直流穩壓電源技術(shù)—串聯(lián)穩壓電源
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一、簡(jiǎn)易串聯(lián)穩壓電源
1、原理分析
圖4-1-1是簡(jiǎn)易串聯(lián)穩壓電源，T1是調整管，D1是基準電壓源，R1是限流電阻，R2是負載。由于T1基極電壓被D1固定在UD1，T1發(fā)射結電壓(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。當輸出電壓遠大于T1發(fā)射結電壓時(shí)，可以忽略(UT1)BE，則UO≈UD1。
下面我們分析一下建議串聯(lián)穩壓電源的穩壓工作原理：
假設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，由晶體管的負載特性可知，這時(shí)T1導通更加充分管壓降(UT1)CE將迅速減小，輸入電壓UI更多的加到負載上，UO得到快速回升。這個(gè)調整過(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，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降低的穩壓工作原理，其實(shí)輸入電壓UI降低等其他情況下的穩壓工作原理都與此類(lèi)似，最終都是反應在輸出電壓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，穩壓的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是穩壓管D1的穩壓值UD1要保持穩定;二是調整管T1要工作在放大區且工作特性要好。
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)負反饋電路，電路的輸出電壓為UO=(UT1)E≈(UT1)B，由于(UT1)B保持穩定，所以輸出電壓UO也保持穩定。
簡(jiǎn)易串聯(lián)穩壓電源由于使用固定的基準電壓源D1，所以當需要改變輸出電壓時(shí)只有更換穩壓管D1，這樣調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)調節T1的管壓降(UT1)CE，這樣控制作用較小，穩壓效果還不夠理想。因此這種穩壓電源僅僅適合一些比較簡(jiǎn)單的應用場(chǎng)合。
2、電路實(shí)例
圖4-1-1是簡(jiǎn)易串聯(lián)穩壓電源的一個(gè)實(shí)際應用電路，這個(gè)電路用在無(wú)錫市無(wú)線(xiàn)電五廠(chǎng)生產(chǎn)的“詠梅”牌771型8管臺式收音機上。其中T8、DZ、R18構成簡(jiǎn)易穩壓電路，B6、D4～D7、C21組成整流濾波電路。由于T8發(fā)射結有0.7V壓降，為保證輸出電壓達到6V，應選用穩壓值為6.7V左右的穩壓管。
二、串聯(lián)負反饋穩壓電源
由于簡(jiǎn)易串聯(lián)穩壓電源輸出電壓受穩壓管穩壓值得限制無(wú)法調節，當需要改變輸出電壓時(shí)必須更換穩壓管，造成電路的靈活性較差;同時(shí)由輸出電壓直接控制調整管的工作，造成電路的穩壓效果也不夠理想。所以必須對簡(jiǎn)易穩壓電源進(jìn)行改進(jìn)，增加一級放大電路，專(zhuān)門(mén)負責將輸出電壓的變化量放大后控制調整管的工作。由于整個(gè)控制過(guò)程是一個(gè)負反饋過(guò)程，所以這樣的穩壓電源叫串聯(lián)負反饋穩壓電源。
1、原理分析
圖4-2-1是串聯(lián)負反饋穩壓電路電路圖，其中T1是調整管，D1和R2組成基準電壓，T2為比較放大器，R3～R5組成取樣電路，R6是負載。其電路組成框圖見(jiàn)圖4-2-2。
假設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受穩壓管D1的穩壓值控制保持不變，所以T2發(fā)射結電壓(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，導致其發(fā)射極電壓(UT2)C上升，即調整管T1基極電壓(UT1)B將上升，T1管壓降(UT1)CE減小，使輸入電壓UI更多的加到負載上，這樣輸出電壓UO就上升。這個(gè)調整過(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)穩壓電源相似，當輸入電壓UI或者負載等其他情況發(fā)生時(shí)，都會(huì )引起輸出電壓UO的相應變化，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)負反饋穩壓電源的整個(gè)穩壓控制過(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放大后再去控制調整管T1的基極，使電路的穩壓性能得到增強。T2的β值越大，輸出的電壓穩定性越好。
2、調節輸出電壓
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)選擇適當的電阻值來(lái)使流過(guò)分壓電阻的電流遠大于流過(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算方法來(lái)確定T2基極電壓(UT2)B。
當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。
以上計算中，當(UT2)BE<
通過(guò)上面的計算我們可以看出，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
當輸出電流不能達到要求時(shí)，可以通過(guò)采用復合調整管的方法來(lái)增加輸出電流。一般復合調整管有四種連接方式，如圖4-2-7所示。
圖4-2-7中的復合管都是由一個(gè)小功率三極管T2和一個(gè)大功率三極管T1連接而成。復合管就可以看作是一個(gè)放大倍數為βT1βT2，極性和T2一致，功率為(PT1)PCM的大功率管，而其驅動(dòng)電流只要求(IT2)B。
圖4-2-8是一個(gè)實(shí)用串聯(lián)負反饋穩壓電源電路圖。此電路采用圖4-2-7(a)中的復合管連接方法來(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、設計實(shí)例
這一節我們綜合運用前面各章節的知識，根據給定條件實(shí)際設計一個(gè)直流穩壓電源，通過(guò)這個(gè)設計實(shí)例更好的掌握串聯(lián)負反饋穩壓電源的設計。由于是業(yè)余條件下的設計，有些參數指標并沒(méi)有過(guò)多考慮，有部分參數以經(jīng)驗值進(jìn)行估算。這樣可以避免涉及過(guò)深、過(guò)多的理論知識，對于業(yè)余條件下的應用完全可以滿(mǎn)足。
1、電路指標
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整范圍，穩壓電源部分選擇串聯(lián)負反饋穩壓電路。同時(shí)由于對輸出電流要求比較大，調整管必須采用復合管。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
這一部分主要計算變壓器B1次級輸出電壓(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)(設為ΔUD)。調整管T1的管壓降(UT1)CE應維持在3V以上，才能保證調整管T1工作在放大區。整流輸出電壓最大值為15V。根據第二章《常用整流濾波電路計算表》可知，橋式整流輸出電壓是變壓器次級電壓的1.2倍。
當電網(wǎng)電壓下降-10%時(shí)，變壓器次級輸出的電壓應能保證后續電路正常工作，那么變壓器B1次級輸出電壓(UB1)OMIN應該是：
(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次級額定電壓為：
(UB1)O=(UB1)OMIN÷0.9
(UB1)O=16.67V÷0.9=18.5V
當電網(wǎng)電壓上升+10%時(shí)，變壓器B1的輸出功率最大。這時(shí)穩壓電源輸出的最大電流(IO)MAX為500mA。此時(shí)變壓器次級電壓(UB1)OMAX為：
(UB1)OMAX=(UB1)O×1.1
(UB1)OMAX=18.5V×1.1=20.35V
變壓器B1的設計功率為：
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)際購買(mǎi)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。當選用較高輸出電壓的變壓器時(shí)，后面各部分電路的參數需要重新計算，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～D4參數相同，所以只需要計算D1的參數。
根據第二章《常用整流濾波電路計算表》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
得到這些參數后可以查閱有關(guān)整流二極管參數表，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
這里主要計算濾波電容的電容量C1和其耐壓VC1值。
根據根據第二
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