基于三端稳压器的电源电路论文.docx

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基于三端稳压器的电源电路论文

摘要

电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

本文采用了78XX，及79XX系列三端稳压器，并有一组由LM317组成的可调电压源，本系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

其一致性很好。

控制板的体积将大大减小，生产成本下降；易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

关键字：

整流；滤波，三关稳压器；

目录

摘要1

目录2

一系统分析3

1.整流滤波部分3

2.稳压输出部分4

（1）三端稳压器主要特点4

（2）三端稳压器极限值（Ta=25℃）5

二主要元器件介绍5

1.普通塑封整流二极管1N40015

（1）特征Features5

（2）机械数据MechanicalData6

（3）极限值6

（4）特性曲线7

2.鋁电解电容7

（1）铝电解电容的构成7

（2）铝电解电容选型要点7

3.涤纶电容10

（1）涤纶电容的构成10

（2）涤纶电容的突出优点10

（3）参数识别10

（4）涤纶电容的参数标注方法10

3.可调稳压器LM31711

（1）LM317简介11

（2）LM317A主要特性12

4.固定三端稳压器12

（1）电路结构12

（2）稳压器的主要参数13

（3）使用注意事项14

三系统设计15

1.变压整流电路15

（1）单相半波整流电路15

（2）单相全波整流电路16

（3）桥式整流电路16

2.滤波电路17

（1）电容滤波17

（2）滤波电容的选择18

3.稳压电路19

（1）78XX,79XX三端稳压器的扩展使用19

（2）LM317调压电路20

四参考文献23

一系统分析

1.整流滤波部分

采用单向桥式整流电容滤波，简洁但能满足基本要求。

2.稳压输出部分

三端稳压器电源总体电路图

采用78XX，79XX系列固定三端稳压器稳压，三端正稳压电路,能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

（1）三端稳压器主要特点

􀁺输出电流可达1A

􀁺输出电压有：

5V

􀁺过热保护

􀁺短路保护

􀁺输出晶体管SOA保护

（2）三端稳压器极限值（Ta=25℃）

VI——输入电压（VO=5~18V）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35V

RθJC——热阻（结到壳）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5℃/W

RθJA——热阻（结到空气）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65℃/W

TOPR——工作结温范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯0~125℃

TSTG——贮存温度范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-65~150℃

二主要元器件介绍

1.普通塑封整流二极管1N4001

（1）特征Features

●反向电压50---1000V

●正向电流1.0A

●低的反向漏电流Lowreverseleakage

●较强的正向浪涌承受能力Highforwardsurgecapability

●高温焊接保证Hightemperaturesolderingguaranteed:

250℃/10秒,0.375"（9.5mm）引线长度。

250℃/10seconds,0.375"（9.5mm）leadlength,

●引线可承受5磅（2.3kg）拉力。

5lbs.（2.3kg）tension

（2）机械数据MechanicalData

●端子:

镀锡轴向引线Terminals:

Platedaxialleads

●极性:

色环端为负极Polarity:

Colorbanddenotescathodeend

●安装位置:

任意MountingPosition:

Any

（3）极限值

（4）特性曲线

2.鋁电解电容

（1）铝电解电容的构成

它是由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极制成。

还需要经过直流电压处理，使正极片上形成一层氧化膜做介质。

它的特点是容量大，但是漏电大，稳定性差，有正负极性，适宜用于电源滤波或者低频电路中。

使用的时候，正负极不要接反。

（2）铝电解电容选型要点

A.容量和额定工作电压。

●铝电解电容本体上标有的容量和耐压，这两个参数是很重要，是选用电容最基本的内容。

●在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，成本和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。

这些都是实际应用选型中要考虑的。

●额定工作电压：

在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压。

在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。

常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、250V、400V、500V、630V。

电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。

●在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。

另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在15％以上。

●让电容器的额定电压具有较多的余裕，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。

虽然说，48V的工作电压使用50V的铝电解电容短时间不会出现问题，但使用久了，寿命就有可能降低。

B.介质损耗

●电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示（在电容器的等效电路中，串联等效电阻ESR同容抗1/ωC之比称之为Tanδ，这里的ESR是在120Hz下计算获得的值。

显然，Tanδ随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大）。

损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。

散逸因数dissipationfactor（DF）存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。

此参数愈低愈好。

但铝电解电容此参数比较高。

●DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率……都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。

