串联直流稳压电源(电子)

串联直流稳压电源讲稿

--彭岚峰设计

一、简易串联型稳压电源原理分析

图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()B T U 1被D1固定在1D U ，T1发射结电压()BE T U 1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()BE T D U U U 110-=。当输出电压远大于T1发射结电压时，可以忽略()BE T U 1，则10D U U ≈。

图1.1 简易串联稳压电源电路

下面我们分析一下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o U 降低，即T1的发射极电压()E T U 1降低，由于1D U 保持不变，从而造成T1发射结电压()BE T U 1上升，从而引起T1基极电流

()B T I 1上升。由三极输出动态曲线图（图1.2）可知，T1压降()CE T U 1将迅速减小，

输入电压UI 更多的加到负载上，o U 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：

o U ↓→()E T U 1↓→1D U 恒定→()BE T U 1↑→()B T I 1↑→()CE T U 1↓→o U ↑

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：

o U ↑→()E T U 1↑→1D U 恒定→()BE T U 1↓→()B T I 1↓→()CE T U 1↑→o U ↓

图1.2 三极输入、输出动态曲线图

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

1D U 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。

由于直接通过输出电压o U 的变化来调节T1的管压降()CE T U 1，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。

二、串联负反馈稳压电源原理分析

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2.1 串联负反馈稳压电路电路图

图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2.2。

图2.2 串联负反馈稳压电路组成框图

假设由于某种原因引起输出电压o U 降低时，通过R3～R5的取样电路，引起T2基极电压()B T U 2成比例下降，由于T2发射极电压()E T U 2受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压()BE T U 2将减小，于是T2基极电流()B T I 2减小，由三极管输出动态曲线图可知，T2管压降()CE T U 2增加，导致其发射极电压

()C T U 2上升，即调整管T1基极电压()B T U 1将上升，由三极管输出动态曲线图可知，

T1管压降()CE T U 1减小，使输入电压in U 更多的加到负载上，这样输出电压o U 就上升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：

o U ↓→()B T U 2↓→1D U 恒定→()BE T U 2↓→()B T I 2↓→

()CE T U 2↑→1D U 恒定→()C T U 2↑→()B T U 1↑→()CE T U 1↓→o U ↑

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：

o U ↑→()B T U 2↑→1D U 恒定→()BE T U 2↑→()B T I 2↑→

()CE T U 2↓→1D U 恒定→()C T U 2↓→()B T U 1↓→()CE T U 1↑→o U ↓

与简易串联稳压电源相似，当输入电压in U 或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压o U 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o U 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、输出电压的计算

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()B T U 2。

当R4滑动到最上端时T2基极电压()B T U 2为：

()O B T U R R R R R U 5

435

42+++=

此时输出电压o U 为：

()()()125

45

43

25

45

43D BE T B

T O U U R R R R R U R R R R R U ++++=+++=

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()B T U 2为：

()O B T U R R R R U 5

435

2++=

此时输出电压o U 为：

()()()125

5

4325

5

43D BE T B

T O U U R R R R U R R R R U +++=

++=

这时的输出电压是最大值。

以上计算中，当()BE T U 2<<1D U 时可以忽略()BE T U 2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o U 的范围，改变R3和R5的阻值就可以改变输出电压o U 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2.3所示。

图2.3 复合调整管的四种连接方式

图2.4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21T T ββ，极性和T2一致，功率为T1管的最大功率，而其驱动电流只要求()B T I 2。

图2.4是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图2.3(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。

图2.4 串联负反馈稳压电源电路图

三、串联负反馈稳压电源电路设计实例

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。

1、电路设计指标

⑴、直流输出电压o U ：3V ～15V ； ⑵、最大输出电流o I ：1A ；

⑶、电网电压变化±10％时，输出电压变化小于±1％；

2、电路选择

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，如图3.1所示。

图3.1 串联负反馈稳压电源设计实例电路

3、变压部分参数计算

这一部分主要计算变压器B1次级输出电压()O B U 1和变压器的功率1B P 。 一般整流滤波电路有2V 以上的电压波动（即纹波电压，设为ΔUD ）。调整管T1的管压降()CE T U 1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。得下列计算公式：

