直流穩(wěn)壓電源技術(shù)—串聯(lián)穩(wěn)壓電源

章濾波電容選擇條件公式可知濾波電容的電容量為(3-5)×0.5×T÷R，一般系數(shù)取5，由于市電頻率是50Hz，所以T為0.02S，R為負(fù)載電阻。

當(dāng)最不利的情況下，即輸出電壓為15V，負(fù)載電流為500mA時(shí)：

C1=5×0.5×T÷(UO÷IO)

C1=5×0.5×0.02S÷(15V÷0.5A)≈1666μF

當(dāng)市電上升10%時(shí)整流電路輸出的電壓值最大，此時(shí)濾波電容承受的最大電壓為：

VC1=(UB1)OMAX=20.35V

實(shí)際上普通電容都是標(biāo)準(zhǔn)電容值，只能選取相近的容量，這里可以選擇2200μF的鋁質(zhì)電解電容。耐壓可選擇25V以上，一般為留有余量并保證長(zhǎng)期使用中的安全，可將濾波電容的耐壓值選大一點(diǎn)，這里選擇35V。

6、調(diào)整部分

調(diào)整部分主要是計(jì)算調(diào)整管T1和T2的集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓(BVT1)CEO，最大允許集電極電流(IT1)CM，最大允許集電極耗散功率(PT1)CM。

在最不利的情況下，市電上升10%，同時(shí)負(fù)載斷路，整流濾波后的出電壓全部加到調(diào)整管T1上，這時(shí)調(diào)整管T1的集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓(BVT1)CEO為：

(BVT1)CEO=(UB1)OMAX=20.35V

考慮到留有一定余量，可取(BVT1)CEO為25V。

當(dāng)負(fù)載電流最大時(shí)最大允許集電極電流(IT1)CM為：

(IT1)CM=IO=500mA

考慮到放大取樣電路需要消耗少量電流，同時(shí)留有一定余量，可取(IT1)CM為600mA。

這樣大允許集電極耗散功率(PT1)CM為：

(PT1)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×(IT1)CM

(PT1)CM=(20.35V-6V)×600mA=8.61W

考慮到留有一定余量，可取(PT1)CM為10W。

查詢晶體管參數(shù)手冊(cè)后選擇3DD155A作為調(diào)整管T1。該管參數(shù)為：PCM=20W，ICM=1A，BVCEO≥50V，完全可以滿足要求。如果實(shí)在無法找到3DD155A也可以考慮用3DD15A代替，該管參數(shù)為：PCM=50W，ICM=5A，BVCEO≥60V。

選擇調(diào)整管T1時(shí)需要注意其放大倍數(shù)β≥40。

調(diào)整管T2各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算原則與T1類似，下面給出各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算過程。

(BVT2)CEO=(BVT1)CEO=(UB1)OMAX=20.35V

同樣考慮到留有一定余量，取(BVT2)CEO為25V。

(IT2)CM=(IT1)CM÷βT1

(IT2)CM=600mA÷40=15mA

(PT2)CM=((UB1)OMAX-UOMIN)×(IT2)CM

(PT2)CM=(20.35V-6V)×15mA=0.21525W

考慮到留有一定余量，可取(PT2)CM為250mW。

查詢晶體管參數(shù)手冊(cè)后選擇3GD6D作為調(diào)整管T2。該管參數(shù)為：PCM=500mW，ICM=20mA，BVCEO≥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，ICM=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)β≥80。

則此時(shí)T2所需要的基極驅(qū)動(dòng)電流為：

(IT2)MAX=(IT2)CM÷βT1=15mA÷80=0.1875mA

7、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ID5=(IT3)CE+IR2，由于(IT3)CE在工作中是變化值，為保證穩(wěn)定度取IR2>>(IT3)CE，則ID5≈IR2。

這里初步確定IR2MIN=8mA，則R2為：

R2=(UOMIN-UD5)÷IR2MIN

R2=(6V-3V)÷8mA=375Ω

實(shí)際選擇時(shí)可取R2為390Ω

當(dāng)輸出電壓UO最高時(shí)，IR2MAX為：

IR2MAX=UOMAX÷R2

IR2MAX=15V÷390≈38.46mA

這時(shí)的電流IR2MAX小于穩(wěn)壓管D5的最大工作電流，可見選擇的穩(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IT3B>>IR3。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(IT1)CEMIN。由于3DD155A最小工作電流(IT1)CEMIN為1mA，因此取IR3MIN=10mA。則可得：

