直流穩(wěn)壓電源技術(shù)——串聯(lián)穩(wěn)壓電源1綜述

1、直流穩(wěn)壓電源技術(shù)一一串聯(lián)穩(wěn)壓電源第四章串聯(lián)穩(wěn)壓電源上一章我們談到并聯(lián)穩(wěn)壓電源有效率低、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍小和穩(wěn)定度不高這三個(gè)缺點(diǎn)。而串聯(lián)穩(wěn)壓電源正好可以避免這些缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在廣泛使用的一般都是串聯(lián)穩(wěn)壓電源。一、簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源1原理分析圖4 1 1是簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源，T1是調(diào)整管，D1是基準(zhǔn)電壓源，R1是限流電阻, R2是負(fù)載。由于T1基極電壓被D1固定在Ub1, T1發(fā)射結(jié)電壓(UT1)be在T1正常工作時(shí)基本 是一個(gè)固定值(一般硅管為 0.7V，鍺管為0.3V )，所以輸出電壓 UO= Ub1( UT1)be。當(dāng)輸 出電壓遠(yuǎn)大于 T1發(fā)射結(jié)電壓時(shí)，可以忽略(UT1)be,則UO- Ub1o下

2、面我們分析一下建議串聯(lián)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓工作原理：假設(shè)由于某種原因引起輸出電壓Ub降低，即T1的發(fā)射極電壓(UT1)e降低，由于Ub1保持不變，從而造成 T1發(fā)射結(jié)電壓(5) BE上升，引起T1基極電流(lT1)b上升，從而造 成T1發(fā)射極電流(lT1)e被放大B倍上升，由晶體管的負(fù)載特性可知，這時(shí)T1導(dǎo)通更加充分管壓降(Lh) ce將迅速減小，輸入電壓U更多的加到負(fù)載上，Ub得到快速回升。這個(gè)調(diào)整過(guò)程可以使用下面的變化關(guān)系圖表示：Ubjf(Ur1)eJtUb1 恒定Ut1)BE?( IT1)B ?( I T1) E ?(UT1 )CeJt Ubf當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，整個(gè)分析過(guò)程與上面過(guò)程的變化相反

3、，這里我們就不再重復(fù)， 只是簡(jiǎn)單的用下面的變化關(guān)系圖表示：Ubff( Ur1)Ub1 恒定Ut1) BeJt( I T1) bJt( I T1) eJt( Ur1 )UbJ這里我們只分析了輸出電壓UO降低的穩(wěn)壓工作原理，其實(shí)輸入電壓U降低等其他情況下的穩(wěn)壓工作原理都與此類(lèi)似，最終都是反應(yīng)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(wěn)壓的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值Lbi要保持穩(wěn)定；二是調(diào)整管 T1要工作在放大區(qū)且工作特性要好。其實(shí)還可以用反饋的原理來(lái)說(shuō)明簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理。由于電路是一個(gè)射極輸出器，屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，電路的輸出電壓為L(zhǎng)b=( LFi

4、) e( Lh) b,由于(LFi)B保持穩(wěn)定，所以輸出電壓Lb也保持穩(wěn)定。簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源由于使用固定的基準(zhǔn)電壓源D1,所以當(dāng)需要改變輸出電壓時(shí)只有更換穩(wěn)壓管D1,這樣調(diào)整輸出電壓非常不方便。另外由于直接通過(guò)輸出電壓Lb的變化來(lái)調(diào)節(jié)T1的管壓降(LTi) ce,這樣控制作用較小，穩(wěn)壓效果還不夠理想。因此這種穩(wěn)壓電源僅僅 適合一些比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合。2、電路實(shí)例圖4 1 1是簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用電路，這個(gè)電路用在無(wú)錫市無(wú)線電五廠生產(chǎn)的“詠梅”牌771型8管臺(tái)式收音機(jī)上。其中 T8、DZ、R18構(gòu)成簡(jiǎn)易穩(wěn)壓電路，B6、 D4D7、C21組成整流濾波電路。 由于T8發(fā)射結(jié)有0.7V壓降，

5、為保證輸出電壓達(dá)到 6V,應(yīng) 選用穩(wěn)壓值為6.7V左右的穩(wěn)壓管。二、串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源由于簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸出電壓受穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值得限制無(wú)法調(diào)節(jié)，當(dāng)需要改變輸出電壓時(shí)必須更換穩(wěn)壓管，造成電路的靈活性較差；同時(shí)由輸出電壓直接控制調(diào)整管的工作，造成電路的穩(wěn)壓效果也不夠理想。所以必須對(duì)簡(jiǎn)易穩(wěn)壓電源進(jìn)行改進(jìn)，增加一級(jí)放大電路,專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)將輸出電壓的變化量放大后控制調(diào)整管的工作。由于整個(gè)控制過(guò)程是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程，所以這樣的穩(wěn)壓電源叫串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源。1原理分析圖4 2 1是串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路電路圖，其中T1是調(diào)整管，D1和R2組成基準(zhǔn)電壓，T2為比較放大器，R3R5組成取樣電路，R6是負(fù)載。其電路組成框圖

