3所示。

圖2 整流波形

圖3 濾波波形

4. 結(jié)語

通過電路樣板的制作與焊接，測試可得到可調(diào)的正負(fù)電壓1.25～17V，該直流電壓波形穩(wěn)定平滑，可以作為各種基礎(chǔ)性電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的備用直流電源。該電壓能夠滿足基本的電子實(shí)驗(yàn)要求，并且該電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對學(xué)生掌握模擬電子技術(shù)中的電源電路這部分知識內(nèi)容具有實(shí)際的教學(xué)意義。

[1]康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分(第五版)[M].

[2]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試[M].武漢:華中科大出版社,2000.

[3]中國電源協(xié)會.現(xiàn)代電源技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

[4]陸坤.電子設(shè)計(jì)技術(shù)[M].成都L電子科技大學(xué)出版社,1997.

王天鳳（1988—），女，大學(xué)本科，助教，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

梁子衛(wèi)（1987—），男，大學(xué)本科，助教，研究方向：電力電子技術(shù)。