()()()()()V

V V V V U U U U MAX D CE R O B 67.162.1202

.115322

.111=÷=÷++=÷+?+=

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()OMIN B U 1为：

A

F

()()V

U U O B OMIN B 5.189.067.169

.011=÷=÷= 当电网电压上升＋10％时，变压器B1的输出功率最大。此时变压器B1次级输出电压()OMAX B U 1为：

()()V

V U U MAX B OMAX B 35.201.15.181

.111=?=?=

这时当稳压电源输出的电流()MAX O I 达到最大（即设计最大电流值1A ）时。此时变压器次级B1的设计功率为：

()()W

A V I U P MAX

O MAX B B 35.20135.2011=?=?=

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20.35W 。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。设计中选用的变压器为输出电压18V ，额定功率25W 。

4、整流部分参数计算

⑴、相关知识复习

图3.2 单相桥式整流电路电压、电流波形图

上图中L R 为负载电阻，1u 经变压器降压后，t V u ωsin 222=。对2u 用傅里叶级数展开后可得

??

?

?????---=t t t V u L ωπωπωππ2cos 3542cos 1542cos 34222

式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有

22

9.022V V V L ==

π

直流电流为

L

L R V I 2

9.0=

在桥式整流电路中，二极管1D 、4D 和2D 、3D 是两两轮流导通的，所以流过每个二极管的平均电流为

L D I I 2

1=

当处时波形正半周时，二极管2D 、3D 处于截止状态。此时2D 、3D 所承受到的最大反向电压均为2u 的最大值，即

22V V RM =

一般电网电压波动范围为%10±。实际上选用的二极管的最大整流电流

RM DM V I 和最高反向电压应留有大于10%的余量。

⑵、参数计算

这一部分主要计算整流管的最大电流()MAX D I 1和耐压()RM D V 1。由于四个整流管D1～D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。整流管D1的最大整流电流为：

()()A

A I I MAX O MAX

D 5.012121

1=?=?= 考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1）MAX 为0.8A 。

整流管D1耐压()RM D V 1的计算应取市电上升10％时，D1两端的最大反向峰值电压：

()()V

V U V O B RM D 28181.121.1211≈??=??=

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3A ，反向峰值电压1000V 的IN5408作为整流二极管。

5、滤波部分参数计算

这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压1c V 值。 根据滤波电容选择条件公式可知，滤波电容的电容量为：

()R T C ???-=5.053

一般系数取5，由于市电频率是50Hz ，所以T 为0.02S ，R 为负载电阻。

当最不利的情况下，即输出电压为15V ，负载电流为1A 时：

()()F

V R

T C μ330011502.05.055.0531≈÷÷??=÷??-= 当市电上升10％时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的电压达到最大：

()V

V

U V OMAX

B C 8.19181.111=?== 实际上普通电容都是标准电容值，只能选取相近的容量，这里可以选择3300μF 的铝质电解电容。耐压可选择25V 以上，一般为留有余量并保证长期使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择35V 。

6、调整部分参数计算

调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极－发射极反向击穿电压

()

CEO

T V 1，最大允许集电极电流()CM T I 1，最大允许集电极耗散功率()CM T P 1。

在最不利的情况下，市电上升10％，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极－发射极反向击穿电压()CEO T V 1为：

()

()V U V OMAX B T CEO

8.1911==

考虑到留有一定余量，可取()CEO T V 1为25V 。

当负载电流最大时，最大允许集电极电流()CM T I 1为：

()A I I O CM

T 11==

考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取()CM T I 1为1.2A 。这样最大允许集电极耗散功率()CM T P 1为：

