直流稳压电源技术——串联稳压电源 1

1、直流稳压电源技术串联稳压电源第四章 串联稳压电源    上一章我们谈到并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。一、简易串联稳压电源1、原理分析    图411是简易串联稳压电源，T1是调整管，D1是基准电压源，R1是限流电阻，R2是负载。由于T1基极电压被D1固定在UD1，T1发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以输出电压UOUD1（UT1）BE。当输出电压远大于T1发射结电

2、压时，可以忽略（UT1）BE，则UOUD1。    下面我们分析一下建议串联稳压电源的稳压工作原理：    假设由于某种原因引起输出电压UO降低，即T1的发射极电压（UT1）E降低，由于UD1保持不变，从而造成T1发射结电压（UT1）BE上升，引起T1基极电流（IT1）B上升，从而造成T1发射极电流（IT1）E被放大倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时T1导通更加充分管压降（UT1）CE将迅速减小，输入电压UI更多的加到负载上，UO得到快速回升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：UO（UT1）EUD1恒定（UT1）BE（IT1

3、）B（IT1）E（UT1）CEUO    当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再重复，只是简单的用下面的变化关系图表示：UO（UT1）EUD1恒定（UT1）BE（IT1）B（IT1）E（UT1）CEUO    这里我们只分析了输出电压UO降低的稳压工作原理，其实输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似，最终都是反应在输出电压UO降低上，因此工作原理大致相同。    从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定；二是调整管T1要工

4、作在放大区且工作特性要好。    其实还可以用反馈的原理来说明简易串联稳压电源的工作原理。由于电路是一个射极输出器，属于电压串联负反馈电路，电路的输出电压为UO（UT1）E（UT1）B，由于（UT1）B保持稳定，所以输出电压UO也保持稳定。    简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1，所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1，这样调整输出电压非常不方便。另外由于直接通过输出电压UO的变化来调节T1的管压降（UT1）CE，这样控制作用较小，稳压效果还不够理想。因此这种稳压电源仅仅适合一些比较简单的应用场合。2、电路实例

5、0;   图411是简易串联稳压电源的一个实际应用电路，这个电路用在无锡市无线电五厂生产的“咏梅”牌771型8管台式收音机上。其中T8、DZ、R18构成简易稳压电路，B6、D4D7、C21组成整流滤波电路。由于T8发射结有0.7V压降，为保证输出电压达到6V，应选用稳压值为6.7V左右的稳压管。二、串联负反馈稳压电源    由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，当需要改变输出电压时必须更换稳压管，造成电路的灵活性较差；同时由输出电压直接控制调整管的工作，造成电路的稳压效果也不够理想。所以必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放

6、大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。1、原理分析    图421是串联负反馈稳压电路电路图，其中T1是调整管，D1和R2组成基准电压，T2为比较放大器，R3R5组成取样电路，R6是负载。其电路组成框图见图422。    假设由于某种原因引起输出电压UO降低时，通过R3R5的取样电路，引起T2基极电压（UT2）O成比例下降，由于T2发射极电压（UT2）E受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压（UT2）BE将减小，于是T2基极电流

7、（IT2）B减小，T2发射极电流（IT2）E跟随减小，T2管压降（UT2）CE增加，导致其发射极电压（UT2）C上升，即调整管T1基极电压（UT1）B将上升，T1管压降（UT1）CE减小，使输入电压UI更多的加到负载上，这样输出电压UO就上升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：UO（UT2）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）CE（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO    当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反，这里就不再赘述，简单的用下图表示：UO（UT2）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）CE

8、（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO    与简易串联稳压电源相似，当输入电压UI或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压UO的相应变化，最终都可以用上面分析的过程说明其工作原理。    在串联负反馈稳压电源的整个稳压控制过程中，由于增加了比较放大电路T2，输出电压UO的变化经过T2放大后再去控制调整管T1的基极，使电路的稳压性能得到增强。T2的值越大，输出的电压稳定性越好。2、调节输出电压    前面我们还说到R3R5是取样电路，由于取样电路并联在稳压电路的输出端，而取样电压实际上是通过这三个电

9、阻分压后得到。在选取R3R5的阻值时，可以通过选择适当的电阻值来使流过分压电阻的电流远大于流过T2基极的电流。也就是说可以忽略T2基极电流的分流作用，这样就可以用电阻分压的计算方法来确定T2基极电压（UT2）B。    当R4滑动到最上端时T2基极电压（UT2）B为：    此时输出电压为：    这时的输出电压是最小值。    当R4滑动到最下端时T2基极电压（UT2）B为：        此时输出电压为

10、：    这时的输出电压是最大值。    以上计算中，当（UT2）BE<<UD1时可以忽略（UT2）BE的值。    通过上面的计算我们可以看出，只要合适选择R3R5的阻值就可以控制输出电压UO的范围，改变R3和R5的阻值就可以改变输出电压UO的边界值。3、增加输出电流    当输出电流不能达到要求时，可以通过采用复合调整管的方法来增加输出电流。一般复合调整管有四种连接方式，如图427所示。    图427中的复合管都是由一个小功率三