此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。

C.外型尺寸

●外型尺寸与重量及接脚型态相关。

singleended是径向引线式，screw是锁螺丝式，另外还有贴片铝电解电容等。

至於重量，同容量同耐压，但品牌不同的两个电容做比较，重量一定不同；而外型尺寸更与外壳规划有关。

一般来说，直径相同、容量相同的电容，高度低的可以代用高度大的电容，但是长度高的替代低的电容时就要考虑机构干涉问题。

D.ESR

●一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗。

ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感是一对重要参数─这就是容抗的基础。

一个等效串联电阻（ESR）很小的电容相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。

用ESR大的电容并联更具成本效益。

然而,这需要在PCB面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

E.纹波电流和纹波电压

●也称作涟波电流和涟波电压，其实就是ripplecurrent，ripplevoltage。

含义就是电容器所能耐受纹波电流/电压值。

纹波电压等于纹波电流与ESR的乘积。

●当纹波电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。

换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低ESR值的原因。

叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻（ESR）引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。

一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。

●额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。

而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。

规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。

甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

F.漏电流

●电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。

然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。

通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

它的计算公式大致是:

I＝K×CV。

漏电流I的单位是μA，K是常数。

一般来说，电容器容量愈高，漏电流就愈大。

从公式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。

3.涤纶电容

（1）涤纶电容的构成

用两片金属箔做电极，夹在极薄绝缘介质中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，介质是涤纶。

涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。

（2）涤纶电容的突出优点

薄膜电容的精度、损耗角、绝缘电阻、温度特性、可靠性及适应环境等指标都优于电解电容，瓷片电容两种电容。

（3）参数识别

在国外电容器耐压值的表示方法中，2A表示耐压为1．0×10^2V=100V，

例如823表示容量为82000Pf，J表示容量允许偏差为±5％。

2A823J即82000Pf±5％，耐压100V。

（4）涤纶电容的参数标注方法

A.直标法：

将电容器的主要参数（标称容量、额定电压、及允许偏差）直接标注在电容器上，如0.0047μf/275V，0.0047μf是容量，相当于4700Pf，275V应是耐压（不属优选数系列）。

B.文字符号法：

采用数字或字母与数字混合的方法来标注电容器的主要参数。

C.数字标注法一般是用3位数字表示电容器的容量。

其中前两位为有效值数字，第三位为倍乘数（即表示有效值后有多少个0）。

如104，表示有效值是10，后面再加4个0，即100000Pf=0．1μf。

D.字母与数字混合标注法用2—4位数字表示有效值，用P、n、M、μ、G、m等字母表示有效数后面的量级。

进口电容器在标注数值时不用小数点，而是将整数部分写在字母之前，将小数部分写在字母后面。

如4P7表示4．7Pf，3m3表示3300μf等。

电容器的容量的允许偏差标注字母及含义：

F±1％

G±2％

J±5％

K±10％

M±20％

N±30％

如104K表示容量100000Pf=0．1μf，容量允许偏差为±10％。

3.可调稳压器LM317

（1）LM317简介

LM117/LM317/LM317A是美国国家半导体公司的三端可调稳压器集成电路。

国内和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。

LM117/LM317/LM317A的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。

它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

LM117/LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

（2）LM317A主要特性

A.可调整输出电压低到1.2V。

B.保证1.5A输出电流。

C.典型线性调整率0.01%。

D.典型负载调整率0.1%。

E.80dB纹波抑制比。

F.输出短路保护。

G.过流、过热保护。

H.调整管安全工作区保护。

I.标准三端晶体管封装。

J.1.25V至37V连续可调

4.固定三端稳压器

（1）电路结构

三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。

从图18-4所示方框图中可以看出，它由启动电路、基准电路、误差放大器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。

它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。

（2）稳压器的主要参数

A.输出电压Vo

输出电压是指稳压器的各工作参数符合规定时的输出电压值。

对于固定输出稳压器，它是常数;对于可调式输出稳压器.它是输出电压范围

B.输出电压偏差

对于固定输出稳压器，实际输出的电压值和规定的输出电压V。

之间往往有一定的偏差这个偏差值一般用百分比表示.也可以用电压值表示。

C.最大输出电流ICM

最大输出电流指稳压器能够保持输出电压不变的最大电流。

D.最小输入电压Vimin

输入电压值在低于最小输入电压值时，稳压器将不能正常工作。

E.最大输入电压Vimax

最大输入电压是指稳压器安全工作时允许外加的最大电压值。

说明:

（4）、（5）两项也常用输入电压的范围来表示。

F.最小输入、输出电压差（Vi-Vo）

它是指稳压器能正常工作时的输入电压Vi，与输出电压Vo是最小电压差值

G.电压调整率Sv

电压调整率是指当稳压器负载不变而输入的直流电压变化时.所引起的输出电压的相对变化量。

Sv常用下式表示:

电压调整率有时也用某一输入电压变化范围内的输出电压变化量表示。

电压调整率用来表征稳压器维持输出电压不变的能力。

H.电流调整率S1

电流调整率是指，当输入电压保持不变而输出电流在规定范围内变化时，稳压器输出电压相对变化的百分比，可用下式表示:

电流调整率有时也用负载电流变化时输出电压的变化量来表示

I.输出电压温洒漂ST

输出电压温漂也称输出电压的温度系数。

其定义为，在规定的温度范围内，当输入电压和输出电流不变时，单位温度变化引起的输出电压变化量，用公式表达为:

J.输出阻抗Zo

输出阻抗指，在规定的输入电压和输出电流的条件下，在输出端上所测得的交流电压与交流电流之比，即

输出阻抗反映了在动态负载状态下，稳压器的电流调整率。

K.输出噪声电压VN

它是指当稳压器输入端无噪声电压进入时，在其输出端所测得的噪声电压值。

输出噪声电压是由稳压器内部产生的，它对许多负载是有害的

（3）使用注意事项

　　在使用时必须注意：

（VI）和（Vo）之间的关系，以7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有2－3V及以上的压差。

使调整管保证工作在放大区。

但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。

　　另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器,而损坏器件。

三系统设计

1.变压整流电路

二极管具有单向导电性，利用这一特性可以组成整流电路，将交流电变为脉动的直流电。

在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波、单相桥式整流电路。

（1）单相半波整流电路

A.电路组成与工作原理

电路中用变压器T将电网的正弦交流电压U1变成U2，设U2=√2U2sinωt;U2为变压器二次侧的交流电压有效值，在U2的正半周二极管D导通（正偏压），电流Id流过加到负载rl上，则负载电压等于变压器二次电压，即：

ul=U2=√2U2sinωt（0<=ωt<=π）在U2的负半周时，二极管反向偏压而截止，Id=0负载上没有电流流过，二极管承受一个反向电压，其值就是变压器的U2；因在交流电压的一个周期内只有正半周导通所以称为半波整流。

B.负载上的直流电压与电流的估算

直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。

半波整流电路ul=0.45U2（大约数）；负载上的电流il=ul/rl=0.45*U2/RL;

（2）单相全波整流电路

A.变压器中心抽头的全波整流电路

全波整流电路利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使D1、D2在正负半周轮流导通，而且二者流进rl的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。

B.负载上的直流电压和电流的计算

因正、负半周在负载上都有输出电压所以全波整流电路负载上的电压是半波的2倍；

ul=2*（√2/π）*U2=0.9U2;  il=0.9*（U2/rl）

但全波整流电路必须采用具有中心抽头的变压器且要对称的，每个线圈只有一半时间通过电流，变压器的利用率不高。

（3）桥式整流电路

为了克服全波整流的缺点现在多采用如图的桥式整流电路；

整流过程：

四个二极管两两轮流导通，正半周时电流由D1---RL---D3回到U2的负端，正半周时，电流由D2---RL---D4回到U2的正端；无论是正半周还是负半周流过RL的电流的方向是一致的，所以它的电压：

ul=0.9U2;电流IL=0.9*（U2/RL）

2.滤波电路

上面学习的整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分,只在一些特殊的场合使用,一般的直流电路都需要较理想的一条直线似的的直流电压,这就要平滑脉动的电压使其达到,这种措施就是滤波.

滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成.

（1）电容滤波

利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲的电压的目的.

在正半周D导通时分两个电流:

一是电流IL向负载供电,二是IC向电容充电;如忽略D的压降则在电容上的电压等于U2,当U2达到最大的峰值后开始下降,此时电容C上的电压UC也将由于放电而逐渐下降,当U2UC时二极管再导通,再次循环下去.