()()()()()W

A

V V I U U P CM

T OMIN OMAX B CM T 8.16138.19111=?-=?-= 考虑到留有一定余量，可取()CM T P 1为20W 。

查询晶体管参数手册后选择2SC2563作为调整管T1。该管参数为：

()W P CM

T 801=，()CM T I 1＝8A ，()CEO T V 1≥120V ，完全可以满足要求。选择调整管

T1时需要注意其放大倍数β≥40，设计过程中取401=T β。

调整管T2各项参数的计算原则与T1类似，下面给出各项参数的计算过程。

⑴、调整管T2集电极－发射极反向击穿电压

()

()()()()V

V

V U U U U V BE T OMAX B BE T CEO T T CEO

1.197.08.1911112=-=-=-=

同样考虑到留有一定余量，取()CEO T V 2为25V 。

⑵、调整管T2最大允许集电极电流CM I 为

()()mA

A I I T CMAX

T CMAX T 254011

12=÷=÷=β

⑶、调整管T2最大允许集电极耗散功率()CM T P 2为

()()()()()W

mA

V V I U U P CMAX

T OMIIN OMAX B CM T 592.02538.19212=?-=?-=

考虑到留有一定余量，可取()CM T P 2为600mW 。

查询晶体管参数手册后选择8050作为调整管T2。该管参数为：()CM T P 2＝

625mW ，CM I ＝500mA ，V V CEO 25≥，直流电增益：30 to 100；完全可以满足要求。还可以采用9014作为调整管T2，该管参数为：()CM T P 2＝450mW ，CM I ＝100mA ，V V CEO 45≥，直流电增益：20 to 90；也可以满足要求。

选择调整管T2时需要注意其放大倍数β≥80，设计中取1002=β则此时T2所需要的基极驱动电流为：

()()mA

mA I I T CM T MAX T 25.0100

251

22=÷=÷=β

7、基准电源部分参数计算

基准电源部分主要计算稳压管D7和限流电阻R3的参数。

稳压管D7的稳压值应该小于最小输出电压OMIN U ，但是也不能过小，否则会影响稳定度。这里选择稳压值为2V 的C2V0，该型稳压管的最大工作电流为250mA ，最大功耗为350mW 。为保证稳定度，稳压管的工作电流7D I 应该尽量选择大一些。而其工作电流()CE T R D I I I 337+=，由于()CE T I 3在工作中是变化值，为保证稳定度取()CE T R I I 33>>，则37R D I I ≈。

这里初步确定()mA I MIN R 103=，则R3为：

()()()Ω

=÷-=÷-=1001023353mA V V I U U R MIN R D OMIN

实际选择时可取R2为120Ω。

当输出电压O U 最高时，()MAX R I 3为：

()()()mA

V V R U U I D OMAX MAX R 33.108120

2152

72=÷-=÷-=

这时的电流()MAX R I 2小于稳压管D7的最大工作电流，可见选择的稳压管能够安全工作。

8、取样部分参数计算

取样部分主要计算取样电阻R1、R2、RW1的阻值。

由于取样电路同时接入T3的基极，为避免T3基极电流IT3B 对取样电路分压比产生影响，需要让()1//13RW R B T I I <<。另外为了保证稳压电源空载时调整管T3能够工作在放大区，需要让1//1RW R I 大于调整管T3的最小工作电流()CEMIN T I 1。由于2SC2563最小工作电流()CEMIN T I 1为1mA ，因此取mA I RW R 101//1=。则可得：

Ω

=÷=÷=+300103//1

//1112mA

V I U R R R RW R OMIN W

当调节端位于最下端时，输出电压达到最大O U ＝15V ，此时

()o W BE T D U R R R R U U 1

122

35//+=

+

V R R R R V V W 15//7.021

122

?+=

+?

18.0//1

122

=+?