11、极管T2和一个大功率三极管T1连接而成。复合管就可以看作是一个放大倍数为T1T2，极性和T2一致，功率为（PT1）PCM的大功率管，而其驱动电流只要求（IT2）B。    图428是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图427（a）中的复合管连接方法来增加输出电流大小。另外还增加了一个电容C2，它的主要作用是防止产生自激振荡，一旦发生自激振荡可由C2将其旁路掉。三、设计实例    这一节我们综合运用前面各章节的知识，根据给定条件实际设计一个直流稳压电源，通过这个设计实例更好的掌握串联负反馈稳压电源的设计。由于是业余条件下的设计

12、，有些参数指标并没有过多考虑，有部分参数以经验值进行估算。这样可以避免涉及过深、过多的理论知识，对于业余条件下的应用完全可以满足。1、电路指标    直流输出电压UO：6V15V；    最大输出电流IO：500mA；    电网电压变化±10时，输出电压变化小于±1；2、电路初选图431：直流稳压电源电路设计初选电路图    由于桥式整流、电容滤波电路十分成熟，这里我们选择桥式整流、电容滤波电路作为电源的整流、滤波部分。由于要求电源输出电压有一定的调整范

13、围，稳压电源部分选择串联负反馈稳压电路。同时由于对输出电流要求比较大，调整管必须采用复合管。综合这些因素可以初步确定电路的形式，参见图429。3、变压部分    这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（UB1）O和变压器的功率PB1。一般整流滤波电路有2V以上的电压波动（设为UD）。调整管T1的管压降（UT1）CE应维持在3V以上，才能保证调整管T1工作在放大区。整流输出电压最大值为15V。根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍。    当电网电压下降10时，变压器次级输出的电压应能保证后续电

14、路正常工作，那么变压器B1次级输出电压（UB1）OMIN应该是：（UB1）OMIN（UD（UT1）CE（UO）MAX）÷1.2（UB1）OMIN（2V3V15V）÷1.220V÷1.216.67V    则变压器B1次级额定电压为：（UB1）O（UB1）OMIN÷0.9（UB1）O16.67V÷0.918.5V    当电网电压上升10时，变压器B1的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为500mA。此时变压器次级电压（UB1）OMAX为： （UB1）OMAX（UB1

15、）O×1.1（UB1）OMAX18.5V×1.120.35V    变压器B1的设计功率为：PB1（UB1）OMAX×（IO）MAXPB120.35V×500mA10.2VA    为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B1的额定输出电压为18.5V，额定功率为12VA。实际购买零件时如果没有输出电压为18.5V的变压器可以选用输出电压为18V或以上的变压器。当选用较高输出电压的变压器时，后面各部分电路的参数需要重新计算，以免由于电压过高造成元件损坏。4、整流部分  &#

16、160; 这一部分主要计算整流管的最大电流（ID1）MAX和耐压（VD1）RM。由于四个整流管D1D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。    根据第二章常用整流滤波电路计算表可知，整流管D1的最大整流电流为：（ID1）MAX0.5×IO（ID1）MAX0.5×500mA0.25A    考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1）MAX为0.3A。    整流管D1的耐压（VD1）RM即当市电上升10时D1两端的最大反向峰值电压为：（VD1）RM1.414×（UB

17、1）OMAX1.414×1.1×（UB1）O1.555×（UB1）O（VD1）RM1.555×18.5V29V    得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表，这里我们选择额定电流1A，反向峰值电压50V的IN4001作为整流二极管。5、滤波部分    这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。    根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（35）×0.5×T÷R，一般系数取5，由于市电频率是50Hz，所以T

18、为0.02S，R为负载电阻。    当最不利的情况下，即输出电压为15V，负载电流为500mA时：C15×0.5×T÷（UO÷IO）C15×0.5×0.02S÷（15V÷0.5A）1666F    当市电上升10时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的最大电压为：VC1（UB1）OMAX20.35V    实际上普通电容都是标准电容值，只能选取相近的容量，这里可以选择2200F的铝质电解电容。耐压可选择25V以上，一般为

19、留有余量并保证长期使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择35V。6、调整部分    调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。    在最不利的情况下，市电上升10，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO为：（BVT1）CEO（UB1）OMAX20.35V    考虑到留有一定余量，可取（BVT1）CEO为25

20、V。    当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1）CM为：（IT1）CMIO500mA    考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取（IT1）CM为600mA。    这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：（PT1）CM（UB1）OMAXUOMIN）×（IT1）CM（PT1）CM（20.35V-6V）×600mA8.61W    考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为10W。    查询晶体管参

21、数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为：PCM20W，ICM1A，BVCEO50V，完全可以满足要求。如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替，该管参数为：PCM50W，ICM5A，BVCEO60V。    选择调整管T1时需要注意其放大倍数40。     调整管T2各项参数的计算原则与T1类似，下面给出各项参数的计算过程。（BVT2）CEO（BVT1）CEO（UB1）OMAX20.35V    同样考虑到留有一定余量，取（BVT2）CEO为25V。（IT2）CM（IT1）