R3+R4+R5=UOMIN÷IR3MIN

R3+R4+R5=6V÷10mA=600Ω

當(dāng)輸出電壓UO=6V時(shí)：

UD5+(UT3)BE=(R4+R5)÷(R3+R4+R5)×UO

(R4+R5)=(UD5+(UT3)BE)×(R3+R4+R5)÷UO

(R4+R5)=(3V+0.7V)×600Ω÷6V=370Ω

當(dāng)輸出電壓UO=15V時(shí)：

UD5+(UT3)BE=R5÷(R3+R4+R5)×UO

R5=(UD5+(UT3)BE)×(R3+R4+R5)÷UO

R5=(3V+0.7V)×600Ω÷15V=148Ω

實(shí)際選擇時(shí)可取R5為150Ω。這樣R4為220Ω，R3為230Ω。但實(shí)際選擇時(shí)可取R3為220Ω。

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)β和集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓(BVT1)CEO。

這里需要T3工作在放大區(qū)，可通過控制T3的集電極電流(IT3)C來達(dá)到。而(IT3)C是由限流電阻R1控制，并且有：

IR1=(IT3)C+(IT2)B

一方面，為保證T1能夠滿足負(fù)載電流的要求，要求滿足IR1>(IT2)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(IT3)C不能太大。

這里可以選IR1為1mA，當(dāng)輸出電壓最小時(shí)，則R1為：

R1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷IR1

R1=(15V-6V-0.7V-0.7V)÷1mA=7.6KΩ

實(shí)際選擇時(shí)可取R1為7.5 KΩ。

當(dāng)輸出電壓最大時(shí)，IR1為：

IR1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷R1

IR1=(15V-6V-0.7V-0.7V)÷7.5 KΩ≈1.013mA

可見當(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3GD6D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0.01μF/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470μF/25V鋁電解電容。

11、總結(jié)

通過前面的計(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)量電源的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果發(fā)現(xiàn)問題，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)。

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)壓電路是通過輸出電壓的變化量，經(jīng)放大后來調(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。但集電極電阻過大會(huì)造成集電極電流過小，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。

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T4、D2、R6、R7組成恒流源電路，作為T3發(fā)射極負(fù)載。

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。

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連接后接到放大管T3的集電極時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管就成了放大管T3的集電極恒流源負(fù)載。

增加電壓放大部分的級(jí)數(shù)

由于當(dāng)放大電路的放大倍數(shù)越高時(shí)，電源的穩(wěn)定度就越高。一般單管放大電路的放大倍數(shù)有限，可以采用增加放大電路級(jí)數(shù)的方法來提高放大倍數(shù)，這樣也可以大大提高電源的穩(wěn)定度。不過增加放大電路的級(jí)數(shù)后，電路更容易產(chǎn)生自激振蕩，在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)需要采取手段避免電路產(chǎn)生自激。由于增加電壓放大級(jí)數(shù)不可避免的增加了電路的復(fù)雜程度，一般分離元件制作的穩(wěn)壓電源中較少使用此方法。

采用輔助的穩(wěn)定電源

在基本形式的串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路中，放大管T3的集電極電路R1直接連接到經(jīng)整流濾波后的電壓上。由于這個(gè)電壓不是穩(wěn)定的電壓，當(dāng)其發(fā)生變化時(shí)，其變化量會(huì)加到調(diào)整管的基極，進(jìn)而影響輸出電壓穩(wěn)定度?？梢酝ㄟ^將R1接入到一個(gè)穩(wěn)定電壓的方法來避免這種影響。圖4-4-2中，D2、R6組成輔助穩(wěn)壓電源，負(fù)責(zé)向R1提供穩(wěn)定的電壓。這種形式的穩(wěn)壓電路通常用在大輸出電流的穩(wěn)壓電源中，可以顯著提高電源的穩(wěn)定度。

增加補(bǔ)償電路

由于串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路是通過輸出電壓的變化量來控制穩(wěn)定度，那么可以直接使用輸入電壓的波動(dòng)或者負(fù)載電流的波動(dòng)來進(jìn)行補(bǔ)償控制，理想狀態(tài)下可以達(dá)到補(bǔ)償效果正好等于輸出電壓的變化量。但由于補(bǔ)償量的計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際電路中受各種因素影響，補(bǔ)償效果也難以達(dá)到要求。一般較少采用此方法，多為針對(duì)特定電路采取的臨時(shí)措施。