項目2 可調式單電源直流穩壓電路設計

直流穩壓電源在現代人的工作、科研、生活、學習中扮演著極為重要的角色。本項目所介紹的可調式單電源直流穩壓電路在固定式單電源直流穩壓電路的基礎上，具有電壓可控、電壓穩定度高等特點，其輸出電壓精確可測，可用于對電源精度要求比較高的設備或科研實驗。

設計任務

設計一個可調的直流穩壓電源，將市電轉變為直流穩壓+5V。

基本要求

能夠提供可調的0～+5V直流穩壓電源。

具有過流及短路保護功能。

系統組成

可調式單電源直流穩壓電路系統主要分為以下四部分。

降壓電路：利用變壓器對220V交流電網電壓進行降壓，將其變為所需要的交流電壓，以滿足+5V電源輸出的需要。

整流電路：將交流電壓變為單向脈動的直流電壓。

濾波電路：濾除整流電路輸出的直流電中的紋波，將脈動的直流電壓轉變為平滑的直流電壓，主要利用儲能元件電容來實現。

穩壓電路：清除電網波動及負載變化的影響，保持輸出電壓的穩定。

系統模塊框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統模塊框圖

模塊詳解

1.整流電路

它是全波整流的一種方式，稱為橋式整流電路。該電路使用四個二極管，變壓器有中心抽頭。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，效率較高。利用兩個半橋輪流導通，形成信號的正半周和負半周。使用有中心抽頭的變壓器則可以得到正負兩個電壓輸出。整流電路原理圖如圖2-2所示。整流電路輸出端（out1端）輸出波形，仿真結果如圖2-3所示。

圖2-2 整流電路原理圖

圖2-3 整流電路輸出仿真結果

交流電壓設定如圖2-4所示，將電壓輸入設置為15V，頻率設置為50Hz，模仿市電經變壓后的低壓交流電源輸入。

圖2-4 交流電壓設定

2.濾波電路

電容濾波一般負載電流較小，可以滿足放電時間常數較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動系數S小，輸出平均電壓U_O大，具有較好的濾波特性。把電容和負載并聯，正半周時電容充電，負半周時電容放電，就可使負載上得到平滑的直流電。電路在三端穩壓器的輸入端接入電解電容C₁=1000μF用于電源濾波，其后并入電解電容C₂=4.7μF用于進一步濾波。在三端穩壓器輸出端接入電解電容C₅=4.7μF用于減小電壓紋波，而并入陶瓷電容C₇=100nF用于改善負載的瞬態響應并抑制高頻干擾（陶瓷小電容電感效應很小，可以忽略，而電解電容因為電感效應在高頻段比較明顯，所以不能抑制高頻干擾）。濾波電路原理圖如圖2-5所示。

圖2-5 濾波電路原理圖

為了驗證濾波電路的效果，以前端濾波電路（見圖2-6）為例進行分析。前端濾波電路輸出端（out1端）輸出波形，仿真結果如圖2-7所示。

圖2-6 前端濾波電路

圖2-7 前端濾波電路輸出仿真結果

為了驗證濾波電容的效果，在原電路輸入的基礎上將濾波電容C₁改為100μF，輸入信號依然為15V、50Hz的交流信號，如圖2-8所示。利用軟件圖表功能仿真out1端輸出波形，調節C₁后的濾波電路輸出仿真結果如圖2-9所示。

圖2-8 調節C₁后的濾波電路

圖2-9 調節C₁后的濾波電路輸出仿真結果

如圖2-9所示，濾波電路中電容的大小直接影響電路的濾波效果。若將電容值設置過小，則電路的濾波效果也會減弱。

綜上所述，輸入的交流信號經整流電路整流，又經濾波電路處理，最終將穩定、有效的電壓由out1端傳輸至穩壓電路模塊。可見，濾波電路在電路設計中是十分重要的。

3.穩壓電路

使用三端穩壓器有以下優點。

（1）元件數量少。

（2）帶有限流電路，輸出短路時不會損壞元件。

（3）具有熱擊穿功能。

三端穩壓器選擇LM317T（輸出電流為1.5A，輸出電壓可在1.25~37V之間連續調節），其輸出電壓由兩個外接電阻R2、RV1決定，輸出端和調整端之間的電壓差為1.25V。在輸出端同時并入二極管D1（型號為1N4001），當三端穩壓器未接入輸入電壓時可保護其不至損壞。

電源信號由out1端輸入至三端穩壓器，利用RV1控制輸出電壓的大小，調節RV1電位器至位置1（2%）處，此時輸出電壓為2.12V，負載LED不點亮，電路仿真圖如圖2-10 所示。

圖2-10 RV1處于位置1時的穩壓電路仿真圖

三端穩壓器最易在輸出腳（圖2-10中2腳）電壓高于輸入腳（圖2-10中3腳）電壓時形成擊穿而損壞，因此一般像圖2-10中那樣并聯一個二極管1N4001。其主要作用是：如果輸入端C1或C2出現短路，則輸出2腳電壓會高于輸入3腳電壓，很容易擊穿三端穩壓器，所以反向并聯一個二極管，對1腳電壓進行泄放，使2腳到3腳電壓限幅為0.7V，可有效保護三端穩壓器不被反向擊穿。

用示波器監視 RV1處于位置1時穩壓電路空載輸出端out2，結果如圖2-11所示。

調節RV1，使其到達位置2（16%），則穩壓電路輸出端out2電壓也會增大。此時輸出電壓約為6.37V，負載LED被點亮，如圖2-12所示。

用示波器監視高擋位穩壓電路輸出，結果如圖2-13所示。