《Multisim电路系统设计与仿真教程》课件-第六章 直流稳压源的设计

第六章直流稳压源的设计Multisim电路系统设计与仿真教程课件CONTENTS设计要求1电容滤波电路3整流电路2整流滤波电路参数选取方法4稳压电路5可调直流稳压源设计与Multisim仿真6内容提要本章主要对直流稳压源电路的设计进行详细介绍，主要介绍了整流电路、滤波电路、稳压电路的设计以及参数选取方法，并使用Multisim进行仿真实验。6.1设计要求

在许多电子装置中，都需要按用户的要求提供稳定的直流源来供电。本章将介绍低噪声的小功率直流稳压电源的设计方法。一个性能良好的直流稳压源一般由四部分组成，如图6-1的框图所示。图6-1直流稳压源的组成6.1设计要求

本章的设计都是基于串联型电源，开关型电源虽然转换效率高，体积小且重量轻，但其输出直流电压有较大的噪声，所以不作研究。在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下，稳压电源设计的具体要求为：输出电压可调范围为0~±15V最大输出电流为0.2A电压调整率≤0.2%负载调整率≤1%

纹波电压（峰-峰值）≤5mV

具有过流及短路保护功能6.2整流电路整流电路基本原理是利用整流二极管的导通特性将交流电压转换为单一方向的半波电压。根据整流二极管连接形式的不同，又可分为半波整流和桥式整流。1）半波整流电路半波整流电路由变压器的副边接一个二极管构成，如图6-2所示。当变压器的副边电压为正时，二极管导通，当其为负时，二极管截止。图6-2半波整流电路6.2整流电路变压器副边电压和半波整流电路的输出端电压分别如图6-3(a)和(b)所示，两个波形周期相同设为T，变压器副边电压波形的峰值约等于,由于实际变压器存在内阻且二极管正向导通时存在损耗，所以整流电路输出电压峰值的绝对值略小于。设电路中的损耗电压峰值约为，则实际输出电压为。半波整流电路中二极管的正向平均电流约等于负载电流平均值。图6-3半波整流电路波形图(a)变压器副边电压波形(b)半波整流电路的输出端电压波形6.2整流电路

2）变压器中心抽头式全波整流电路

利用有中心抽头的变压器和两个二极管可构成全波整流电路，如图6-4所示。中心抽头的上下部分分别构成半波整流电路，由于上下二极管交替导通，两个半波整流电路的波形在输出端叠加，就使输出电压在一个周期内有两个峰值，从而使平均输出电压是半波整流电路的两倍，提高了整流电路的效率。用虚拟示波器观察变压器副边中心抽头以上的电压波形和输出端电压波形如图6-5所示，同样为变压器和二极管的损耗。图6-4变压器中心抽头式全波整流电路

图6-5(a)变压器副边电压的波形图6-5(b)输出电压波形6.2整流电路

3）桥式全波整流电路

桥式整流电路由四只二极管组成，如图6-6(a)所示。当变压器副边电压为正时，二极管D1和D3导通；当变压器副边电压为负时，二极管D2和D4导通。这样两对二极管轮流导通，使负载上整个周期内都有电压输出。桥式整流电路的常用画法如图6-6(b)所示。图6-6桥式全波整流电路(a)(b)6.2整流电路

3）桥式全波整流电路

变压器副边电压波形如图6-7(a)，桥式全波整流电路的输出电压如图6-7(b)，由于都是全波整流，所以此电路的输出电压波形和变压器中心抽头式全波整流电路的输出电压波形相似。图6-7桥式全波整流电路波形图(a)变压器副边电压(b)桥式整流输出电压波形6.2整流电路

3）桥式全波整流电路

如果改用有中心抽头的变压器，则可在输出得到关于x轴对称的正负两个电压输出，电路如图6-8所示。正负输出电压的波形如图6-9所示，它们峰值的绝对值相等，略小于变压器副边电压的峰值。图6-8正负电压输出的桥式整流电路图6-9正负输出电压波形6.3电容滤波电路

