项目4 可调式双电源直流稳压电路设计
本项目所介绍的可调式双电源直流稳压电路在项目3的基础上，利用三端稳压器来实现对输出电压的调整，可将交流电源信号转变为直流稳压电源，实现输出可调，具有操作方便、电压稳定度高等特点。除输出正直流电压外，还输出负直流电压，可用于对电源精度要求比较高的设备或科研实验。
设计任务
设计一个简单的直流稳压电源，将市电转变为直流稳压电源，使其输出双电源，并能在±(1.25~26)V之间可调。
基本要求
能够提供稳定的±（1.25～26）V之间可调直流稳压电源。
最大输出电流为1A，电压调整率≤0.2%，负载调整率≤1%，纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）。
具有过流及短路保护功能。
系统组成
可调式双电源直流稳压电路系统主要分为以下四部分。
降压电路：利用变压器对220V交流电网电压进行降压，将其变为所需要的交流电压，以满足±（1.25～26）V电源输出的需要。
整流电路：将交流电压变为单向脉动的直流电压。
滤波电路：滤除整流电路输出的直流电中的纹波，将脉动的直流电压转变为平滑的直流电压，主要利用储能元件电容来实现。
稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压的稳定。
系统模块框图如图4-1所示。
图4-1 系统模块框图
模块详解
1.整流电路
它是全波整流的一种方式，称为桥式整流电路。该电路使用四个二极管，变压器有中心抽头。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，效率较高。利用两个半桥轮流导通，形成信号的正半周和负半周。使用有中心抽头的变压器则可以得到正负两个电压输出。
整流电路原理图如图4-2所示。整流电路输出用示波器监视，仿真结果如图4-3所示。
图4-2 整流电路原理图
图4-3 整流电路输出仿真结果
交流电压设定如图4-4所示，为了模仿市电经降压后的输入电压，将电压输入设置为50V，频率设置为50Hz。
图4-4 交流电压设定
2.滤波电路
电容滤波一般负载电流较小，可以满足放电时间常数较大的条件，所以输出电压波形的放电段比较平缓，纹波较小，输出脉动系数S小，输出平均电压UO大，具有较好的滤波特性。把电容和负载并联，正半周时电容充电，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。电路在三端稳压器的输入端接入电解电容C1=C3=1000μF用于电源滤波，其后并入电解电容C2=C4=4.7μF用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容C5=C6=4.7μF用于减小电压纹波，而并入陶瓷电容C7=C8=100nF用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰（陶瓷小电容电感效应很小，可以忽略，而电解电容因为电感效应在高频段比较明显，所以不能抑制高频干扰）。滤波电路如图4-5所示。
图4-5 滤波电路
为了验证滤波电路的效果，以前端滤波电路(见图4-6)为例进行分析。前端滤波电路输出用示波器监视，仿真结果如图4-7所示。
图4-6 前端滤波电路
图4-7 前端滤波电路输出仿真结果
若将C1调节为100μF，如图4-8所示，则会导致电路输出端out1与out2输出电压大小不等。在滤波电路输出端out1与out2处加入探针，用图表显示其输出仿真结果，如图4-9所示。
与固定式双电源直流稳压电路类似，本项目滤波电路中电容的大小除影响电路的滤波效果外，还影响电桥的整流输出。若上下电路不对称，则不会输出大小相等的直流电压有效值，即不会输出大小相等的直流正负电压。
图4-8 调节C1后的滤波电路
图4-9 调节C1后滤波电路输出仿真结果
3.稳压电路
使用三端稳压器有以下优点。
（1）元件数量少。
（2）带有限流电路，输出短路时不会损坏元件。
（3）具有热击穿功能。
三端稳压器选择LM317T和LM337T，它们的输出电压可在1.25~37V和-37~-1.25V之间连续调节，其输出电压由两个外接电阻RV1、RV2决定，输出端和调整端之间的电压差为1.25V。在输出端同时并入二极管D5、D6（型号为1N4001），当三端稳压器未接入输入电压时可保护其不至损坏。