6、見(jiàn)圖4 2 2。假設(shè)由于某種原因引起輸出電壓UO降低時(shí)，通過(guò)R3R5的取樣電路，引起 T2基極電壓(UT2)o成比例下降，由于 T2發(fā)射極電壓(UT2)e受穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值控制保持不變， 所以T2發(fā)射結(jié)電壓(UT2)BE將減小，于是T2基極電流(lT2)B減小，T2發(fā)射極電流(I T2)E 跟隨減小，T2管壓降(UT2)CE增加，導(dǎo)致其發(fā)射極電壓(UT2)C上升，即調(diào)整管T1基極電壓(Un) b將上升，T1管壓降(UT1)ce減小，使輸入電壓 U更多的加到負(fù)載上，這樣輸出電壓UO就上升。這個(gè)調(diào)整過(guò)程可以使用下面的變化關(guān)系圖表示：UOUr2)OU)1 恒 定T(Ut2)BeJt(IT2)bJt

7、(I T2)eJt(Ur2)CE fT( Ur2) C?t( Ur1 ) B ?( Ur1) CEUlf當(dāng)輸出電壓升高時(shí)整個(gè)變化過(guò)程與上面完全相反，這里就不再贅述，簡(jiǎn)單的用下圖表示：UO ?t( Ur2) ofT UD1 恒定T( UT2) BEt( | T2) B t( | T2) E t( Ur2) CE JT( Ur2) C Jt( Ur1 ) B Jt( Ur1) CEfT U) J與簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源相似，當(dāng)輸入電壓U或者負(fù)載等其他情況發(fā)生時(shí)，都會(huì)引起輸出電壓UO的相應(yīng)變化，最終都可以用上面分析的過(guò)程說(shuō)明其工作原理。圖42 1 ；串聯(lián)負(fù)反憒穩(wěn)IS電源電路圖在串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源的整個(gè)穩(wěn)壓

8、控制過(guò)程中，由于增加了比較放大電路T2，輸出電壓Ub的變化經(jīng)過(guò)T2放大后再去控制調(diào)整管 T1的基極，使電路的穩(wěn)壓性能得到增強(qiáng)。 T2 的3值越大，輸出的電壓穩(wěn)定性越好。2、調(diào)節(jié)輸出電壓前面我們還說(shuō)到 R3R5是取樣電路，由于取樣電路并聯(lián)在穩(wěn)壓電路的輸出端，而取樣電壓實(shí)際上是通過(guò)這三個(gè)電阻分壓后得到。在選取R3R5的阻值時(shí)，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚祦?lái)使流過(guò)分壓電阻的電流遠(yuǎn)大于流過(guò)T2基極的電流。也就是說(shuō)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(jì)算方法來(lái)確定T2基極電壓（UT2）b。+ o 調(diào)整管 C + 比校改大Ui2取樣電路U0基準(zhǔn)電壓O3 一圖422：串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源框圖當(dāng)

9、R4滑動(dòng)到最上端時(shí) T2基極電壓（UT2）b為:（%）產(chǎn)R4+R3 + R4 + R5圖4-2-3： R4滑動(dòng)到最上端時(shí)T2基極電壓計(jì)算公式此時(shí)輸出電壓為:R3 + R4 + R5 R4 + R5R3 + :R4 + R5R4 + R5圖4一2血R4滑動(dòng)到最上端時(shí)輸出電壓計(jì)算公式這時(shí)的輸出電壓是最小值。當(dāng)R4滑動(dòng)到最下端時(shí) T2基極電壓（Uh） b為：.R5（UT2）B=UoT3 B R3 + R4 + R5 0圖4-2-5： R4滑動(dòng)到最下端時(shí)丁2基極電壓計(jì)算公式uo =此時(shí)輸出電壓為:R5R5R3 + R4 + R5（ （%九 + %）圖4-2-6t R4滑動(dòng)到最下端時(shí)輸出電壓計(jì)算公式這時(shí)

