线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下时的直流稳压电源,它是一种电源变换电路,也是电子系统的重要组成部分,其功能主要是为电子电路提供它所需要的电能。电子设备通常需要电压稳定的直流电源对负载进行供电。线性稳压电源被广泛的应用于电子电路中,虽然各种新型的稳压电路结构层出不穷,但线性稳压电源却始终是无法代替的。
 
一、线性直流稳压电源的工作原理
1、普通电源的工作原理
现在随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域也变得越来越广泛,电子设备的种类也在逐渐的不断更新、不断增多,电子设备与人们日常的工作、生活的关系也是日益密切。任何的电子设备都离不开安全有效的电源,电源是一切电力电子设备的动力源,因此它被形象地称之为“电路的心脏”。现在的生活中,各种高科技产品对电源的技术性能指标的要求更是越来越高。
 
电源通常可以分为交流电源和直流电源,它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。直流电源又可分为两类[8],即:一类是能直接供给直流电流或电压的,如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等,;另一类是能将交流电变换成所需要的稳定的直流电流或电压的,这类变换电路统称为直流稳压电源。
 
 
 
现代电子设备的电路中使用了大量的半导体器件,这些半导体一般需要几伏到几十伏的直流供电电源,以便于得到其正常工作时所必需的能源。现代电子设备中使用的直流稳压电源主要分为两大类:线性稳压电源和开关性稳压电源。
 
线性稳压电源亦称为直流线性稳压电源,它的稳压性能很好,而且输出纹波很小,其缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器,而且稳定效率也比较低。开关型稳压电源按照不同分类方式可以分成多种类型。按照其输出是否调整元(开关元件)等构成的其他部分隔离,这种隔离可以分为非隔离型和隔离型两类;按照开关元件的激励方式,又可以将其分成自激励和他激励两种类型;而按照电源的输入,又可分为 AC/DC 和 DC/DC 两种类型;按照开关元件的连接形式,可分成串联型和并列型两种类型。它的优点是效率高,体积小,重量轻,但却存在着线路结构复杂、维修技术难度大等的一系列的缺点。
 
开关电源和线性电源的成本都随着其输出功率的增加而增长,但二者的增长速率各异。一般,当输出功率较小时,线性电源的成本相对较低。但是,当线性电源成本在某一输出功率点上时,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。
 
直流稳压电源的发展方向:智能化 、数字化、模块化、绿色化[11]。20 世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的诞生也为 21 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。
 
线性直流稳压电源的工作原理
线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源,是一种电源变换电路,是电子系统的重要组成部分,其功能是为电子电路提供它所需要的电能。
 
当接入 220V/50Hz 的市电后,先经过变压器,将 220V 的交流高电压转换为低电压输出到整流桥,经过整流桥的整流作用输出脉动较大的直流电,接入到滤波电路中,再利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份,保留其直流成份,最后得到平滑的输出电压。
 
 
线性直流稳压电源设计指标
(1) 电网调整率
 
它表示输入电网电压由额定值变化±10%时,稳压电源输出电压的相对变化量,有时也以绝对值表示。一般稳压电源的电网调整率等于或小于 1%、0.1%,甚至 0.01%。
 
(2) 稳压系数
 
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变时,线性直流稳压电源电路设计方案详解
 
 
(4) 纹波电压
 
1)最大纹波电压
 
在额定输出电压和负载电流下,输出电压的纹波(包括噪声)的绝对值大小,通常以峰—峰值或有效值表示。
 
2)纹波系数γ
 
 

 

二、电路的设计
1、直流稳压电源的总体方框图
 
 
2、稳压电源模块电路的设计
2.1、电源变压器
 
电源变压器是一个降压变压器,它将电网 220V/Hz 的交流电压变换成符合需要的低交流电压,并送给整流电路。变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值,由变压器的副边输出来电压确定。
 
变压器的主要参数有:
 
①变压比:变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值。
 
②额定功率:是变压器在指定频率和电压下能连续工作而不超过规定温升的输出功率。
 
③效率:是输出功率与输入功率之比,它反映了变压器的自身损耗。 ④空载电流:变压器在工作电压下次级空载时(次级电流为零),初级线圈流过的电流称为空载电流。空载电流大的变压器损耗大、效率低。
 