由整流电路输出的电压虽然是单方向的波形，但输出还不是直流电压，所以电路需要加平滑电容器来滤波，以得到近似直流的信号。此平滑滤波器采用无源电路，所以负载的大小会影响滤波效果。同时由于整流二极管工作在非线性状态，所以滤波特性也不相同。图6-10为加了滤波电容后的桥式整流电路，电路中当负载电阻较大，即较小时，输出电压比较平滑，如图6-11（a）所示；而当负载电阻较小时，即较大，则输出电压存在波动，反映了电容的充放电过程，如图6-11（b）所示。此时要减小脉动电压就要增大平滑电容的容量。图6-10加滤波电容的整流电路6.3电容滤波电路

图6-11(b)的波形是考虑变压器内阻和二极管导通电阻值后的波形。当电容充电时，整流电路的内阻（变压器内阻和二极管导通电阻）为滤波回路中的电阻，其数值较小，因而充电时间较短；电容放电时，负载电阻为滤波回路中的电阻，因而放电时间较长。滤波效果主要取决于放电时间，也就是说越大，滤波效果越好。经过滤波处理后的电压波形变得平滑，而且电压平均值也变大。由于整流电路内阻压降的影响，输出电压的峰值略小于。图6-11输出电压波形(a)输出电阻较大时(b)输出电阻较小时6.4整流滤波电路参数选取方法

1）变压器的选择

当选择副边电压有效值为18V时，峰值约为25V。因为变压器由铜线绕成，所以会有一定的内阻r，当有电流流过变压器时，就会造成一定的损耗。变压器的直流电阻可用万用表测出来，本例中测得变压器的内阻。设整流滤波电路的输出电流为，输出电压为，流过变压器的工作电流为，则为输出电压降的比率，为输出电压的比率，为变压器的工作电流与输出电流的比率，图6-12给出了它们之间的关系。从图6-12(a)可以看到，越小，整流滤波电路的输出电压就越接近于变压器副边电压的峰值，也就是电路的效率越高。当为0，流过变压器的电流也为0，所以变压器内部不会产生电压降，当然如果变压器的内阻为0，则变压器上也不会有电压的损耗。随着输出电流和变压器内阻的增大，变压器上的损耗增大，输出电压就会下降。6.4整流滤波电路参数选取方法

1）变压器的选择

本例中由于，，，则，所以从6-12（a）对应可得约为，所以，其中约0.1V的偏差为变压器上的损耗。又因为正向导通的每个二极管上有大约1V的损耗，所以事实上输出电压约为23V。对于中心抽头型全波整流电路，由于每次只有一个二极管正向导通，所以输出稍大些。（a）图6-12变压器参数关系6.4整流滤波电路参数选取方法

1）变压器的选择图6-12（b）和（c）分别为桥式和中央抽头型全波整流电路中变压器的工作电流与输出电流比率的曲线。由于图6-10的电路为桥式整流电路，有上面计算所得结果，对照图6-12（b）可得，所以。那么应选择额定电流大于0.64A的变压器。实际的变压器中当变压器输出电流小于额定电流，那么变压器输出电压的峰值将大于25V，也可以得到整流电路的输出电压可能大于23V。若选择中央抽头型变压器，输出电压降的比率相同的情况下，变压器所需的额定电流要小一些。图6-12变压器参数关系（b）（c）6.4整流滤波电路参数选取方法

2）整流二极管的选择在未加滤波电容之前，无论是半波整流还是全波整流电路，二极管都是仅在半个周期处于导通状态；而加了滤波电容之后，只有电容充电时二极管才导通，所以导通时间小于半个周期。由于加了电容后电路输出的平均电压和平均电流都增大，而二极管的导通时间反而减少，因此整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的电流为电容充电，这就要求二极管的额定电流应足够大。全波整流电路每个二极管的正向平均电流约等于负载电流平均值的一半（本例中约为0.1A），而最大值要比平均值大一些，所以应使整流二极管最大平均电流大于负载平均电流一半的2到3倍，故二极管的额定电流可选0.3A以上当电路接通电源的瞬间对电容充电时，可能流过的最大电流为：6.4整流滤波电路参数选取方法

2）整流二极管的选择在未加滤波电容之前，无论是半波整流还是全波整流电路，二极管都是仅在半个周期处于导通状态；而加了滤波电容之后，只有电容充电时二极管才导通，所以导通时间小于半个周期。由于加了电容后电路输出的平均电压和平均电流都增大，而二极管的导通时间反而减少，因此整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的电流为电容充电，这就要求二极管的额定电流应足够大。全波整流电路每个二极管的正向平均电流约等于负载电流平均值的一半（本例中约为0.1A），而最大值要比平均值大一些，所以应使整流二极管最大平均电流大于负载平均电流一半的2到3倍，故二极管的额定电流可选0.3A以上当电路接通电源的瞬间对电容充电时，可能流过的最大电流为：6.4整流滤波电路参数选取方法