10、的輸出電壓是最大值。以上計(jì)算中，當(dāng)（Ur2） BE 50V,完全可以滿足要求。如果實(shí)在無(wú)法找到3DD155A也可以考慮用3DD15A代替，該管參數(shù)為：Pcm= 50W Icm= 5A, BVCec 60V。選擇調(diào)整管T1時(shí)需要注意其放大倍數(shù)3 40。調(diào)整管 T2 各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算原則與 T1 類(lèi)似，下面給出各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程。( BVT2) CEc=( BVT1) CEc=( LB1) cMA=X 2035V同樣考慮到留有一定余量，取(BVT2) CEO為25V。(I T2) CM=( I T1)CMT 3 T1(I T2) cm= 600mA 40= 15mA(Pt2 ) CM=( LB1)

11、CMA LcMIN)X( I T2) CM(Pt2) cm=( 20.35V 6V)X 15mA= 0.21525W考慮到留有一定余量，可取(Pt2) cm為250mW查詢(xún)晶體管參數(shù)手冊(cè)后選擇 3GD6D乍為調(diào)整管T2。該管參數(shù)為：Pcm= 500mVy I cm= 2 0mA BVCec 30V,完全可以滿足要求。還可以采用 9014作為調(diào)整管T2，該管參數(shù)為：Pcm= 450mW I cm= 100mA BVCeO 45V,也可以滿足要求。選擇調(diào)整管T2時(shí)需要注意其放大倍數(shù)3 80。則此時(shí) T2 所需要的基極驅(qū)動(dòng)電流為：(I T2) maq( I T2) cm B ti = 15mA 80

12、 = 0.1875mA7、基準(zhǔn)電源部分基準(zhǔn)電源部分主要計(jì)算穩(wěn)壓管D5和限流電阻R2的參數(shù)。穩(wěn)壓管D5的穩(wěn)壓值應(yīng)該小于最小輸出電壓UOmin,但是也不能過(guò)小， 否則會(huì)影響穩(wěn)定度。這里選擇穩(wěn)壓值為 3V的2CW51該型穩(wěn)壓管的最大工作電流為71mA最大功耗為250mW為保證穩(wěn)定度，穩(wěn)壓管的工作電流ID5應(yīng)該盡量選擇大一些。而其工作電流lD5=( IT3)Ce+ I R2，由于(I T3)CE在工作中是變化值，為保證穩(wěn)定度取| R2( I T3) CE,則|d5 I R2O這里初步確定I r2min= 8mA貝U R2為：R2=( UOMIN UD5) * I R2MINR2=( 6V 3V)* 8

13、mA= 375 Q實(shí)際選擇時(shí)可取 R2為390 Q當(dāng)輸出電壓 Uo最咼時(shí)，I R2MA為：I R2MA=X Udma* R2I R2MA=X 15V* 39038.46mA這時(shí)的電流IR2MAX小于穩(wěn)壓管D5的最大工作電流，可見(jiàn)選擇的穩(wěn)壓管能夠安全工作。8、取樣部分取樣部分主要計(jì)算取樣電阻R3 R4、R5的阻值。由于取樣電路同時(shí)接入 T3的基極，為避免 T3基極電流It3b對(duì)取樣電路分壓比產(chǎn)生 影響，需要讓|T3B I R3。另外為了保證穩(wěn)壓電源空載時(shí)調(diào)整管能夠工作在放大區(qū)，需要讓 IR3大于調(diào)整管T1的最小工作電流(I T1)cemino由于3DD155A最小工作電流( I T1) CEMI

14、N為 1mA 因此取 I R3MIN= 10mA則可得：R3 R4 R5= UOMIN* I R3MINR3 R4 R5= 6V* 10mA= 600Q當(dāng)輸出電壓 UO= 6V 時(shí)：5+( UT3) be=( R4+ R5)*( R3+ R4+ R5)X Lb(R4 + R5) = ( LD5+( LT3) be)X( R3+ R4+ R5)* Lb(R4+ R5) = ( 3V+ 0.7V )X 600 Q * 6V= 370 Q當(dāng)輸出電壓 Lb= 15V 時(shí)：LD5+( LT3) be= R5*( R3+ R4+ R5)X LbR5=( UDs+( UT3)be)X( R3+ R4+ R5

15、)+ UOR5=( 3V+ 0.7V )X 600 Q - 15V= 148Q實(shí)際選擇時(shí)可取 R5為150 Q。這樣R4為220 Q , R3為230Q。但實(shí)際選擇時(shí)可取 R3 為 220Q。9、放大部分放大部分主要是計(jì)算限流電阻 R1 和比較放大管 T3 的參數(shù)。由于這部分電路的電流比較小，主要考慮 T3的放大倍數(shù)B和集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓(BVTi) ceo這里需要T3工作在放大區(qū)，可通過(guò)控制T3的集電極電流(It3)c來(lái)達(dá)到。而(IT3)C是由限流電阻R1控制，并且有：I R1=( I T3) c( I T2) B一方面，為保證 T1能夠滿足負(fù)載電流的要求，要求滿足|R1( |T2)

