基本模拟电源设计

有句老话：“你可以给一个人一条鱼，他会吃一天，或者你可以教一个人钓鱼，他会吃一辈子。” 有很多文章为读者提供了构建电源的特定设计，这些食谱设计没有任何问题。 他们通常有很好的表现。 但是，他们没有教读者如何自己设计电源。 这篇由两部分组成的文章将从头开始，解释构建基本模拟电源所需的每一个步骤。 该设计将侧重于无处不在的三端稳压器，并包括对基本设计的许多改进。

始终重要的是要记住，电源——无论是用于特定产品还是作为通用测试设备——都有可能使用户触电、引发火灾或破坏它所供电的设备。 显然，这些都不是什么好事。 出于这个原因，保守地处理这种设计是至关重要的。 为组件提供足够的余量。 设计良好的电源是一种从未被注意到的电源。

输入功率转换

图 1 显示了典型模拟电源的基本设计。 它由三个主要部分组成：输入功率转换和调节； 整流过滤； 和监管。 输入电源转换通常是一个电源变压器，是这里考虑的唯一方法。 但是，有几点很重要。

图 1. 基本模拟电源由三部分组成。 前两个将在本文中讨论，最后一个在下一部分中讨论。

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首先是 117 VAC（伏特交流电）实际上是 RMS（均方根）测量。 （请注意，我见过从 110 VAC 到 125 VAC 的普通家用电源。我刚刚测量了我的电源，发现它正好是 120.0 VAC。）正弦波的 RMS 测量值远低于实际峰值电压，代表提供相同功率所需的等效 DC（直流）电压。

RMS 转换根据波形而变化； 对于正弦波，该值为 1.414。 这意味着零伏附近的偏差实际上是 169.7 伏（对于我的 120 VAC 电源）。 每个周期的功率从 -169.7 伏到 +169.7 伏。 因此，峰峰值电压实际上是339.4伏！

当在主电源线上添加旁路电容器以抑制进入或离开电源的噪声（一种常见情况）时，该电压变得尤为重要。 如果您认为实际电压为 120 伏，则可以使用 150 伏电容器。 如您所见，这是不正确的。 电容器的绝对最低安全工作电压为 200 伏（250 伏更好）。 不要忘记，如果您希望在线路上看到噪声/尖峰，您需要将该噪声/尖峰电压添加到峰值电压。

在美国，输入频率普遍为 60 Hz。 在欧洲，50 Hz 很常见。 额定为 60 Hz 的变压器通常在 50 Hz 下表现良好，反之亦然。 此外，电源线的频率稳定性通常非常好，很少考虑。 有时，您可能会发现可用的 400 Hz 变压器。 这些通常是军事或航空设备，通常不适合在 50/60 Hz 电源上使用（反之亦然）。

变压器的输出也指定为 RMS 电压。 此外，指定的电压是满载下预期的最小电压。 空载时额定输出通常会增加 10% 左右。 （我的 25.2 伏/两安变压器在空载时测量为 28.6 伏。）这意味着我的 25.2 伏变压器的实际空载/峰值输出电压是 40.4 伏！ 如您所见，务必记住交流电源的额定 RMS 电压远低于实际峰值电压。

图 2 提供了典型的输入电源转换和调节设计。 我更喜欢使用双极开关，尽管它不是绝对必要的。 它可以防止电源插座接线错误（今天很少见）或电源本身中的电源线接线错误（更常见）。 至关重要的是，当电源开关关闭时，火线与电源断开。

图 2. 输入调节非常基本，但必须记住，RMS 电压与峰值电压不同。 120 VAC RMS 的峰值电压约为 170 伏。

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保险丝（或断路器）是必要的。 它的主要目的是防止火灾，因为没有它，变压器或初级电路短路将允许大量电流流动，导致金属部件变红甚至白热。 它通常是额定电压为 250 伏的慢速型。 额定电流应该是变压器可以预期的电流的两倍。

例如，上面提到的 25.2 伏 0.42 安变压器将消耗大约 25.2 安的初级电流（120 伏/XNUMX 伏 x XNUMX 安）。 因此，一安培的保险丝是合理的。 次级保险丝将在下一篇文章中讨论。

旁路电容器有助于滤除噪声，是可选的。 由于峰值电压约为 170 伏，因此 250 伏额定值比边际 200 伏额定值要好。 您可能需要使用“电源输入过滤器”。 这些单位有很多种。 有些在一个小包装中包含标准电源连接器、开关、保险丝座和过滤器。 其他人可能只有这些组件中的一些。 通常情况下，所有东西都相当昂贵，但通常可以以非常合理的价格找到多余的单位。