2）整流二极管的选择所以需选择耐波动电流大于50A的二极管。此外，应选择耐压大于的二极管，考虑一定的裕度，选择耐压为50V的二极管。表6-1为符合要求的一些常用二极管的参数。型号耐压(V)正向电流(A)耐波动电流(A)正向电压12V/1.5AS5277B1001501.2V/1A10D11001500.9V/1AERB12-011001601.1V/2A表6-1常用整流二极管6.4整流滤波电路参数选取方法

2）整流二极管的选择桥式整流电路中也可以采用已封装在一起的整流二极管堆来代替原先的四个二极管，常用产品型号见表6-2。普通二极管在流过1A左右的电流时，会产生1V以上的压降，这样造成了整流电路的效率低下。而采用肖特基二极管可以减小二极管上的正向压降。肖特基二极管的缺点是耐压不高，适用于桥式整流电路，同时肖特基二极管比普通二极管贵，所以这里没有选用。表6-3为常用整流肖特基二极管。表6-2整流二极管堆型号耐压(V)正向电流(A)耐波动电流(A)正向电压1B4B411001501.2V/1.5A1B4B421001301V/0.5A1S2371A1001301.05V/0.5A型号耐压(V)正向电流(A)耐波动电流(A)正向电压ERA81-004401500.55V/1AHRP22501500.55V/1AAK04401250.6V/1A表6-3整流肖特基二极管6.4整流滤波电路参数选取方法

3）滤波电容的选择若给电容充以Q的电荷，电容两端的电压为V，则：（6-1）当电容放电时，电容器两端电压将下降。对式6-1两端分别取微分，可得单位时间内电容两端电压的下降率，即：（6-2）因为为流过电容器的电流I，所以6-2式可以写为以下形式：（6-3）对于图6-11（b）所示的滤波电路电容充放电过程，因为电容的放电时间远大于充电时间，所以可以认为电压下降的时间为T/2，当电压下降值（即电压脉动值）为，则（6-4）6.4整流滤波电路参数选取方法

3）滤波电容的选择已经算出输出电压最大值约为23V，减去脉动电压，电路的最低输出应大于设计要求的21V，这是因为稳压电路没有升压作用，所以脉动电压不能太大。而由6-4式可知电容容量越小，脉动电压越大，所以应尽量选择容量大一些的电容器。对于本电路，已知，，设，则：

由于滤波电容的容量较大，一般采用电解电容，另外选择电容时应考虑电容的耐压，一般选择输出电压的两倍，这里可以选择50V。6.4整流滤波电路参数选取方法

3）滤波电容的选择以上介绍了桥式整流电路元件的选择，中心抽头型全波整流和桥式全波整流电路有以下几点不同：在桥式整流电路中，由于每次有两个二极管同时导通，两个二极管都存在损耗，所以在相同输入电压的情况下，中心抽头型电路的输出电压会高一些中心抽头型整流电路中流过变压器的电流是桥式电路的倍两个电路中二极管上要求的内压不同，桥式电路中二极管的耐压应大于，而中心抽头整流电路中二极管的耐压应是桥式电路中2倍。6.5稳压电路

1）稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路是最简单的一种稳压电路，它由一个稳压二极管和一个限流电阻组成，如图6-13所示。从图6-14的稳压管稳压特性曲线可以看到，只要稳压管的电流，则稳压管就使输出稳定在附近，其中是在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工作电压。限流电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用图6-13稳压二极管稳压电路图6-14稳压二极管稳压特性曲线6.5稳压电路

1）稳压二极管稳压电路

设计稳压二极管稳压电路首先需要根据设计要求和实际电路的情况来合适的选取电路元件，以下参数是设计前必须知道的：要求的输出电压、负载电流的最小值和最大值（或者负载的最大值和最小值）、输入电压的波动范围。根据上面的情况，我们可以确定以下元件和参数的选取：输入电压的确定：知道了要求的稳压输出，一般选为的2到3倍。也就是如果要获得10V的输出电压，那么整流滤波电路的输出电压应在二十几伏左右，然后可根据我们上节的方法来选取合适的变压器。6.5稳压电路

