直流穩(wěn)壓電源技術(shù)—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UD1，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=UD1-(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≈UD1。

下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UO降低，即T1的發(fā)射極電壓(UT1)E降低，由于UD1保持不變，從而造成T1發(fā)射結(jié)電壓(UT1)BE上升，引起T1基極電流(IT1)B上升，從而造成T1發(fā)射極電流(IT1)E被放大β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(UT1)CE將迅速減小，輸入電壓UI更多的加到負(fù)載上，UO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：

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

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，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：

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(wěn)壓工作原理，其實(shí)輸入電壓UI降低等其他情況下的穩(wěn)壓工作原理都與此類似，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UD1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UO=(UT1)E≈(UT1)B，由于(UT1)B保持穩(wěn)定，所以輸出電壓UO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UO的變化來(lái)調(diào)節(jié)T1的管壓降(UT1)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、D4～D7、C21組成整流濾波電路。由于T8發(fā)射結(jié)有0.7V壓降，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，專門負(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，R3～R5組成取樣電路，R6是負(fù)載。其電路組成框圖見(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)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(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(IT2)B減小，T2發(fā)射極電流(IT2)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(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(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：

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

→(UT2)C↑→(UT1)B↑→(UT1)CE↓→UO↑

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

→(UT2)C↓→(UT1)B↓→(UT1)CE↑→UO↓

與簡(jiǎn)易串聯(lián)穩(wěn)壓電源相似，當(dāng)輸入電壓UI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。

在串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源的整個(gè)穩(wěn)壓控制過(guò)程中，由于增加了比較放大電路T2，輸出電壓UO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β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R3～R5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R3～R5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。

當(dāng)R4滑動(dòng)到最上端時(shí)T2基極電壓(UT2)B為：

此時(shí)輸出電壓為：

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(UT2)B為：

此時(shí)輸出電壓為：

這時(shí)的輸出電壓是最大值。

以上計(jì)算中，當(dāng)(UT2)BE<

通過(guò)上面的計(jì)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(dāng)輸出電流不能達(dá)到要求時(shí)，可以通過(guò)采用復(fù)合調(diào)整管的方法來(lái)增加輸出電流。一般復(fù)合調(diào)整管有四種連接方式，如圖4-2-7所示。

圖4-2-7中的復(fù)合管都是由一個(gè)小功率三極管T2和一個(gè)大功率三極管T1連接而成。復(fù)合管就可以看作是一個(gè)放大倍數(shù)為βT1βT2，極性和T2一致，功率為(PT1)PCM的大功率管，而其驅(qū)動(dòng)電流只要求(IT2)B。

圖4-2-8是一個(gè)實(shí)用串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源電路圖。此電路采用圖4-2-7(a)中的復(fù)合管連接方法來(lái)增加輸出電流大小。另外還增加了一個(gè)電容C2，它的主要作用是防止產(chǎn)生自激振蕩，一旦發(fā)生自激振蕩可由C2將其旁路掉。

三、設(shè)計(jì)實(shí)例

這一節(jié)我們綜合運(yùn)用前面各章節(jié)的知識(shí)，根據(jù)給定條件實(shí)際設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例更好的掌握串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。由于是業(yè)余條件下的設(shè)計(jì)，有些參數(shù)指標(biāo)并沒(méi)有過(guò)多考慮，有部分參數(shù)以經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算。這樣可以避免涉及過(guò)深、過(guò)多的理論知識(shí)，對(duì)于業(yè)余條件下的應(yīng)用完全可以滿足。

1、電路指標(biāo)

①直流輸出電壓UO：6V～15V;

②最大輸出電流IO：500mA;

③電網(wǎng)電壓變化±10%時(shí)，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(diào)整范圍，穩(wěn)壓電源部分選擇串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路。同時(shí)由于對(duì)輸出電流要求比較大，調(diào)整管必須采用復(fù)合管。綜合這些因素可以初步確定電路的形式，參見(jiàn)圖4-2-9。

3、變壓部分

這一部分主要計(jì)算變壓器B1次級(jí)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(dòng)(設(shè)為ΔUD)。調(diào)整管T1的管壓降(UT1)CE應(yīng)維持在3V以上，才能保證調(diào)整管T1工作在放大區(qū)。整流輸出電壓最大值為15V。根據(jù)第二章《常用整流濾波電路計(jì)算表》可知，橋式整流輸出電壓是變壓器次級(jí)電壓的1.2倍。

當(dāng)電網(wǎng)電壓下降-10%時(shí)，變壓器次級(jí)輸出的電壓應(yīng)能保證后續(xù)電路正常工作，那么變壓器B1次級(jí)輸出電壓(UB1)OMIN應(yīng)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(jí)額定電壓為：

(UB1)O=(UB1)OMIN÷0.9

(UB1)O=16.67V÷0.9=18.5V

當(dāng)電網(wǎng)電壓上升+10%時(shí)，變壓器B1的輸出功率最大。這時(shí)穩(wěn)壓電源輸出的最大電流(IO)MAX為500mA。此時(shí)變壓器次級(jí)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(shè)計(jì)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(shí)際購(gòu)買零件時(shí)如果沒(méi)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(dāng)選用較高輸出電壓的變壓器時(shí)，后面各部分電路的參數(shù)需要重新計(jì)算，以免由于電壓過(guò)高造成元件損壞。

4、整流部分

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

根據(jù)第二章《常用整流濾波電路計(jì)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(dāng)市電上升10%時(shí)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(shù)后可以查閱有關(guān)整流二極管參數(shù)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(jì)算濾波電容的電容量C1和其耐壓VC1值。

根據(jù)根據(jù)第二

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