16、B；另一方面，為保證T3穩(wěn)定工作在放大區(qū)，以保證電源的穩(wěn)定度，其集電極電流(lT3)C不能太大。這里可以選Iri為1mA當(dāng)輸出電壓最小時(shí)，則R1為：R1=( UB1) O UO ( Ur1) BE ( Ut2) be)* l R1R1=( 15V 6V 0.7V 0.7V )* 1mA= 7.6K Q實(shí)際選擇時(shí)可取 R1 為 7.5 K Q。當(dāng)輸出電壓最大時(shí)， I R1 為：I R1=( UB1) O UO( UT1) BE( UT2) BE)* R1|R1=( 15V 6V 0.7V 0.7V )* 7.5 K1.013mA可見(jiàn)當(dāng)輸出電壓最大時(shí)IR1上升幅度僅1 %，對(duì)T3工作點(diǎn)影響不大，可

17、滿足要求。由于放電電路的電流并不大，各項(xiàng)電壓也都小于調(diào)整電路，可以直接選用3GD6或9014 作為放大管 T3。10、其他元件在T2的基極與地之間并聯(lián)有電容C2,此電容的作用是為防止發(fā)生自激振蕩影響電路工作的穩(wěn)定性，一般可取 0.01卩F/35V。在電源的輸出端并聯(lián)的電容 C3是為提高輸出電 壓的穩(wěn)定度，特別對(duì)于瞬時(shí)大電流可以起到較好的抑制作用，可選470卩F/25V鋁電解電容。10、總結(jié)通過(guò)前面的計(jì)算，已經(jīng)得到了所有元件的參數(shù)。可以將這些參數(shù)標(biāo)注到圖4 3 1各部分元件工中，這樣就得到完整的串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源電路圖，見(jiàn)圖4 3 2。這里計(jì)算的其實(shí)都還只是初步的參數(shù)， 實(shí)際組裝完畢后應(yīng)該仔細(xì)測(cè)

18、量電源的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求，作是否正常。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整。 根據(jù)調(diào)整的結(jié)果來(lái)修正原理圖中 的電路參數(shù)，最終完成穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。DIj flN4QOLDZ22QV ACl SV; | IVAl圖432；串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源電路圖四、串聯(lián)穩(wěn)壓電源的改進(jìn)措施前面介紹的串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源只是一種基本的穩(wěn)壓電路，實(shí)際使用中的穩(wěn)壓電源可能會(huì)有各種各樣的特殊要求。 有些要求更高的電壓穩(wěn)定度， 有些要求更大的輸出電流能力， 有些要求有短路保護(hù)。 這樣就需要針對(duì)不同的要求對(duì)前面介紹的電路進(jìn)行改進(jìn)。下面就對(duì)串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源的各種改進(jìn)措施進(jìn)行介紹。1改善穩(wěn)定度一般改善穩(wěn)定度的方法有：使用恒流

19、源負(fù)載、增加電壓放大部分的級(jí)數(shù)、采用輔助的穩(wěn)定電源、增加補(bǔ)償電路等方法。使用恒流源負(fù)載由于串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路是通過(guò)輸出電壓的變化量，經(jīng)放大后來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)整管的管壓降達(dá)到穩(wěn)壓的目的。 當(dāng)放大倍數(shù)越高，電源的穩(wěn)定度就越高。對(duì)于三極管放大器，當(dāng)集電極電阻越大同時(shí)輸入電阻越小時(shí)， 放大倍數(shù)就越大。但集電極電阻過(guò)大會(huì)造成集電極電流過(guò)小， 會(huì)造成輸入電阻增大。為解決這個(gè)矛盾，可以使用恒流源負(fù)載代替集電極電阻。T4、D2 R6 R7圖4 4 1是一種使用三極管恒流源的穩(wěn)壓電路。圖中虛線框內(nèi)的組成恒流源電路，作為 T3發(fā)射極負(fù)載。T1圖44-h使用三極管恒涼源的串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源電路圖圖4-4 -2是使用恒流二極管作為恒流源的穩(wěn)壓電路。恒流二極管一種能在比較寬的電壓范圍內(nèi)提供恒定電流的半導(dǎo)體器件。由于具有直流等效電阻低、 交流動(dòng)態(tài)阻抗高、 穩(wěn)定系數(shù)小、直流電壓降可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。因此可用于代替圖4 4 1中的三極管恒流源。T1T2IU圖4-4-2：使用恒流二極管朋串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源電路圖圖4 4 3是使用場(chǎng)效應(yīng)管作為恒流源的串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路。由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管具有類(lèi)似恒流二極管的特性，當(dāng)漏極D接到整流濾波后的電壓， 柵極G與源極S