1）稳压二极管稳压电路稳压二极管的选择：稳压二极管的主要参数有三个：稳压值、最小稳定电流（即手册中的）和最大稳定电流（即手册中的）。选择稳压二极管时，应首先根据要求的输出电压来选择稳压值，使。确定了稳压值后，可根据负载的变化范围来确定稳定电流的最小值和最大值。一般要求额定稳定电流的变化范围大于实际负载电流的变化范围，即，同时最大稳定电流的选择应留有一定的余量，以免稳压二极管被击穿。综上所述，选择稳压二极管应满足：

（6-5）6.5稳压电路

1）稳压二极管稳压电路限流电路R的选择：限流电阻的选取应是稳压管中的电流在额定的稳定电流范围内，即。由图6-13可知：（6-6）当电网电压最低且负载电流最大时，稳压管中流过的电流最小，应保证此时的最小电流大于稳定电流的最小值，即：可得限流电阻的上限值为：（6-7）6.5稳压电路

1）稳压二极管稳压电路限流电路R的选择：

相反当电网电压最高且负载电流最小时，稳压管中流过的电流最大，此时应使此最大电流不超过稳定电流的最大值，即根据上式可得限流电阻的下限值为：（6-8）稳压管稳压电路的电路简单，所用元器件少，但受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调。此外，实际应用时负载电阻的变化范围有时也不易确定。

6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

实际中常用三端稳压器来做稳压电路。使用三端稳压器不仅元件数量少，使用方便，而且内部具有限流电路，输出断路时不会损坏元件，并具有热击穿功能。三端稳压器具有输入输出和接地三端，外形和晶体管类似，最常用的各系列三端稳压器及其参数如表6-4所示，78系列输出正电压和正电流，79系列输出负电压和负电流。表6-4不同系列三端稳压器参数比较

类型参数78L78N78M7879L79N79M79单位输入最大电压输入5~18V35353535-35-35-35-35V输入24V40404040-40-40-40-40V输出电流0.150.30.51-0.15-0.3-0.5-1A最大损耗0.587.5150.587.515W工作温度-30~75-30~80-30~75-30~75-30~75-30~80-30~75-30~75℃6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

表6-5为78系列三端稳压器的具体参数。表6-578系列三端稳压器的具体参数

型号参数78057806780778087812781578187824单位输出电压4.8~5.25.7~6.36.7~7.37.7~8.311.5~12.514.4~15.617.3~18.723~25V输入稳定度355.5610111518mV负荷稳定度1514131212121212mV偏流4.24.34.34.34.34.44.64.6mA脉动压缩度7875737271706966dB最小输入输出电压差33333333V输出短路电流0.750.750.750.750.750.750.750.75A输出峰值电流2.22.22.22.22.22.12.12.1A输出电压温度系数-1.1-0.8-0.8-0.8-1-1-1-1.5mV/℃6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

从表6-4和表6-5可知，稳压器要正常工作，输入输出端需要存在一个压差。对于表6-5中的稳压器，这个差值为3V，而这个差值又不能太大，对于三端稳压器7815来说，最大输入电压不能超过35V。脉动压缩度为在稳压电路中对输入端的脉动分量压低的程度。例如7815的脉动压缩度为70dB，就表示输出的脉动电压衰减到输入脉动电压的，如果输入的脉动电压为几伏，则输出的脉动电压为毫伏级，该值是很理想的。6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

图6-15为7815三端稳压器的应用电路，在三端稳压器输出端接有一电容C2，它的作用是降低三端稳压器的交流输出阻抗。一般这个电容值可选1～100μF，本电路中由于要求的输出电流较小，约为0.2A，所以可以选择20μF。由于铝介质电解电容的高频特性不太好，所以在C2上并联一个高频特性好的陶瓷电容C3，容量选0.1μF。图6-15三端稳压器的应用电路6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

当电阻为200Ω时，对图6-15的电路进行仿真，电路输出端接示波器，可得到图6-16所示的结果。稳压后电路输出约14.8V的电压，且电压波形比较平直。给输出端加探针可以观察到输出电流值，如图6-17（a）所示，增加负载到500Ω时，观察探针的变化如图6-17（b），可以看到输出电流随负载的增大而减小，输出电压值有微小的增大，但仍在稳压范围内。在电网波动范围内改变输入电压，观察输出端探针，电压和电流值基本不变。图6-16稳压电路输出（a）负载为200Ω时（b）负载为500Ω时图6-17输出端探针6.5稳压电路

