直流穩壓電源技術—串聯穩壓電源

一、簡易串聯穩壓電源

1、原理分析

圖4-1-1是簡易串聯穩壓電源，T1是調整管，D1是基準電壓源，R1是限流電阻，R2是負載。由于T1基極電壓被D1固定在UD1，T1發射結電壓(UT1)BE在T1正常工作時基本是一個固定值(一般硅管為0.7V，鍺管為0.3V)，所以輸出電壓UO=UD1-(UT1)BE。當輸出電壓遠大于T1發射結電壓時，可以忽略(UT1)BE，則UO≈UD1。

下面我們分析一下建議串聯穩壓電源的穩壓工作原理：

假設由于某種原因引起輸出電壓UO降低，即T1的發射極電壓(UT1)E降低，由于UD1保持不變，從而造成T1發射結電壓(UT1)BE上升，引起T1基極電流(IT1)B上升，從而造成T1發射極電流(IT1)E被放大β倍上升，由晶體管的負載特性可知，這時T1導通更加充分管壓降(UT1)CE將迅速減小，輸入電壓UI更多的加到負載上，UO得到快速回升。這個調整過程可以使用下面的變化關系圖表示：

UO↓→(UT1)E↓→UD1恒定→(UT1)BE↑→(IT1)B↑→(IT1)E↑→(UT1)CE↓→UO↑

當輸出電壓上升時，整個分析過程與上面過程的變化相反，這里我們就不再重復，只是簡單的用下面的變化關系圖表示：

UO↑→(UT1)E↑→UD1恒定→(UT1)BE↓→(IT1)B↓→(IT1)E↓→(UT1)CE↑→UO↓

這里我們只分析了輸出電壓UO降低的穩壓工作原理，其實輸入電壓UI降低等其他情況下的穩壓工作原理都與此類似，最終都是反應在輸出電壓UO降低上，因此工作原理大致相同。

從電路的工作原理可以看出，穩壓的關鍵有兩點：一是穩壓管D1的穩壓值UD1要保持穩定;二是調整管T1要工作在放大區且工作特性要好。

其實還可以用反饋的原理來說明簡易串聯穩壓電源的工作原理。由于電路是一個射極輸出器，屬于電壓串聯負反饋電路，電路的輸出電壓為UO=(UT1)E≈(UT1)B，由于(UT1)B保持穩定，所以輸出電壓UO也保持穩定。

簡易串聯穩壓電源由于使用固定的基準電壓源D1，所以當需要改變輸出電壓時只有更換穩壓管D1，這樣調整輸出電壓非常不方便。另外由于直接通過輸出電壓UO的變化來調節T1的管壓降(UT1)CE，這樣控制作用較小，穩壓效果還不夠理想。因此這種穩壓電源僅僅適合一些比較簡單的應用場合。

2、電路實例

圖4-1-1是簡易串聯穩壓電源的一個實際應用電路，這個電路用在無錫市無線電五廠生產的“詠梅”牌771型8管臺式收音機上。其中T8、DZ、R18構成簡易穩壓電路，B6、D4～D7、C21組成整流濾波電路。由于T8發射結有0.7V壓降，為保證輸出電壓達到6V，應選用穩壓值為6.7V左右的穩壓管。

二、串聯負反饋穩壓電源

由于簡易串聯穩壓電源輸出電壓受穩壓管穩壓值得限制無法調節，當需要改變輸出電壓時必須更換穩壓管，造成電路的靈活性較差;同時由輸出電壓直接控制調整管的工作，造成電路的穩壓效果也不夠理想。所以必須對簡易穩壓電源進行改進，增加一級放大電路，專門負責將輸出電壓的變化量放大后控制調整管的工作。由于整個控制過程是一個負反饋過程，所以這樣的穩壓電源叫串聯負反饋穩壓電源。

1、原理分析

圖4-2-1是串聯負反饋穩壓電路電路圖，其中T1是調整管，D1和R2組成基準電壓，T2為比較放大器，R3～R5組成取樣電路，R6是負載。其電路組成框圖見圖4-2-2。

假設由于某種原因引起輸出電壓UO降低時，通過R3～R5的取樣電路，引起T2基極電壓(UT2)O成比例下降，由于T2發射極電壓(UT2)E受穩壓管D1的穩壓值控制保持不變，所以T2發射結電壓(UT2)BE將減小，于是T2基極電流(IT2)B減小，T2發射極電流(IT2)E跟隨減小，T2管壓降(UT2)CE增加，導致其發射極電壓(UT2)C上升，即調整管T1基極電壓(UT1)B將上升，T1管壓降(UT1)CE減小，使輸入電壓UI更多的加到負載上，這樣輸出電壓UO就上升。這個調整過程可以使用下面的變化關系圖表示：

UO↓→(UT2)O↓→UD1恒定→(UT2)BE↓→(IT2)B↓→(IT2)E↓→(UT2)CE↑

→(UT2)C↑→(UT1)B↑→(UT1)CE↓→UO↑

當輸出電壓升高時整個變化過程與上面完全相反，這里就不再贅述，簡單的用下圖表示：

UO↑→(UT2)O↑→UD1恒定→(UT2)BE↑→(IT2)B↑→(IT2)E↑→(UT2)CE↓

→(UT2)C↓→(UT1)B↓→(UT1)CE↑→UO↓

與簡易串聯穩壓電源相似，當輸入電壓UI或者負載等其他情況發生時，都會引起輸出電壓UO的相應變化，最終都可以用上面分析的過程說明其工作原理。

在串聯負反饋穩壓電源的整個穩壓控制過程中，由于增加了比較放大電路T2，輸出電壓UO的變化經過T2放大后再去控制調整管T1的基極，使電路的穩壓性能得到增強。T2的β值越大，輸出的電壓穩定性越好。

