潘爽

（西南民族大學(xué)，四川 成都 610225）

0 引言

電力技術(shù)水平的提高促進(jìn)了社會發(fā)展，而電源在電力應(yīng)用中的作用不可或缺。其中，直流穩(wěn)壓電源已成為各類電子設(shè)施的重要構(gòu)成部分。到如今，隨著對直流技術(shù)的研究與推廣，目前的直流電源可以為大多數(shù)小型電子設(shè)備正常供電?；诖耍S多應(yīng)用于各種環(huán)境的直流電源應(yīng)運(yùn)而生。為解決復(fù)雜環(huán)境下電源設(shè)計(jì)繁雜的問題并更好地滿足對直流電源的應(yīng)用需求，本文提出一種直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案，該電源直流調(diào)壓范圍相對較小，輸出電壓穩(wěn)定，兼顧制作成本低以及適用于各類小功率電路等特點(diǎn)。

1 電路原理圖

一種可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的主功率電路設(shè)計(jì)如圖1，電路輸入的工頻電壓被轉(zhuǎn)換為幅值恒定的直流電，且成功實(shí)現(xiàn)了1.25V到14V直流電壓連續(xù)可調(diào)。220V工頻交流電通過變壓器降壓到15V，再利用整流橋?qū)⑵渥儞Q成一脈動(dòng)的直流電，并用大電容將諧波電壓濾去，隨后集成穩(wěn)壓器LM317將脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換成幅值恒定的穩(wěn)定直流，緩慢調(diào)整滑動(dòng)變阻器的數(shù)值，最終可輸出相對穩(wěn)定的、連續(xù)可調(diào)的直流電壓。

圖1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路

2 設(shè)計(jì)原理分析

運(yùn)用變壓器降低工頻交流電壓，經(jīng)過整流橋，大電容完成濾波，集成管LM317穩(wěn)壓，最終輸出相對穩(wěn)定的、可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電壓。電路功能框圖如圖2。

圖2 電路功能框圖

2.1 變壓器降壓

2.1.1 變壓原理

變壓器的主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵芯，它是一種利用電磁感應(yīng)原理來升壓或降壓的裝置[1]。鐵芯因變壓器一次側(cè)交流電而產(chǎn)生交變磁通。該磁通將在二次繞組感應(yīng)出一定大小的電動(dòng)勢，且變壓過程中一二次端電壓頻率保持一致。

2.1.2 元件參數(shù)計(jì)算及選擇

要求輸出直流電壓小范圍實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，而負(fù)載電壓為變壓器二次側(cè)電壓的1.1到1.2倍，為獲得輸出為14V左右的直流電壓，并留有一定電壓裕量，二次側(cè)交流電壓應(yīng)為15V。故選擇交流220V/15V的變壓器，受變壓器調(diào)壓限制，電源輸出小范圍的直流電壓。

2.2 單相橋式整流

2.2.1 單相橋式整流原理

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(gè)周期的脈動(dòng)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(dòng)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[2]。

如圖3，變壓器二次側(cè)輸出電壓處于正半周時(shí)，因二極管只能單向流入，所以二極管D1、D3導(dǎo)通（二者承受正電壓），電流從變壓器正極出發(fā)，經(jīng)D1、R1、D3流回負(fù)極。而D2、D4各自都承受二次側(cè)反向電壓，故處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)R1兩端的輸出電壓為正電壓波形。當(dāng)二次側(cè)電壓過零點(diǎn)變?yōu)樨?fù)值時(shí)，D1和D3反向截止，二次側(cè)輸出電壓處于負(fù)半周，故D2、D4管導(dǎo)通，電流從經(jīng)D2、R1、D4流回負(fù)極。無論二次側(cè)輸出電壓處于正半周或負(fù)半周，電路中流經(jīng)R1的電流相位未發(fā)生變化，故電阻端輸出電壓總為交流正弦波的正半周部分。

圖3 單相橋式整流電路

2.2.2 元件參數(shù)計(jì)算及選擇

圖3中，若施加于各二極管上的反向電壓超過其耐壓限度，則二極管被反向擊穿而失去工作能力。IN4007整流管符合設(shè)計(jì)要求，其最大正向平均整流電流1.0A小于LM317穩(wěn)壓器1.5A的輸出電流；且最高反向耐壓達(dá)到1000V，遠(yuǎn)高于變壓器二次側(cè)輸出電壓峰值21.21V，足以承受其電壓。

2.3 電容濾波

2.3.1 濾波電路

在整流過程中，存在非線性變換特征，造成電流和電壓波形的不一致，使得電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，從而導(dǎo)致諧波電流的產(chǎn)生[3]。設(shè)計(jì)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為小功率電源，采用電容濾波可使直流波形更平滑穩(wěn)定，即在負(fù)載兩端并聯(lián)電容器。故輸出的交流成分通過濾波將最大程度地得到減少。

2.3.2 元件參數(shù)計(jì)算及選擇

通常情況下，3倍交流電周期的一半可用來近似時(shí)間常數(shù)。若負(fù)載直流電流1A，輸出電壓12V，由歐姆定律得等效電阻為12歐姆。對于單相橋式整流：