能够确定初级电路是否通电很重要，因此使用指示灯。 显示了两个典型电路。 霓虹灯已经使用了几十年。 它既简单又便宜。 它的缺点是有点脆弱（由玻璃制成）； 如果电阻太大会闪烁； 并且实际上会产生一些电噪声（由于氖气的突然离子分解）。

LED 电路还需要一个限流电阻。 在 10,000 hms 时，提供大约 12 mA 的电流。 大多数 LED 的额定最大电流为 20 mA，因此 12 mA 是合理的。 （高效 LED 只需 1 或 2 mA 即可令人满意地工作，因此可以根据需要增加电阻。）

请注意，LED 的反向击穿电压非常差（通常为 10 到 20 伏）。 因此，需要第二个二极管。 这必须能够在至少 170 伏的 PIV（峰值反向电压）下运行。 标准 1N4003 的额定值为 200 PIV，它没有提供太多余量。 1N4004 的额定值为 400 PIV，可能还要贵一分钱。 通过将其与 LED 串联，整体 PIV 为 400 加上 LED PIV。

整流和过滤

图 3、4 和 5 显示了最典型的整流电路，其输出波形如上所示。 （滤波电容器未显示，因为添加它后，波形会变成类似于直流电压的东西。）检查这三个基本电路以确定它们的优点和缺点很有用。

图 3 显示了基本的半波整流器。 唯一的优点是它非常简单，只使用一个整流器。 不好的特点是它只使用了一半的功率循环，使得电路的理论效率在刚启动时不到 50%。 通常，半波整流器电源的效率只有 30%。 由于变压器是昂贵的物品，这种低效率的成本非常高。 其次，波形很难过滤。 有一半时间根本没有来自变压器的电力。 平滑输出需要非常高的电容值。 它很少用于模拟电源。

图 3. 半波整流器电路很简单，但产生的输出波形很差，很难过滤。 此外，浪费了一半的变压器功率。 （请注意，为了清楚起见省略了滤波电容器，因为它们会改变波形。）

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当在半波整流电路中加入滤波电容时，会发生一件有趣而重要的事情。 空载电压差加倍。 这是因为电容器从周期的前半部分（正部分）存储能量。 当第二半发生时，电容器保持正峰值电压，负峰值电压施加到另一个端子，导致电容器和二极管看到完整的峰峰值电压。 因此，对于上面的 25.2 伏变压器，这些组件看到的实际峰值电压可能超过 80 伏！

图 4（顶部电路）是典型全波/中心抽头整流器电路的示例。 当使用它时，在大多数情况下，它可能不应该使用。 它提供了一个很好的输出，完全纠正。 这使得过滤相对容易。 它只使用两个整流器，因此非常便宜。 然而，它并不比上面介绍的半波电路更有效。

图 4. 全波设计（顶部）产生良好的输出。 通过重新绘制电路（底部），可以看出它实际上只是两个连接在一起的半波整流器。 同样，一半的变压器功率被浪费了。

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这可以通过重新绘制带有两个变压器的电路来看到（图 4 底部）。 完成后，很明显全波实际上只是连接在一起的两个半波电路。 每个变压器功率循环的一半未使用。 因此，最大理论效率为 50%，实际效率约为 30%。

该电路的 PIV 是半波电路的一半，因为二极管的输入电压是变压器输出的一半。 中心抽头为变压器绕组的两端提供一半的电压。 因此，对于 25.2 伏变压器示例，PIV 为 35.6 伏加上空载增加约 10%。

图 5 显示了桥式整流器电路，通常应该是首选。 输出经过完全整流，因此过滤相当容易。 然而，最重要的是，它使用了功率循环的两半。 这是最有效的设计，可以最大限度地利用昂贵的变压器。 添加两个二极管比将变压器额定功率（以“伏安”或 VA 衡量）翻倍要便宜得多。

图 5. 桥式整流器方法（顶部）可充分利用变压器功率和全波整流。 此外，通过改变接地参考（底部），可以获得双电压电源。

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这种设计的唯一缺点是电源必须通过两个二极管，导致电压降为 1.4 伏，而不是其他设计的 0.7 伏。 通常，这只是低压电源的问题，其中额外的 0.7 伏特代表了输出的很大一部分。 （在这种情况下，通常使用开关电源而不是上述任一电路。）