2、調節輸出電壓

前面我們還說到R3～R5是取樣電路，由于取樣電路并聯在穩壓電路的輸出端，而取樣電壓實際上是通過這三個電阻分壓后得到。在選取R3～R5的阻值時，可以通過選擇適當的電阻值來使流過分壓電阻的電流遠大于流過T2基極的電流。也就是說可以忽略T2基極電流的分流作用，這樣就可以用電阻分壓的計算方法來確定T2基極電壓(UT2)B。

當R4滑動到最上端時T2基極電壓(UT2)B為：

此時輸出電壓為：

這時的輸出電壓是最小值。

當R4滑動到最下端時T2基極電壓(UT2)B為：

此時輸出電壓為：

這時的輸出電壓是最大值。

以上計算中，當(UT2)BE<

通過上面的計算我們可以看出，只要合適選擇R3～R5的阻值就可以控制輸出電壓UO的范圍，改變R3和R5的阻值就可以改變輸出電壓UO的邊界值。

3、增加輸出電流

當輸出電流不能達到要求時，可以通過采用復合調整管的方法來增加輸出電流。一般復合調整管有四種連接方式，如圖4-2-7所示。

圖4-2-7中的復合管都是由一個小功率三極管T2和一個大功率三極管T1連接而成。復合管就可以看作是一個放大倍數為βT1βT2，極性和T2一致，功率為(PT1)PCM的大功率管，而其驅動電流只要求(IT2)B。

圖4-2-8是一個實用串聯負反饋穩壓電源電路圖。此電路采用圖4-2-7(a)中的復合管連接方法來增加輸出電流大小。另外還增加了一個電容C2，它的主要作用是防止產生自激振蕩，一旦發生自激振蕩可由C2將其旁路掉。

三、設計實例

這一節我們綜合運用前面各章節的知識，根據給定條件實際設計一個直流穩壓電源，通過這個設計實例更好的掌握串聯負反饋穩壓電源的設計。由于是業余條件下的設計，有些參數指標并沒有過多考慮，有部分參數以經驗值進行估算。這樣可以避免涉及過深、過多的理論知識，對于業余條件下的應用完全可以滿足。

1、電路指標

①直流輸出電壓UO：6V～15V;

②最大輸出電流IO：500mA;

③電網電壓變化±10%時，輸出電壓變化小于±1%;

2、電路初選

由于橋式整流、電容濾波電路十分成熟，這里我們選擇橋式整流、電容濾波電路作為電源的整流、濾波部分。由于要求電源輸出電壓有一定的調整范圍，穩壓電源部分選擇串聯負反饋穩壓電路。同時由于對輸出電流要求比較大，調整管必須采用復合管。綜合這些因素可以初步確定電路的形式，參見圖4-2-9。

3、變壓部分

這一部分主要計算變壓器B1次級輸出電壓(UB1)O和變壓器的功率PB1。

一般整流濾波電路有2V以上的電壓波動(設為ΔUD)。調整管T1的管壓降(UT1)CE應維持在3V以上，才能保證調整管T1工作在放大區。整流輸出電壓最大值為15V。根據第二章《常用整流濾波電路計算表》可知，橋式整流輸出電壓是變壓器次級電壓的1.2倍。

當電網電壓下降-10%時，變壓器次級輸出的電壓應能保證后續電路正常工作，那么變壓器B1次級輸出電壓(UB1)OMIN應該是：

(UB1)OMIN=(ΔUD+(UT1)CE+(UO)MAX)÷1.2

(UB1)OMIN=(2V+3V+15V)÷1.2=20V÷1.2=16.67V

則變壓器B1次級額定電壓為：

(UB1)O=(UB1)OMIN÷0.9

(UB1)O=16.67V÷0.9=18.5V

當電網電壓上升+10%時，變壓器B1的輸出功率最大。這時穩壓電源輸出的最大電流(IO)MAX為500mA。此時變壓器次級電壓(UB1)OMAX為：

(UB1)OMAX=(UB1)O×1.1

(UB1)OMAX=18.5V×1.1=20.35V

變壓器B1的設計功率為：

PB1=(UB1)OMAX×(IO)MAX

PB1=20.35V×500mA=10.2VA

為保證變壓器留有一定的功率余量，確定變壓器B1的額定輸出電壓為18.5V，額定功率為12VA。實際購買零件時如果沒有輸出電壓為18.5V的變壓器可以選用輸出電壓為18V或以上的變壓器。當選用較高輸出電壓的變壓器時，后面各部分電路的參數需要重新計算，以免由于電壓過高造成元件損壞。

4、整流部分

這一部分主要計算整流管的最大電流(ID1)MAX和耐壓(VD1)RM。由于四個整流管D1～D4參數相同，所以只需要計算D1的參數。

根據第二章《常用整流濾波電路計算表》可知，整流管D1的最大整流電流為：

(ID1)MAX=0.5×IO

(ID1)MAX=0.5×500mA=0.25A

考慮到取樣和放大部分的電流，可選取最大電流(ID1)MAX為0.3A。

整流管D1的耐壓(VD1)RM即當市電上升10%時D1兩端的最大反向峰值電壓為：

(VD1)RM≈1.414×(UB1)OMAX=1.414×1.1×(UB1)O≈1.555×(UB1)O

(VD1)RM≈1.555×18.5V≈29V

得到這些參數后可以查閱有關整流二極管參數表，這里我們選擇額定電流1A，反向峰值電壓50V的IN4001作為整流二極管。

5、濾波部分

這里主要計算濾波電容的電容量C1和其耐壓VC1值。

根據根據第二

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