2）简单三端稳压器稳压电路

为了提高三端稳压器承受功耗的能力，实际使用时一般都需要使用散热器。LM7815CT不加散热器时允许的功耗约为2W，当输入端电压为24V时，LM7815CT输入输出之间的电压差为9V，当要求的输出电流为0.2A，所以三端稳压器功耗为：考虑输出短路的情况，78N15可流过0.75A左右的短路电流，功耗将大于6.7W，此时必须使用散热器来保护三端稳压器。通过以上分析可知，在使用三端稳压器时，输入电压与输出电压的差值不能太大，太大了会使功耗增大6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路三端稳压器虽然输出电压较稳定，且使用方便，但其输出电压不可调，在实际应用中，我们需要对以上电路进行改进以满足要求。下面介绍几种常用的可调电压稳压电路：简单调压电路设计图6-18为最简单的由电阻和普通15V输出三端稳压器构成的可调电压稳压器。电阻R2连接于三端稳压器的输出端和接地端，其上流过的电流，也流过电阻R1，并在其上产生一定的压降，同时三端稳压器接地端和地之间有微小的电流，它也流过电阻R1，所以电路最后的输出电压为：

（6-9）6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路简单调压电路设计对图6-18所示的电路，如果忽略项的值，由于滤波后电压约为24V，减去3V的压差，输出端电压最好不要超过21V，所以应小于等于0.4。要想增大输出电压，应增大整流滤波电路的输出电压，但此可调的稳压电路的最低输出电压不低于15V。电路中将R1用一可调电阻代替，则调节R1的大小就能得到期望的输出电压。

图6-18简单可调电压稳压器6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路简单调压电路设计在图6-18的电压调节电路中，在A点和三端稳压器的公共端之间接入电压跟随器，可得图6-19的电路。电压跟随器基本吸收了三端稳压器接地端和地之间的电流，起到了缓冲隔离的作图6-19加电压跟随器的电压调节电路6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路最低电压可调电路我们先来看看常用的串联型可调稳压电路，如图6-20所示。晶体管采用射极输出的形式，引入了电压负反馈，同时起到了电流放大的作用。为了使输出电压可调，又引入了放大电路，和晶体管整体构成负反馈形式，由于集成运放开环差模增益可达80dB以上，所以电路引入了深度负反馈。运算放大器正输入端接一基准电源，当运放的放大倍数足够大，就可将运放近似为工作于线性区的理想运放，从而可以认为电路中A点电压和正输入端电压近似相等。当从0V开始改变时，电路相当于一个同相比例放大电路，所以电路输出电压可通过下式求得：（6-10）6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路最低电压可调电路由于电路中运算放大器使用三端稳压器进行稳压，所以A的工作电压是稳定的。因为晶体管分担了三端稳压器的一部分功耗，所以对于总体电路来说并没有增加三端稳压器的功耗。

图6-20串联型可调稳压电路6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路最低电压可调电路

电路中调整管即三极管的选择是很重要的，调整管一般选择大功率管，所以需要考虑的参数有集电极最大电流、最大管压降和集电极最大功耗。调整管极限参数的确定需考虑电网波动对输入电压的影响，以及输出电压和负载电流变化的影响。由电路6-20可知，调整管的发射极电流等于电阻上和负载上的电流之和，通常电阻取几十千欧的电阻，其上流过的电流不太大，所以当负载电流最大时，流过调整管发射极的电流就最大，所以选择调整管时，应保证其最大集电极电流（6-11）6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路最低电压可调电路调整管的管压降等于输入电压和输出电压之差，显然当电网电压最高且输出电压又最低时，调整管承受的管压降最大，所以应保证最大管压降（6-12）所以集电极最大功耗应满足：（6-13）在本电路中，当最大负载电流为0.2A时，应使；由于输入端有三端稳压器，所以输入电压基本不受电网电压的影响，最大输入电压约为18V，又最小可调电压为0V，所以应使；同时，考虑余量的同时，还应按三极管使用手册上的规定采取散热措施。根据以上要求，本电路中调整管可选择BD135。6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路最低电压可调电路图6-21的电路也可以实现电压从0V起调。设三端稳压器的输出稳压值为5V，则电路中三端稳压器可以认为是具有的限制器的晶体管，它和放大器构成了负反馈的形式。运算放大器正输入端接一可变基准电源，则电路中A点电压随正输入端电压变化。整个电路构成一同相比例放大电路，于是电路输出电压可通过式6-10求得：图6-21常用可调稳压电路6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路可调式三端稳压器的应用