但半波整流滤波的输出的电压还是带有锯齿装的成分现在多用桥式整流滤波电路;原理同上.根据上面的分析可知,采用电容滤波后,有如下特点:

A.负载电压中的脉动的成分降低了许多；

B.负载电压的平均值有所提高。

在RL一定时滤波电容越大，UL越大。

设计时可估算：

UL=1---1.1U2（半波）;UL=1.2U2（全波桥式整流）

（2）滤波电容的选择

滤波电容的确定:

RL*C>=（3--5）T（半波整流时）;RL*C>=（3--5）T/2（全波桥式整流时）;T为交流电的周期.（220交流电的频率为50HZ;即T=1/50）

一种是在RLC=（3~5）T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。

（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。

）桥式整流电路的电容量一般几百到几万uF.

50Hz工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充放电时间是毫秒数量级。

为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万μF，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要数。

而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。

而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。

电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。

3.稳压电路

（1）78XX,79XX三端稳压器的扩展使用

我们知道，78**（79**）系列和LM317/337系列最大输出电流为1.5A，如果所用电子装置需要稳压电源提供更大的电流，就需要采用扩流措施了。

下面介绍两种常用的扩流方法。

A.外加功率管扩流

电路如图1所示（在后面的电路图中，为简单起见，均将电源变压器、整流二极管和输入滤波电容省略不画）。

R1是过流保护取样电阻，当输出电流增大超过一定值时，R1上压降增大，使BG1的Ube值减小，促使BG1向截止方向转化。

因为集成稳压器本身有过热保护电路，如果我们将BG1和集成稳压器安装在同一个散热器板上，则BG1也同样受到过热保护。

图1电路可输出小于7A的电流。

B.多块稳压器并联扩流

这是一种线路简单、无需调整，有较高实用性的电路，其最大输出电流为N*1.5A（N为并联的稳压器的块数）。

实际应用中，稳压器最好使用同一厂家、同一型号产品，以保证其参数一致性。

另外，最好在输出电流上留有10-20%的余量，以避免个别稳压器失效造成稳压器连锁烧毁。

C.固定抬高输出电压

电路如图1所示。

如果需要输出电压Uo高于手头现有的稳压块的输出电压时，可使用一只稳压二极管DW将稳压块的公共端电位抬高到稳压管的击穿电压Vz，此时，实际输出电压Uo等于稳压块原输出电压与Vz之和。

将普通二极管正向运用来替代DW，同样可起到抬高输出电压的作用。

例如，想为自己的录音机装一个6V、500mA的稳压电源，而手头只有一只7805稳压器，则可按图2电路安装。

D1选用2CP（IN4001）类硅二极管，其上压降约为0.8V，这样输出就约为5.8V，足以满足录音机的需要了。

若将D1换成发光二极管LED，不但能提高输出电压，而且LED发光还起到电源指示作用。

（2）LM317调压电路

LM317工作原理：

LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5----32V，电流1.5A，不过在用的时候要注意功耗问题，注意散热问题。

LM317有三个引脚，其引脚图如下图3所示一个输入一个输出一个电压调节。

输入引脚输入正电压，输出引脚接负载，电压调节引脚一个引脚接电阻（200左右）在输出引脚，另一个接可调电阻（几K）接于地，输入和输出引脚对地要接滤波电容。

图3LM317引脚图

LM317标准应用电路图

可调式集成稳压器LM317工作原理

参见上图，经过整流滤波后的直流电压加在LM317的输入端（IN）和地之间，稳压后的电压由LM317的输出端和地之间引出。

UOUT-UADJ=UREF称为参考电压，它被设计为1.25V，并且不随输入电压和输出电流而变化。

从调整端（ADJ）流出的电流非常小（<50uA），通常可以忽略不计。

这样，取R1=240Ω，流过R1的电流，则IR1=1.25V/240Ω≈5mA，正好满足LM317最小输出电流的要求。

输出电压完全由R1、电位器R2两个电阻的比值决定，而与输入电压和输出电流无关。

只要改变R2大小，就可以调整输出电压。

在数控稳压电路中，不是通过改变电阻R2，而是通过改变调整端对地电压UADJ来控制输出端的电压UO。

UO=UREF+UADJ。

需要指出的是，负载电流并不经过R2，流过R2的电流仅仅是流过R1的电流（～5mA），所以可以采用小电流控制电路（如运放电路）来控制UADJ。

四参考文献

【1】侯伯亨《模拟电子技术》西安电子科技大学出版社

【2】张友德等