T為交流電源周期，由計(jì)算知，設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇2200uF的濾波電容。

2.4 LM317穩(wěn)壓

2.4.1 穩(wěn)壓電路

用戶用電時(shí)，電網(wǎng)電壓因某些因素可能出現(xiàn)振蕩，且調(diào)壓過程中，當(dāng)負(fù)載變化很大時(shí)，電源輸出電壓會受一定的波動(dòng)影響，導(dǎo)致電源電壓不穩(wěn)。穩(wěn)壓電路中，由于穩(wěn)壓管電壓的變化會帶動(dòng)電路電流同步發(fā)生改變，所以就可以在穩(wěn)壓管兩端串聯(lián)限流電阻，以實(shí)現(xiàn)對電源電流和電壓大小的有效控制，從而使輸出的電壓保持穩(wěn)定可靠[4]。

2.4.2 元件參數(shù)計(jì)算及選擇

設(shè)計(jì)采用LM317穩(wěn)壓器，其結(jié)構(gòu)如圖4。LM317輸出電壓為1.2V～37V，保證1.5A輸出電流，電壓穩(wěn)定性好；其三個(gè)引腳為別為調(diào)整端、輸出端和輸入端，沒有接地端，采用的是一種懸浮式電路結(jié)構(gòu)，其基準(zhǔn)電壓為1.25V[5]。穩(wěn)壓器ADJ調(diào)節(jié)端約流過30-50uA電流，一定程度上可忽略不計(jì)，故R3和R2流過電流近似相等。而穩(wěn)壓器輸出端Vout和調(diào)節(jié)端ADJ之間的輸出電壓為1.25V，其穩(wěn)定工作的最小電流Imin為5mA左右，故中R2max=（1.25÷5）×1000=250Ω。取R2為220Ω，之后確定滑動(dòng)變阻器R3的值，因設(shè)計(jì)最大輸出電壓在14V，則：

故選擇阻值2000Ω的變阻器。

圖4 LM317穩(wěn)壓器工作電路

3 電路測試

調(diào)整變阻器R3阻值可輸出1.25V-14V的直流電壓。常規(guī)可調(diào)直流電源的額定輸出電壓為0-32V，輸出電流為0-6A。且電壓調(diào)整率約為0.3%，紋波電壓有效值不超過10mV。相較于常規(guī)直流可調(diào)電源，設(shè)計(jì)的直流電源調(diào)壓范圍更小（1.25-14V），輸出電流為5mA-1.5A，其輸出功率更小，更適用小功率電路。經(jīng)實(shí)物測試，輸出電流由5mA增加到1.5A時(shí)，輸出電壓從某一數(shù)值5V降到4.85V，故電壓調(diào)整率：（5-4.85）÷4.85=3.09%。雖然設(shè)計(jì)電源的電壓調(diào)整率大于常規(guī)電源，但良好型穩(wěn)壓電源的電壓負(fù)載率通常指標(biāo)在3%-5%，故本設(shè)計(jì)電源仍符合要求。此外，電源設(shè)計(jì)中使用變壓器、穩(wěn)壓器等元器件的價(jià)格低，數(shù)量少，電路結(jié)構(gòu)較為簡易，制作成本更低。

圖5 Multisim仿真輸出直流波形

圖6 示波器實(shí)物輸出直流波形

圖5、6中，可看出輸出直流電壓波形較穩(wěn)定平滑。使用示波器測量在直流電中的交流分量為50mV左右，即紋波電壓，該數(shù)值大于常規(guī)直流電源的紋波電壓，故電壓紋波在一定程度上仍偏大，即濾波不干凈，可通過加大電容值來減小紋波。為滿足不同環(huán)境下電源的可靠性，在一定實(shí)驗(yàn)條件下還可對電源加裝過流、過熱保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)電源與常規(guī)直流電源參數(shù)對比如表1。

表1 實(shí)物設(shè)計(jì)電源與常規(guī)直流電源參數(shù)對比

4 結(jié)語

為解決復(fù)雜環(huán)境下的電源設(shè)計(jì)問題并更好地滿足對直流電源的應(yīng)用需求，本文進(jìn)行了可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真研究。

（1）提出了一種直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的研究方案。該方案中，電源調(diào)壓范圍相對較小，輸出電壓穩(wěn)定，兼顧了電源制作成本低以及適用于各類小功率電路等特點(diǎn)。

（2）仿真與實(shí)物測試中，分別利用示波器得到了較為穩(wěn)定平滑的直流電壓波形，實(shí)物電源的電壓調(diào)整率滿足良好型穩(wěn)壓電源電壓負(fù)載率的通用指標(biāo)，能夠輸出穩(wěn)定的直流電壓。

（3）直流輸出中的50mV紋波電壓在一定程度上仍然偏大，數(shù)值大于常規(guī)直流電源的紋波電壓，故仍需采取措施來降低紋波電壓的影響。