由于每个半周期使用两个二极管，因此每个二极管只能看到一半的变压器电压。 这使得 PIV 等于峰值输入电压或变压器电压的 1.414 倍，这与上面的全波电路相同。

桥式整流器的一个非常好的特点是可以改变接地参考以产生正负输出电压。 这显示在图 5 的底部。

筛选

模拟电源的几乎所有滤波都来自滤波电容器。 可以使用与输出串联的电感器，但在 60 Hz 时，这些电感器必须非常大且价格昂贵。 有时，它们用于合适的电容器价格昂贵的高压电源。

计算滤波电容 (C) 的公式非常简单，但您需要知道可接受的峰峰值纹波电压 (V)、半周期时间 (T) 和汲取的电流 (I)。 公式为 C=I*T/V，其中 C 的单位为微法拉，I 的单位为毫安，T 的单位为毫秒，V 的单位为伏特。 60 Hz 的半周期时间为 8.3 毫秒（参考：1997 Radio Amateur's Handbook）。

从公式中可以清楚地看出，大电流和/或低纹波电源的滤波要求会增加，但这只是常识。 一个容易记住的例子是每安培电流 3,000 微法将提供大约 XNUMX 伏的纹波。 您可以使用此示例中的各种比率，以相当快地提供对所需内容的合理估计。

一个重要的考虑因素是开启时的电流浪涌。 滤波电容器充当完全短路，直到它们被充电。 电容器越大，这种浪涌就越大。 变压器越大，浪涌越大。 对于大多数低压模拟电源（<50 伏），变压器绕组电阻有一定帮助。 25.2 伏/两安培变压器的测量二次电阻为 0.6 欧姆。 这将最大浪涌电流限制为 42 安培。 此外，变压器的电感稍微降低了这一点。 但是，导通时仍然存在较大的潜在电流浪涌。

好消息是现代硅整流器通常具有巨大的浪涌电流能力。 标准的 1N400x 系列二极管通常规定有 30 安培的浪涌电流。 对于桥式电路，有两个二极管承载它，因此最坏的情况是每个 21 安培，低于 30 安培的规格（假设均流相等，但情况并非总是如此）。 这是一个极端的例子。 通常，使用大约 10 的因子，而不是 21。

尽管如此，当前的激增也不容忽视。 多花几美分使用三安培电桥而不是一安培电桥可能是物有所值的。

实用设计

我们现在可以使用这些规则和原则并开始设计基本电源。 我们将使用 25.2 伏变压器作为设计的核心。 图 6 可以看作是先前数字的组合，但添加了实际零件值。 次级中的第二个指示灯指示其状态。 它还显示电容器上是否有电荷。 如此大的值，这是一个重要的安全考虑。 （请注意，由于这是直流信号，因此不需要 1N4004 反向电压二极管。）

图 6. 具有实用部件规格的电源的最终设计。 下一篇文章将讨论调节功率。

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并联使用两个较小的电容器可能比使用一个大的电容器便宜。 电容器的工作电压必须至少为 63 伏； 50 伏对于 40 伏峰值来说是不够的。 50 伏装置仅提供 25% 的余量。 这对于非关键应用来说可能没问题，但如果电容器在这里出现故障，结果可能是灾难性的。 63 伏电容器提供大约 60% 的裕量，而 100 伏电容器提供 150% 的裕量。 对于电源，一般的经验法则是整流器和电容器的裕度在 50% 到 100% 之间。 （纹波应约为 XNUMX 伏，如图所示。）

桥式整流器必须能够处理高初始电流浪涌，因此多花一两毛钱来提高可靠性是值得的。 请注意，电桥是由变压器可以提供的电源指定的，而不是电源最终指定的电源。 这是在输出短路的情况下完成的。 在这种情况下，变压器的全部电流将通过二极管。 请记住，电源故障是一件坏事。 所以，设计它是健壮的。

结论

在设计电源时，细节是一个重要的考虑因素。 注意 RMS 电压和峰值电压之间的差异对于确定电源的正确工作电压至关重要。 此外，初始浪涌电流也是不可忽视的。

在第 2 部分中，我们将通过添加一个三端稳压器来完成这个项目。 我们将设计一种具有远程关闭功能的通用、限流、可调电压电源。 此外，用于此设计的原理可应用于任何电源设计。 

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