利用RV1、RV2控制输出电压大小，调节RV1，使其处于位置1（9%），此时电路输出端out3输出+4.28V直流电压，输出端out4输出-11.36V直流电压，如图4-10 所示。
图4-10 RV1处于位置1时的稳压电路空载仿真图
用示波器监视正电压输出端out3与out4，结果如图4-11所示。
图4-11 RV1处于位置1时的稳压电路空载输出显示
如图4-11所示，该稳压电路输出稳定的正负电压。三端稳压器最易在输出脚（图4-10中2脚）电压高于输入脚（图4-10中3脚）电压时形成击穿而损坏，因此一般像图4-10中那样并联一个二极管1N4001。其主要作用是：如果输入端C1或C2出现短路，则输出2脚电压会高于输入3脚电压，很容易击穿三端稳压器，所以反向并联一个二极管，对1脚电压进行泄放，使2脚到3脚电压限幅为0.7V，可有效保护三端稳压器不被反向击穿。
加入2kΩ电阻与LED负载进行测试，如图4-12所示，用示波器监视正电压输出端out3与out4，结果如图4-13所示。
图4-12 RV1处于位置1时的输出测试
图4-13 RV1处于位置1时的稳压电路输出显示
可见，在正电源端通过调节RV1，可使其out3端输出如图4-13所示的+4.28V电压，此时电压不足以驱动LED发光；而负电源端通过调节RV2，可使其out4端输出-11.36V电压，该电压可使绿色LED发光。随后，调节RV1到达位置2（35%），使其阻值增大，则其对应电源输出电压也会增大。此时输出电压为+9.32V，负载红色LED点亮。RV1处于位置2时的稳压电路空载仿真图如图4-14所示。
图4-14 RV1处于位置2时的稳压电路空载仿真图
用示波器监视正电压输出端out3与out4，结果如图4-15所示。
图4-15 RV1处于位置2时的稳压电路空载输出显示
在两个三端稳压器输出端out3、out4处接入2kΩ电阻与LED负载进行测试，如图4-16所示，结果如图4-17所示。
图4-16 RV1处于位置2时的LED测试（一）
图4-17 稳压电路负载输出显示（一）
可见，在正电源端通过调节RV1，可使其输出如图4-17所示的+9.32V电压，此时电压足以驱动红色LED发光，因而红色LED被点亮，实现了输出电压可调。
若在两个三端稳压器输出端out3、out4处接入10kΩ电阻与LED负载进行测试，如图4-18 所示，则结果如图4-19所示。
图4-18 RV1处于位置2时的LED测试（二）
图4-19 稳压电路负载输出显示（二）
可见，当加在稳压电路输出两端的负载发生改变时，电路输出电压基本不随负载变化而变化（负载调整率小于1%），故满足稳压设计指标要求。
可调式双电源直流稳压电路整体电路原理图如图4-20所示。
图4-20 可调式双电源直流稳压电路整体电路原理图
经过对电路板进行实际测试，输出电压在1.48~14.84V之间可调，基本符合设计要求。
PCB版图
PCB版图如图4-21所示。
图4-21 PCB版图
实物测试
可调式双电源直流稳压电路实物图如图4-22所示，可调式双电源直流稳压电路测试图如图4-23所示。
图4-22 可调式双电源直流稳压电路实物图
图4-23 可调式双电源直流稳压电路测试图
思考与练习
在设计可调式直流稳压电路时，使用LM317T、LM337T有何优势?
答：LM317T、LM337T是应用最为广泛的电源集成电路，它们不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，而且具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317T、LM337T是可调式三端正/负电压稳压器，在输出电压范围为±（1.2～37）V时能够提供超过1.5A的电流，易于使用。
特别提醒
有时需在三端稳压器上安装散热器。一般半导体集成电路所能承受的消耗功率与器件尺寸大小成正比。不加散热器时LM317T、LM337T允许功耗约为1.5W。若考虑输出短路的情况，功耗会增至2.1W，为提高三端稳压器的承受能力，供电时间长时需使用散热器。