以上由普通三端稳压器构成的可调稳压电路需外接基准电源来实现调压功能，且电路元件较多，实际应用中可用集成的可调式三端稳压器来代替上面的电路。常用的可调式三段稳压器有W117、W217、W317，它们具有相同的引出端、相同的基准电压和相似的内部结表6-6同系列器件参数对比构，不同的是它们的工作温度范围不同，W117的工作温度范围为-55~150℃，W217的工作温度范围为-25~150℃，W317的工作温度范围为0~125℃。对于同类型稳压器，器件名称后缀不同，其最大输出电流、器件封装形式和额定功耗也不同，如表6-6所示。应用中如需更大的输出电流，可选LM150系列（3A）和LM138系列（5A）,如同时需负的可调三端稳压器，可选择LM137系列。6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路可调式三端稳压器的应用

W117的可调输出电压范围为1.2V~37V；它的内部结构和串联型稳压电路类似，引入了电压负反馈，因而输出电压稳定；基准电压电路内部集成，典型基准电压值为1.25V；同时芯片内部还集成了过流保护、调整管安全区保护和过热保护等保护电路。W117的主要特性参数如表6-7所示表6-7W117主要参数主要参数符号典型值单位输入输出电压差3~40V输出电压1.2~37V参考电压1.25V调整端电流50μA最小负载电流3.5mA纹波抑制RR65dB6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路可调式三端稳压器的应用

W117的基本应用电路如图6-22所示，R2两端的电压大小约为1.25V，即为标称参考电压值；R2上的电流流过可调电阻R1，形成一个可变的电压；W117的调整管电流IQ很小，一般在R1上形成的压降很小，所以电路的输出电压大小可由下式计算得到：（6-14）图6-22W117的基本应用电路6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路可调式三端稳压器的应用

因为W117是浮动变压器，所以只要输入输出端的压差满足使用手册的要求，W117可以提供较高的输出电压，但必须同时考虑功耗和散热问题。当稳压器离电源滤波器有一定的距离时，需要加一个滤波器，可以选择0.1μF的圆片电容或1μF固体钽电容。输出端电容对稳定性而言不必要，但可以改善瞬态响应。和其它反馈电路相同，某些值的外部电容会引起过分振荡，1μF钽电容或25μF铝电解电容作为输出电容可以消除这一现象并保证稳定性。可通过把调节端A旁路到地来提高纹波抑制，该旁路电容可防止输出电压增大的同时纹波被放大。6.5稳压电路

3）输出电压可调的稳压电路可调式三端稳压器的应用

有外加电容的情况下，有时需要加保护二极管以防止电容通过稳压器内部低电流通路放电而损坏稳压器。图6-23为输出电压大于25V或电容较高（，）时的带保护二极管的应用电路。二极管D1可防止输入短路时经集成电路放电；二极管D2可防止输出短路时旁路电容对集成电路放电；D1和D2的组合可防止输入短路时对集成电路的放电。图6-23W117带保护二极管的应用电路6.5稳压电路

4）基准电源的设计

对于图6-20和图6-21的电路，必须外接基准源。一般常用齐纳二极管作为基准电压元件，但在要求稍高的场合，普通齐纳二极管不能满足设计的要求。下面，我们来介绍一种并联调整稳压器TL431，它的输出电压可调，调节范围约为2.5V到36V，具有约0.22Ω的低动态电阻和低输出噪声，其温度系数约为50，因此广泛应用于基准电压电路。图6-24为TL431的引脚示意图和内部等效电路图。TL431内部的基准电压约为2.5V，当参考端电压接近2.5V时，器件阴极将会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着参考端电压的微小变化而变化，电流变化范围为1～100mA。当然，图6-24（b）绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。6.5稳压电路

