孙晓丹，代忠红，宁平华

（马鞍山职业技术学院 技师学院，安徽 马鞍山 243000）

1 概 述

直流稳压电源能够将交流电转换成比较稳定的直流电。当负载改变或者电网的电压产生一定的波动时，可以实现输出的直流电基本保持不变。小功率直流稳压电源主要由半导体器件构成，主要组成包括电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路4个部分。其中电源变压器将电网电压变为所需要的电压，整流电路将交流电转变成直流电，滤波电路滤除脉动直流电中的交流分量，稳压电路稳定直流电压。

2 电路设计

2.1 桥式整流电容滤波电路设计

本设计采用桥式整流电容滤波，桥式整流可以选用4个整流二极管或者整流桥堆，利用二极管的单向导电性将交流电转变成脉动的直流电。电容滤波利用电容两端的电压不能突变来滤除脉动直流电中的交流分量，通常是在负载电阻两端并联大容量电容器C，一般选用电解电容。

电路组成电路如图1所示，利用Multisim软件对该设计电路的输出电压波形仿真结果如图2所示。

图1 桥式整流电容滤波

图2 桥式整流电容滤波电路输出波形仿真

电源电压经降压变压器降压后输出u2。当u2处于正半周期时，二极管D1和D3因正偏导通，D2和D4因反偏截止，当u2处于负半周期时，二极管D2和D4因正偏导通，而D1和D3因反偏截止。输出波形如图2（a）所示，为全波脉动直流电。当负载两端并联电容后，输出电压脉动程度明显减小，输出波形如图3（b）所示。当输入电压上升超过电容端电压时，电容C迅速充电（同时向负载供电），其两端电压（即负载两端电压）同步上升并达到其最大值。当输入电压下降到低于电容端电压时，电容通过负载RL放电，由于RL远远大于二极管的正向内阻，所以放电缓慢，电容两端电压缓慢下降。

2.2 稳压电路的设计

电网电压经桥式整流电容滤波路后输出的电压仍不稳定，主要原因有两方面，一是电网电压的波动，二是负载的变化。为了保持输出电压稳定，通常需要在滤波电路之后接入稳压电路。本设计采用稳压二极管实现稳压功能，稳压二极管工作在反向击穿区域时，流过稳压二极管的电流在相当大的范围内变化，其两端的电压基本保持不变。利用稳压二极管的这一特性实现电源的稳压功能。小功率直流稳压电源原理如图3所示。

图3 小功率直流稳压电源原理图

其稳压调节过程如下。电网电压增加导致滤波后电压UI增加，一方面使得输出直流电压UO增加（UO=UI-UR)，稳压管的反向电压UDZ增加。另一方面使得稳压管的反向电流IDZ大幅增加，导致限流电阻R的电流IR大幅增加（IR=IDZ+IO)，电压UR大幅增加，输出直流电压UO下降,最终趋于稳定。电网电压下降时，稳压调节过程与上述类似。

当负载电阻变化时，若RL增加，一方面导致输出直流电流IO减小，限流电阻R的电流IR减小（IR=IDZ+IO)，电压UR减小，输出直流电压UO增加。另一方面导致稳压管的反向电流IDZ大幅增加，限流电阻R的电流IR和电压UR大幅增加，输出直流电压UO下降，最终趋于稳定。其中，IO为负载RL中的电流。

3 主要元器件参数选择

如图3所示，变压器主绕组电压为电网电压，是属于有效值为220 V，频率为50 Hz的交流电。设副绕组输出电压表达式为：

式中，u2表示交流电压的瞬时值；U2表示交流电的有效值。

为了获得较好的滤波效果，在选择滤波电容时其放电时间常数τ应满足τ=RLC=（3～5）T/2，还应考虑耐压值。其中T为电源电压周期，对于50 Hz的交流电压，T=0.02 s。当放电常数该条件时，桥式整流电容滤波输出电压平均值UO(AV)≈1.2U2

桥式整流电容滤波输出电流平均值为：

式中，IO(AV)表示负载RL中的平均电流值。

由于二极管D1、D3和D2、D4轮换导通，所以整流二极管电流平均值是输出电流平均值的一半，即：

式中，ID(AV)表示流过二极管D1、D3、D2以及D4中的平均电流值。

从图2的电容滤波输出波形可知，只有当整流输出脉动电压大于电容电压时二极管才正偏导通，二极管导通角小于180°。由于二极管导通角小，在导通期间所承受的冲击电流较大，且放电时间常数τ越大，二极管导通角越小，二极管冲击电流越大。因而在选择二极管时，其额定整流电流值除大于ID(AV)外，还应留有充分余量，以保证二极管安全可靠运行。

对于稳压二极管的选择，工程上一般选择稳压二极管的稳定电压UZ=UO。如图3所示电路，交流电电网电压为220 V，频率50 Hz，假设输出直流电压UO=30 V，负载电阻RL=120 Ω，试估算变压器副绕组电压U2，并选择整流二极管和稳压管。

综上分析，交流电周期T=0.02 s，取τ=RLC=（3～5）T/2≈4T/2 s=0.04 s，则：

整流二极管的电流平均值为：

整流二极管最高反向电压为：

选择整流二极管，额定整流电流IF=300 mA，最高反向工作电压UR=100 V。

选择耐压50 V的滤波电容，其容量为：

稳压二极管选择UZ=UO=30 V

4 结 论

本文所设计的小功率直流稳压电源简单实用，各项性能指标均比较正常，输出的电压脉动成分较小，平均值较高，适用于负载电流较小且变化不大的场合。由于其性能容易受温度影响，在温度适应性方面还存在着不足，因此仍需要对电路做进一步的优化设计。稳压管稳压电路只适用于小负载场合，若要提高负载的驱动力，可考虑引入电压串联负反馈来优化。电路焊接时如果出现整流二极管的反接，将造成变压器副绕组短路，因此可考虑加装保护元件等。这些都是今后需要进一步研究和改进的方向。