(整理)直流稳压电源技术——串联稳压电源

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4－1－1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U D1，T1发射结电压（U T1）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U O＝U D1－（U T1）BE。

当输出电压远大于T1发射结电压时，可以忽略（U T1）BE，则U O≈U D1。

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U O降低，即T1的发射极电压（U T1）E降低，由于U D1保持不变，从而造成T1发射结电压（U T1）BE上升，引起T1基极电流（I T1）B上升，从而造成T1发射极电流（I T1）E被放大β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（U T1）CE将迅速减小，输入电压U I更多的加到负载上，U O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：U O↓→（U T1）E↓→U D1恒定→（U T1）BE↑→（I T1）B↑→（I T1）E↑→（U T1）CE↓→U O↑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：U O↑→（U T1）E↑→U D1恒定→（U T1）BE↓→（I T1）B↓→（I T1）E↓→（U T1）CE↑→U O↓这里我们只分析了输出电压U O降低的稳压工作原理，其实输入电压U I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U O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U D1要保持稳定；二是调整管T1要工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U O＝（U T1）E≈（U T1）B，由于（U T1）B保持稳定，所以输出电压U O 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U O的变化来调节T1的管压降（U T1）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、电路实例图4－1－1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、D Z、R18构成简易稳压电路，B6、D4～D7、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4－2－1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，R3～R5组成取样电路，R6是负载。

其电路组成框图见图4－2－2。

假设由于某种原因引起输出电压U O降低时，通过R3～R5的取样电路，引起T2基极电压（U T2）O成比例下降，由于T2发射极电压（U T2）E受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压（U T2）BE 将减小，于是T2基极电流（I T2）B减小，T2发射极电流（I T2）E跟随减小，T2管压降（U T2）CE增加，导致其发射极电压（U T2）C上升，即调整管T1基极电压（U T1）B将上升，T1管压降（U T1）CE减小，使输入电压U I更多的加到负载上，这样输出电压U O就上升。

这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：U O↓→（U T2）O↓→U D1恒定→（U T2）BE↓→（I T2）B↓→（I T2）E↓→（U T2）CE↑→（U T2）C↑→（U T1）B↑→（U T1）CE↓→U O↑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：U O↑→（U T2）O↑→U D1恒定→（U T2）BE↑→（I T2）B↑→（I T2）E↑→（U T2）CE↓→（U T2）C↓→（U T1）B↓→（U T1）CE↑→U O↓与简易串联稳压电源相似，当输入电压U I或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压U O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U O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β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R3～R5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阻分压后得到。

在选取R3～R5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（U T2）B。

当R4滑动到最上端时T2基极电压（U T2）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（U T2）B为：此时输出电压为：这时的输出电压是最大值。

以上计算中，当（U T2）BE<<U D1时可以忽略（U T2）BE的值。

通过上面的计算我们可以看出，只要合适选择R3～R5的阻值就可以控制输出电压U O的范围，改变R3和R5的阻值就可以改变输出电压U O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4－2－7所示。

图4－2－7中的复合管都是由一个小功率三极管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βT1βT2，极性和T2一致，功率为（P T1）PCM的大功率管，而其驱动电流只要求（I T 2）B。

图4－2－8是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。

此电路采用图4－2－7（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，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①直流输出电压U O：6V～15V；②最大输出电流I O：500mA；③电网电压变化±10％时，输出电压变化小于±1％；2、电路初选图4－3－1：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4－2－9。

3、变压部分这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（U B1）O和变压器的功率P B1。

一般整流滤波电路有2V以上的电压波动（设为ΔU D）。

调整管T1的管压降（U T1）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路正常工作，那么变压器B1次级输出电压（U B1）OMIN应该是：（U B1）OMIN＝（ΔU D＋（U T1）CE＋（U O）MAX）÷1.2（U B1）OMIN＝（2V＋3V＋15V）÷1.2＝20V÷1.2＝16.67V则变压器B1次级额定电压为：（U B1）O＝（U B1）OMIN÷0.9（U B1）O＝16.67V÷0.9＝18.5V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（I O）MAX为5 00mA。

此时变压器次级电压（U B1）OMAX为：（U B1）OMAX＝（U B1）O×1.1（U B1）OMAX＝18.5V×1.1＝20.35V变压器B1的设计功率为：P B1＝（U B1）OMAX×（I O）MAXP B1＝20.35V×500mA＝10.2VA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、整流部分这一部分主要计算整流管的最大电流（I D1）MAX和耐压（V D1）RM。

由于四个整流管D1～D4参数相同，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：（I D1）MAX＝0.5×I O（I D1）MAX＝0.5×500mA＝0.25A考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（I D1）MAX为0.3A。

整流管D1的耐压（V D1）RM即当市电上升10％时D1两端的最大反向峰值电压为：（V D1）RM≈1.414×（U B1）OMAX＝1.414×1.1×（U B1）O≈1.555×（U B1）O（V D1）RM≈1.555×18.5V≈29V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V C1值。