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為負載電阻。

當最不利的情況下，即輸出電壓為15V，負載電流為500mA時：

C1=5×0.5×T÷(UO÷IO)

C1=5×0.5×0.02S÷(15V÷0.5A)≈1666μF

當市電上升10%時整流電路輸出的電壓值最大，此時濾波電容承受的最大電壓為：

VC1=(UB1)OMAX=20.35V

實際上普通電容都是標準電容值，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期使用中的安全，可將濾波電容的耐壓值選大一點，這里選擇35V。

6、調(diào)整部分

調(diào)整部分主要是計算調(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%，同時負載斷路，整流濾波后的出電壓全部加到調(diào)整管T1上，這時調(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。

當負載電流最大時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時需要注意其放大倍數(shù)β≥40。

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

(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時需要注意其放大倍數(shù)β≥80。

則此時T2所需要的基極驅(qū)動電流為：

(IT2)MAX=(IT2)CM÷βT1=15mA÷80=0.1875mA

7、基準電源部分

基準電源部分主要計算穩(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

實際選擇時可取R2為390Ω

當輸出電壓UO最高時，IR2MAX為：

IR2MAX=UOMAX÷R2

IR2MAX=15V÷390≈38.46mA

這時的電流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

取樣部分主要計算取樣電阻R3、R4、R5的阻值。

由于取樣電路同時接入T3的基極，為避免T3基極電流IT3B對取樣電路分壓比產(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

當輸出電壓UO=6V時：

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

當輸出電壓UO=15V時：

UD5+(UT3)BE=R5÷(R3+R4+R5)×UO

R5=(UD5+(UT3)BE)×(R3+R4+R5)÷UO

R5=(3V+0.7V)×600Ω÷15V=148Ω

實際選擇時可取R5為150Ω。這樣R4為220Ω，R3為230Ω。但實際選擇時可取R3為220Ω。

9、放大部分

放大部分主要是計算限流電阻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，當輸出電壓最小時，則R1為：

R1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷IR1

R1=(15V-6V-0.7V-0.7V)÷1mA=7.6KΩ

實際選擇時可取R1為7.5 KΩ。

當輸出電壓最大時，IR1為：

IR1=((UB1)O-UO-(UT1)BE-(UT2)BE)÷R1

IR1=(15V-6V-0.7V-0.7V)÷7.5 KΩ≈1.013mA

可見當輸出電壓最大時IR1上升幅度僅1%，對T3工作點影響不大，可滿足要求。

由于放電電路的電流并不大，各項電壓也都小于調(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，特別對于瞬時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)

通過前面的計算，已經(jīng)得到了所有元件的參數(shù)?？梢詫⑦@些參數(shù)標注到圖4-3-1中，這樣就得到完整的串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電源電路圖，見圖4-3-2。這里計算的其實都還只是初步的參數(shù)，實際組裝完畢后應(yīng)該仔細測量電源的各項指標是否符合要求，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。

四、串聯(lián)穩(wěn)壓電源的改進措施

前面介紹的串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電源只是一種基本的穩(wěn)壓電路，實際使用中的穩(wěn)壓電源可能會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。這樣就需要針對不同的要求對前面介紹的電路進行改進。下面就對串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電源的各種改進措施進行介紹。

1、改善穩(wěn)定度

一般改善穩(wěn)定度的方法有：使用恒流源負載、增加電壓放大部分的級數(shù)、采用輔助的穩(wěn)定電源、增加補償電路等方法。

使用恒流源負載

由于串聯(lián)負反饋穩(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)整管的管壓降達到穩(wěn)壓的目的。當放大倍數(shù)越高，電源的穩(wěn)定度就越高。對于三極管放大器，當集電極電阻越大同時輸入電阻越小時，放大倍數(shù)就越大。但集電極電阻過大會造成集電極電流過小，會造成輸入電阻增大。為解決這個矛盾，可以使用恒流源負載代替集電極電阻。

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體器件。由于具有直流等效電阻低、交流動態(tài)阻抗高、穩(wěn)定系數(shù)小、直流電壓降可調(diào)的優(yōu)點。因此可用于代替圖4-4-1中的三極管恒流源。

圖4-4-3是使用場效應(yīng)管作為恒流源的串聯(lián)負反饋穩(wěn)壓電路。由于結(jié)型場效應(yīng)管具有類似恒流二極管的特性，當漏極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，場效應(yīng)管就成了放大管T3的集電極恒流源負載。

增加電壓放大部分的級數(shù)

由于當放大電路的放大倍數(shù)越高時，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數(shù)后，電路更容易產(chǎn)生自激振蕩，在設(shè)計放大電路時需要采取手段避免電路產(chǎn)生自激。由于增加電壓放大級數(shù)不可避免的增加了電路的復雜程度，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。由于這個電壓不是穩(wěn)定的電壓，當其發(fā)生變化時，其變化量會加到調(diào)整管的基極，進而影響輸出電壓穩(wěn)定度?？梢酝ㄟ^將R1接入到一個穩(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，負責向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。

增加補償電路

由于串聯(lián)負反饋穩(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或者負載電流的波動來進行補償控制，理想狀態(tài)下可以達到補償效果正好等于輸出電壓的變化量。但由于補償量的計算比較復雜，實際電路中受各種因素影響，補償效果也難以達到要求。一般較少采用此方法，多為針對特定電路采取的臨時措施。