4）基准电源的设计

图6-24TL431的引脚示意图和内部等效电路图（a）（b）6.5稳压电路

4）基准电源的设计

当把TL431的参考端和阴极直接相连，其阳极和阴极之间的电压为输出最小电压，即相当于稳压值为2.5V的稳压二极管，其最简单的应用如图6-25所示，电路输出2.5V的恒定电压，在此电路输出端接和地之间接一个可变电阻器，则可实现0V到2.5V之间的调压。这里需要注意的一点就是电阻R阻值的选择，根据输入电压的大小和负载电阻的变化范围，选择一个合适的电阻R，使TL431的工作电流保证在1mA到100mA之内。图6-25TL431的简单应用6.5稳压电路

4）基准电源的设计

将TL431接成2.5V的输出电路，然后将其再接到普通三端稳压器的接地端，可构成固定输出的基准源，如图6-26所示。本电路中采用了LM7805CT三端稳压器，当然还可选用其它输出电压的稳压器，但必须注意稳压器的使用条件，如压差等。LM7805CT正常工作时公共端电流约为5mA，即为TL431的电流。该电路输出电压为LM7805CT和TL431的电压之和，即。图6-26TL431和三端稳压器的简单组合6.5稳压电路

4）基准电源的设计

图6-27为对电路进行参数扫描分析，得到输入端电压大小对输出结果的影响，其中图（a）显示了输入电压对输出端电压的影响，图（b）显示了输入电压对三端稳压器工作状态的影响。从图（a）可以看到当电路输入电压大于10V，即输入输出之间的压差大于2.5V左右时，输出电压恒定，约为7.5V，而当输入电压小于10V时，输出电压随输入电压的减小而减小；从图（b）的分析结果我们可以得出，当输入端电压偏低而输出端电压下降的主要原因是三端稳压器输入输出电压差没有达到其正常工作的最小压差，从而使三端稳压器的输出电压到不到5V。电路中LM7805CT输出端的最终电压为7.5V，为了确保其正常工作，应使输入电压大于10V。由于三端稳压器的输出电压占了整个电路输出电压的主要部分，所以电路的输出特性主要取决于三端稳压器。6.5稳压电路

4）基准电源的设计

（a）输出端电压分析（b）三端稳压器输出压降分析图6-27对输入端电压的参数扫描分析6.5稳压电路

4）基准电源的设计图6-28为TL431的可调压应用电路，把LM7805CT放于TL431的反馈环路，，则输出电压为：（6-15）该电路的输出电压主要由TL431的特性决定，而输出保护仍由LM7805CT提供。在三端稳压器LM7805CT和并联调整稳压器TL431的正常工作条件下，电路的最低输出电压为。该电路不能实现从0V开始调压。TL431的其他应用电路可参见技术手册。图6-28TL431的可调压应用电路6.5稳压电路

5）负电压跟随设计

负电压跟随正电压变化的稳压电路如图6-29所示，图中虚线框内的电路即负电压跟随电路。运算放大器A2经三极管T2接成负反馈形式，当其正输入端接地时，运放将控制T2使A2负端A点电压为0。A点通过电阻R3和R4和正负输出端相连，根据运放“虚断”的分析方法，我们知道流过R3的电流基本都流入R4，所以：（6-16）当电阻R3和R4的阻值相等时，可得：（6-17）图6-29负电压跟随稳压电路6.5稳压电路

5）负电压跟随设计

图6-30为电路采用图6-29的参数，输入电压为时的仿真结果，负输出端电压基本跟随正输出端电压的变化。此时，运放A2负输入端的电压和流过的电流基本为零，在A点和运放A2负输入端之间放置探针，其显示如图6-31所示。

图6-30虚拟示波器显示结果图6-31A2负输入端探针显示结果6.5稳压电路

6）稳压器设计主要技术参数

电压调整率：是指输入电压的变化引起输出电压的相对变化量，它反映了当负载电流和环境温度不变时，电网电压波动对稳压电路的影响。电压调整率的测试方法如下：①设置可调负载装置，使电源满载输出（即调节负载大小使输出电压为额定电压时，输出电流达到额定电流）；②调节交流源，使输入电压为下限值（模拟电网电压最低值），记录对应的输出电压；③增大输入电压到额定值，记录对应的输出电压；④调节输入电压为上限值，记录对应的输出电压；⑤按下式计算：