22、CM÷T1（IT2）CM600mA÷4015mA（PT2）CM（UB1）OMAXUOMIN）×（IT2）CM（PT2）CM（20.35V6V）×15mA0.21525W    考虑到留有一定余量，可取（PT2）CM为250mW。    查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管T2。该管参数为：PCM500mW，ICM20mA，BVCEO30V，完全可以满足要求。还可以采用9014作为调整管T2，该管参数为：PCM450mW，ICM100mA，BVCEO45V，也可以满足要求。 &#

23、160;  选择调整管T2时需要注意其放大倍数80。    则此时T2所需要的基极驱动电流为：（IT2）MAX（IT2）CM÷T115mA÷800.1875mA7、基准电源部分    基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。    稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN，但是也不能过小，否则会影响稳定度。这里选择稳压值为3V的2CW51，该型稳压管的最大工作电流为71mA，最大功耗为250mW。为保证稳定度，稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。而其

24、工作电流ID5（IT3）CEIR2，由于（IT3）CE在工作中是变化值，为保证稳定度取IR2（IT3）CE，则ID5IR2。    这里初步确定IR2MIN8mA，则R2为：R2（UOMINUD5）÷IR2MINR2（6V3V）÷8mA375    实际选择时可取R2为390    当输出电压UO最高时，IR2MAX为：IR2MAXUOMAX÷R2IR2MAX15V÷39038.46mA    这时的电流IR2MAX小于稳压管D5的最大

25、工作电流，可见选择的稳压管能够安全工作。8、取样部分    取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。    由于取样电路同时接入T3的基极，为避免T3基极电流IT3B对取样电路分压比产生影响，需要让IT3BIR3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区，需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流（IT1）CEMIN。由于3DD155A最小工作电流（IT1）CEMIN为1mA，因此取IR3MIN10mA。则可得：R3R4R5UOMIN÷IR3MINR3R4R56V÷10mA600  

26、;  当输出电压UO6V时：UD5（UT3）BE（R4R5）÷（R3R4R5）×UO（R4R5）（UD5（UT3）BE）×（R3R4R5）÷UO（R4R5）（3V0.7V）×600÷6V370    当输出电压UO15V时：UD5（UT3）BER5÷（R3R4R5）×UOR5（UD5（UT3）BE）×（R3R4R5）÷UOR5（3V0.7V）×600÷15V148    实际选择时可取R5为150。这样R4

27、为220，R3为230。但实际选择时可取R3为220。9、放大部分    放大部分主要是计算限流电阻R1和比较放大管T3的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T3的放大倍数和集电极发射极反向击穿电压（BVT1）CEO。    这里需要T3工作在放大区，可通过控制T3的集电极电流（IT3）C来达到。而（IT3）C是由限流电阻R1控制，并且有：IR1（IT3）C（IT2）B    一方面，为保证T1能够满足负载电流的要求，要求满足IR1（IT2）B；另一方面，为保证T3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定

28、度，其集电极电流（IT3）C不能太大。    这里可以选IR1为1mA，当输出电压最小时，则R1为：R1（UB1）OUO（UT1）BE（UT2）BE）÷IR1R1（15V6V0.7V0.7V）÷1mA7.6K    实际选择时可取R1为7.5 K。    当输出电压最大时，IR1为：IR1（UB1）OUO（UT1）BE（UT2）BE）÷R1IR1（15V6V0.7V0.7V）÷7.5 K1.013mA    可见当输出电压最大时IR1上

29、升幅度仅1，对T3工作点影响不大，可满足要求。    由于放电电路的电流并不大，各项电压也都小于调整电路，可以直接选用3GD6D或9014作为放大管T3。10、其他元件    在T2的基极与地之间并联有电容C2，此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性，一般可取0.01F/35V。在电源的输出端并联的电容C3是为提高输出电压的稳定度，特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用，可选470F/25V铝电解电容。10、总结    通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。可以将这些参数标注到图431

30、中，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图，见图432。这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数，最终完成稳压电源的设计。 四、串联稳压电源的改进措施    前面介绍的串联负反馈稳压电源只是一种基本的稳压电路，实际使用中的稳压电源可能会有各种各样的特殊要求。有些要求更高的电压稳定度，有些要求更大的输出电流能力，有些要求有短路保护。这样就需要针对不同的要求对前面介绍的电路进行改进。下面就对串联负反馈稳压电源的各种改进措施进行介绍。 1、改善稳定度    一般改善稳定度的方法有：使用恒流源负载、增加电压放大部分的级数、采用辅助的稳定电源、增加补偿电路等方法。     使用恒流源负载    由于串联负反馈稳压电路是通过输出电压的变化量，经放大后来调节调整管的管压降达到稳压的目的。当放大倍数越高，电源的稳定度就越高。对于三极管放大器，当集电极电阻越大同时输入电阻越小时，放大倍数就越大。但集电极电阻过大会造成集电极电流过小，会造成输入电阻增大。为解决这个矛