W R R R R

由于Ω=+300//112W R R R ，可得：

Ω=Ω?=5430018.02R Ω=Ω-Ω=24654300//11W R R

根据电阻的并联知识可知，1R 与1W R 都需大于Ω246。设计中取

Ω=4701W R ，则可推算出1R 应取Ω2.516。

实际选择时可取R2为50Ω。这样1W R 为470Ω，R1为534Ω。但实际选择时可取R3为560Ω。

9、放大部分参数计算

放大部分主要是计算限流电阻R4和比较放大管T3的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T3的放大倍数β和集电极－发射极反向击穿电压

()CEO T U 1。

串联负反馈稳压电路是通过输出电压的变化量，经放大后来调节调整管的管压降达到稳压的目的。当放大倍数越高，电源的稳定度就越高。对于三极管放大

器，当集电极电阻越大同时输入电阻越小时，放大倍数就越大。但集电极电阻过大会造成集电极电流过小，会造成输入电阻增大。为解决这个矛盾，可以使用恒流源负载代替集电极电阻。图3.1中是一种使用三极管恒流源的稳压电路。图中虚线框内的T4、D5、R4、R10组成恒流源电路，作为T3发射极负载。

这里需要T3工作在放大区，可通过控制T3的集电极电流()C T I 3来达到。而()C T I 3是由限流电阻R4控制，并且有：

()()B T C T R I I I 234+=

由三极管的输出动态曲线可知，当三极管处于饱和区时，左侧即深度饱和区

C I 是一条向右上方的斜直线，此状态下基极电流远大于β

C

B I I >>

，C I 只服从于三

极管的饱和状态下导通电阻C R 的欧姆定律(在三极管安全功率内)，c

cc

C R U I =

，即CC U 大小决定C I 的大小，与B I 无关了（横轴2左边向左）。此时，V U CE 0≈。

⑴、4R I 的计算

在工程上，一般取()mA I B T 102=，取()mA I T 13=，则有mA I R 114=。

⑵、4R U 的计算

在工程上，一般取()()V U U BE T BE T 7.012==，取()V U EC T 34=，则有

()()()V

V

V V V U U U U U O

BE T BE T OMAX B R 4.1537.07.08.191214=---=---=

Ω===

K mA

V

I U R R R 4.1114.15444 设计时取Ω=K R 14，此时

mA K V

I R 4.1514.154=Ω

=

可见当输出电压最大时，4R I 上幅度仅1.4%，对T3工作点影响不大，可满足要求。

⑶、10R 的计算

取()mA I B T 14=，()()mA I I B D B D 1056==，则流过R10的总电流为21mA 。又有V V V V U R 4.187.07.08.1910=--=，可求得R10的值。

Ω===

876214.18101010mA

V

I U R R R 设计时取R10为1K 。由于放电电路的电流并不大，各项电压也都小于调整电路，可以直接选用8050作为放大管T3。

10、保护电路部分计算

工程上一般硅管基极与发射极间的压降为0.7V ，由此可知要使T5管导通，必须使()V U BE T 7.05>。由于设计电路最大工作电流为1A ，取1.4A 进行过流保护。那么可由下式计算需并联的电阻大小：

()Ω==

=

5.04.17.04.13A

V

A

U R BE

T 总保护 由电阻的并联知识可知，可由两个Ω1并联得到。此时电阻R5、R7的功率为

W W A P P R R 149.0124.12

57<=Ω???

?

??==

故选用W 11、Ω的电阻。

11、其它元件部分参数计算

⑴、在T2的基极与地之间并联有电容C2，此电容的作用是为防止发生自激

振荡影响电路工作的稳定性，一般可取0.01μF/35V 。在电源的输出端并联的电容C9是为提高输出电压的稳定度，特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用，可选470μF/25V 铝电解电容。

⑵、R9与D14组成电源指示。取发光二极管的工作电流为10mA ，则R9的

计算值为Ω=-=

K mA

V

V R 91.1107.08.199，设计中取R9为2K 。

四、三稳压电源部分

为增加电源的实用性，增加了三路三端集成稳压器构成的电源。输出分别为+5V ，+9V ，-9V 。

图4.1 三端集成稳压器构成的电源

五、结果分析

通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图。这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数，最终完成稳压电源的设计。