解析:0V - 500V、10mA 电源的不同稳压方案

时间:2025-05-23
  在现代电源技术领域,电源的稳压方式是一个至关重要的研究方向。随着电子设备的不断发展,对于电源的性能要求也越来越高。现代电源大多采用开关技术,能够从主电源获得所需的输出电压。然而,开关电源通常存在较高的噪声,这使得它无法应用于对噪声敏感的模拟电路中。在这种情况下,线性电源成为了选择。
  一、标准线性稳压器
 一个标准的线性稳压器。其输入端 V IN 接入一个高于所需值的未稳定电压,串联导通晶体管 Q1 会使输出 V OUT 降低到所需电平。误差放大器 IC1 会将 V OUT 的一部分与一个基准电压 VR 进行比较,并控制 Q1,从而使输出电压不受负载电流 IOUT 和 VIN 变动的影响。不过,这种电路仅适用于小范围的输出电压。当需要宽输出电压时(如实验室电源),电阻 R Q1 的值必须足够小,晶体管 Q1 才能在大输出电压范围下保持足够的基极电流。但当输出电压降低时,电阻 R Q1 和晶体管 Q3 上会消耗很大功率,而且 Q3 还必须能承受 VIN。
  二、改进电路解决宽输出电压问题
     可以有效解决上述问题。两个标准变压器 T 1 和 T 2 (220 V ac ~6 V ac, 10 W )用于产生一个主电源 VM 的隔离副本。这个副本经过 D1 、D2 、C1 和 C2 的倍压及整流,从 220 V ac 的 V M 可获得大约 560V 的 VIN。按照 中的连接标准,一只串联导通晶体管 Q1( BU508A )会将非稳压的 V IN 降低到一个固定的 V OUT ,IC 1 将分压后的 V OUT 与 VR 做比较。电位器 R 3 用于设定 VR,从而可以根据公式 V OUT = VR× [(RFG + RF) / RFG] 调节输出电压,其中 RF = RF1 + RF2…RFn。当十只电阻(每只 1MΩ)串联组成 RF,基准电压为 5V 时,输出电压可以设定为 0 V~505V。OPA364 运算放大器可在轨至轨输入情况下正常工作,VR 范围从 0 V~5V,能够提供高达 40mA 电流。
  三、降低功耗与扩展输出电压范围的措施
  为了降低因驱动一个串联导通晶体管而产生的功耗,并扩展输出电压范围,晶体管 Q1 的驱动采用了光隔离的非传统方式。两个光电二极管 FD1 和 FD2 工作在光伏模式,为晶体管 Q1 的基极提供驱动电流。落在光电二极管上的光线会产生进入 Q1 基极的电流。由于光伏模式下的单只光电二极管电压不足以驱动基极,因此采用两支光电二极管串联的方式。这里使用的是 870nm - 959 nm 红外光电二极管,用两只 IR LED LD1 和 LD2 作照明。LED 为标准的 5mm 塑封型。为了改善 LED 电流与光电二极管所产生电流的传输比,需要切掉 LED 顶端,再抛光成为一个平面,并将光电二极管靠近这个平面。这种自制光耦的传输比大约为 0.05(即通过 LED 的 20mA 电流可在光电二极管中产生 1mA 电流)。此外,也可以采用市售的线性光耦,例如 IL300,它封装了两只光电二极管。不过它的电流传输比只有约 0.007,因此应将多只并联使用。
  四、限流电路与其他相关设计
  Q2 和 R2 组成了限流电路,当输出电流大于 Q2 的导通阈值时,会简单地将 FD1 和 FD2 光电二极管短接,这种限制与输出电压无关。增加的电容 C6 用作补偿,而晶体管 Q1 应配备一个至少 5 C/W 的散热器。运放电源与基准电压都取自两个变压器之间的交流信号,采用了整流桥 BR1(50V,1A),两只滤波电容 C7 和 C8,以及稳压器 IC 2 (LM7805 )。通过简单地短接电容 C 5,使 VR 等于 0,就可以将输出电压切断。
  五、不同电压地区的电路调整
  对于 110V ac 电压地区的用户,可以采用当地的现成变压器,但需要修改电路。再增加一个变压器 T3(与 T1 和 T2 一样,均为 110 V ac~6 V ac, 10 W )才能获得 500V,方法是将低电压绕组并联,而变压器 T2 和 T3 的高电压绕组串联。高电压绕组的工作可以用交流电压表做校准;如果电压表读数为零,则必须交换 T3 的绕圈两端。另外,如果有 220 V / 6 V 的变压器,可保持 T2 为 220 V / 6 V,而 T1 用 110V/6V。
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