（6-18）

6.5稳压电路

6）稳压器设计主要技术参数负载调整率：在输入电压不变时，负载从空载到满载变化时输出电压的相对变化量。它反映了当输入电压和环境温度不变时，输出电阻变化时输出电压保持稳定的能力，即稳压电路的带负载能力。负载调整率的测试方法如下：①输入电压为额定值，输出空载时，记录此时输出电压；②调节负载为满载，记录对应的输出电压；③调节负载为50%满载，记录对应的输出电压，负载调整率按以下公式计算：（6-19）

6.5稳压电路

6）稳压器设计主要技术参数

纹波电压：指在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。需要注意的是，纹波不同于噪声。纹波是出现在输出端子间的一种与输入信号频率同步的成分，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，一般在输出电压的1%左右。纹波电压的测试方法为：先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量；同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。除了纹波电压还有两个和纹波相关的定义：一是纹波系数，指在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值与输出直流电压之比；二是纹波电压抑制比，指在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输入电压中的纹波电压与输出电压中的纹波电压之比。

6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

图6-32为设计的整体电路图。首先先确定整流滤波电路的元件参数。变压器中点接地，可获得正负交流输出电压。由于输出为18V的三端稳压器要求输入电压的最小值应大于等于21V，考虑输出电压的波动和电路中元件的损耗，应使变压器输出电压的峰值在25V左右即可。变压器幅值不能太大，否则三端稳压器输入输出端的压差将不能满足其工作要求。整流电桥选择整流二极管堆1B4B42，具体选取方法参见6.4.2节。经整流桥输出的脉动电压经电容滤波后输出近似的直流电压信号，由于要求的最大输出电流，设滤波后的脉动电压，则根据式6-4可以计算出电容C1和C2的电容值应选1000μF，耐压选为输出电压的2倍，可选50V耐压的电容。6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

图6-32可调稳压源整体设计电路6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

稳压电路主要分为：运放正负供电稳压源部分、可调稳压源部分和负电压跟随部分。运放正负供电稳压源部分：这部分是一个简单的三端稳压器稳压电路，输出直流电压对运放供电，以及对后级稳压电路提供稳定的输入电压。由于设计要求可调电压的最大值为，考虑一定的压差，选择此部分的输出电压为。设计要求最大输出电流为0.2A，所以应使三端稳压器的额定输出电流大于0.2A，这里正负输出三端稳压器分别选取了LM7818CT和LM7918CT。电容C3和C4用于降低输出阻抗，这里选用耐压为25V的20μF铝介质电解电容。为改善铝介质电解电容的高频特性，可在C3、C4旁并联高频特性好的陶瓷电容，容量选为0.1μF。

6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

可调稳压源部分这部分电路的原理可参见6.5.3节。TL431对电路提高基准电压，2.5V的基准电压经分压电位器R2分压后送入运放的正输入端，所以此可调电压的变化范围为0～2.5V。R1的大小控制流过TL431的电流，当R1取的电阻时，此流过R1上的电流值为：电位器R2上流过的电流是R1中电流的一部分，当时，电位器R2上的电流为：因此流过TL431的电流约为1.3mA，在TL431的工作范围内。6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

可调稳压源部分由于供电电压为，所以运放选择了耐压为的NE5532，NE5532一片芯片中集成了两个相同的运放，其参数见表6-8所示电路中三端稳压器LM7808CT可以认为是具有的限制器的晶体管接于放大器的反馈回路中，电阻R3与R4的比例决定了整个稳压电路输出电压的可调范围，输出电压，其中从0V到2.5V可调，要想使最大输出电压为15V，应等于5。

6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

1）电路设计

负电压跟随部分负电压跟随电路的原理可参见6.5.5节，只是本电路中晶体管换成了恒定输出电压的稳压三极管，具有更稳定的性能。输出端二极管D2和D3的作用是防止输出反向，电容C5到C8的作用和18V输出三端稳压器输出端电容的作用相同。最大额定供电电压输入偏移电压0.5mA输入偏移电流200mA同相输入电压（工作时）转换速度9V/μS

表6-8NE5532主要参数6.6可调直流稳压源设计与Multisim仿真

2）电路仿真分析

在Multisim中对图6-32的电路进行调整测试，过程如下：将R2调到最大值，输出空载，用示波器观察输出的正负电压，如图6-33（a）所示。负电压基本跟随正电压，且绝对值都约等于15V。当同时减小R5和R6的值时，负电压的跟随性