⑤绝缘电阻和抗电强度:绝缘电阻是指变压器线圈之间、线圈与铁心之间及引线之间的电阻。抗电强度是在规定的时间内变压器可承受的电压,它是变压器特别是电源变压器安全工作的重要参数。
 
电源变压器 Tr 的作用是将电网 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的线性直流稳压电源电路设计方案详解
 
 
2.2、整流电路
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有单相半波整流滤波、桥式整流滤波等。
 
半波整流:利用了二极管的单向导电性,只输出交流成分中的正电压部分,电路非常的简单易行,所用的二极管的数量也很少。但是,由于它利用了交流电压的半个周期,所以输出电压较低,交流分量大,效率低。故这种电路仅仅适用于整流电流较小,对脉动要求也不是很高的场所。
 
单相桥式整流电路:由四个二极管组成,其构成原则就是,保证在变压器副边电压的整个周期内,负载上的电压和电流的方向始终不发生变化。它实现了全波整流电路,将副边输出电压的负半周期也充分利用了起来,所以在变压器副边电压有效值相同的情况下,输出电压平均值是半波整流电路的两倍。
 
因此,综合考虑,本电路设计采用单相桥式整流电路。
 
 
当变压器“1”端为正、“2”端为负时,二极管 VD2 和 VD4 承受正向电压而导通,VD1 和 VD3 承受反向电压而截止。此时,变压器“1”端通过 VD4 流经 RL,再经过 VD2 返回至“2”端。当“1”端为负、“2”端为正时,二极管 VD1 和 VD3 导通,VD2 和 VD4 截止,电流则由“2”端通过 VD3 流经 RL,再经过 VD1 返回至“1”端。
 
2.3、滤波电路
滤波电路可以滤除整流电路输出电压中的大部分的交流成分,既而得到比较平滑的直流电压。本电路为满足其要求而选用电容滤波电路。各个滤波电容 C 均需满足 2/)5~3(*TCRL=,其中 T 为输入交流信号的周期,RL 为整流滤波电路的等效负载电阻。
 
 

 

2.4、稳压电路
 
稳压电路的功能是用以确保其输出的直流电压是稳定的,不随着交流电网电压和负载的变化而发生变化。它利用调节流过稳压管自身的电流大小来满足负载电流的改变,并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化以适应电网电压的波动。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器两种。本电路要求输出±5V/1A,±12V /1A 和±15V/1A。故选用固定式三端稳压器 LM7805CT,LM7905CT,LM7812CT,LM7912CT 和 LM7815CT,LM7915CT,电路的设计非常简单,最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器即可,工作稳定,其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护,最大输出电流也满足要求。
 
 
3、电路参数计算
 
 
(2)确定电源变压器副边电压、电流及功率。
 
输出电流小于 0.5A,输出电压小于 12V,由上分析,可选购副边电压为 16V,功率为 8W 的变压器。
 
选整流二极管及滤波电容。
 
(3)因电路形式为桥式整流电容滤波,通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。
 
(4)电阻的选择
 
 
直流稳压电源是做电子实验的必备仪器。电子电路要能完成所具备的功能,都必须有直流电源为其提供能量。直流稳压电源为电子电路提供电压连续可调的直流电压,同时还应具备电压电流显示、报警、过流保护等功能。还具有较多其它功能,例如:可用于各种老化的电子设备的维修,如老化的 PCB 板、家电、各类 IT 产品、CCFL、灯管等;适用于需要自动定时通、断电,自动记周期数的电子老化元件的测试;电解电容器脉冲老练;电阻器,继电器,马达等测试老练;整机老练;电子元器件性能测试,例行试验。直流稳压电源还可以广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。
 
另外,线性直流稳压电源可用于手机和电脑的维修。在电脑的维修中,5V 和 12V 的直接输出是非常可靠的,而可调输出在连接电路之前是一定要把电压看好的,能不能工作不是重中之重,如果电压太高了就会把电路烧掉了,那就不好了,而且还可能引发一系列的安全问题。而在手机的维修的过程中,因为在手机开机故障的判断中,需要看开机电流的变化,所以最大用个 1A 的电流表就足够了。