串聯型穩壓電源的設計

【摘 要】文章從串聯型穩壓電路原理出發進行設計、選擇電路元件（參數）。

【關鍵詞】串聯型穩壓電路 調整管 取樣電路

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）11B-0074-03

一、前言

各種電子電路通常都要用直流電源來供電，而串聯型穩壓電源在各種電路，特別是在輸出功率較低的電路和簡單的電路制作中得到了廣泛地應用。

二、設計的基本要求

輸出電壓 UO=8～13 V

輸出電流 IO=0～100 mA

交流電壓 220V，頻率50Hz ，電壓允許波動±10

三、串聯型穩壓電源電路設計、參數計算、元件選擇

（一）電路的組成和基本原理

圖1-1

圖1-1為一串聯型穩壓電源電路，圖中T1、T2為復合調整管，起電壓調整作用。電阻R8、R9和Rw組成分壓電路，輸出電壓變化量 △V 通過電阻分壓加到三極管T3的基極，所以R8、R9、Rw組成的電路叫做分壓電路。穩壓管DZ1與電阻R3組成穩壓電路，用來提供基準電壓VZ1，T3起比較與放大信號的作用。T3的集電極接T5，DZ2、R1、R2組成恒流源負載，其中DZ2、R1給恒流源提供穩定的電壓。

該電路的穩壓過程如下：當Vi增大（或IO減小）而使Vo增大時，通過取樣電路加至T3基極的電壓VB2則升高。因差分放大器T3和T4對加在兩個基極上的差值信號進行放大，而基準穩壓管 DZ1使T4的基極電壓VB4=VZ1保持恒定，所以T3對其基極電壓升高引入的信號進行放大，使得IC5（即IR2）增大，VB2下降，IB2減小，IC2、IB1減小，VCE1增大，使得Vo減小，最終保持輸出電壓Vo的穩定。

（二）整流濾波電路

該電源用四個二極管接成橋式整流電路，它的作用是利用具有單向導電性能的整流元件將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓，這種單向脈動電壓往往包含很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠。為此，在整流電路后加一個電容濾波器，它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。

下面首先計算整流濾波電路的輸出電壓Vi和輸出電流Ii，再選擇整流二極管、濾波電容和電源變壓器的變比。

整流濾波電路的輸出電壓為

Vi=（1+10%）（VOmax+VCE1+VR7）

因復合調整管T1、T2工作在放大區，通常選VCE=3～8V ，如果考慮到當電網下降10%時，Vi仍能維持最大的電壓輸出，Vi應按上式選值。根據要求

VOmax=13V

VCE1=5V

VR7=（IOmax+IR8）

在設計時取合適的電阻阻值，使得流過IR8的電流為10mA，R7上的壓降為0.6V左右，則有

Vi=1.1（13+5+0.6）V≈20.5V

選取 Vi=21V

整流濾波電路的輸出電流為 Ii=IOmax+IR1+IR2+IR3+IR6+IR8

根據要求 IOmax=100mA

考慮到電路的穩定性和可行性，選取

IR1=10mA

IR2=5mA

IR3=10mA

IR6=10mA

IR8=10mA

IR10=5mA

所以 Ii=100+10+5+5+10+10+10=150mA

變壓器的次級電壓，其變比為

n=12

整流二極管的選取要滿足以下幾個參數

根據以上數據并考慮留有裕量，整流二極管可選用 2CP33。

濾波電容C1可根據下面的式子進行選擇

選用電容量為，耐壓為25V的電解電容。

（三）帶差分比較放大的穩壓電路

1.調整管

該電源采用T1和T2組成復合調整管，由圖1-1可以知道流過T1發射極的電流IE1為

IE1=IOmax+IR8+IR3+IR6-IR10

=100+10+10+10-5

=125mA

加上并聯在輸出端的電容G4和一端接到T3的電容G3充放電時流過的電流，流過調整管T1的發射極的最大電流為150mA左右，選用調整管時要使其極限參數滿足以下要求

ICM1=150mA

V（BR）CEO1=Vimax-VOmin-VR7

=（1+10%）Vi-VOmin-VR7

=1.1×21-8-0.6

=14.5V

根據以上數據T1選用MJ2955 9330。T2選用低頻小功率三極管9015。起分流作用的R10，取R10=500。

2.基準電源VZ1、VZ2的一般要求

對于用作差分放大器的基準電源VZ1來說，一般取值如下：

VZ1=nVO=（0.5～0.8）VO

取 n=0.6

輸出電壓VO的范圍為 VO=8～13 V

則有 VZ1=0.6（8～13）=4.8～7.8V

所以可取 VZ1=6.2V

限流電阻R3的阻值可根據下式選取

對于恒流源的基準電壓VZ2，取VZ2=6.2V。對于其負載電阻R2，可通過以下幾式來求它的阻值

VZ2=IE2R2+VBE4

一般VBE4的壓降為 0.5V，則有

IE4R2=VZ2-VBE4

=6.2-0.5

=5.7V

又因為IE4≈IB2+IC3，結合前面所選取的元件參數IB2和IC3加起來的值大概為3mA。所以R2的阻值為

對于基準電壓VZ2的限流電阻R1的阻值為

對于恒流源的三極管T5，應選取放大倍數較高的低頻小功率三極管9014。

3.差分比較放大器

差分放大器由T3、T4、Re3（即R4）和恒流源負載組成。根據差分放大器的特點，此處的三極管選用電流放大倍數較高、特性對稱的低頻小功率三極管，其工作點可取IC2=IC3=2mA，在此T3、T4小功率三極管選用9015。差分放大器的發射極電阻可由下式求得

4.取樣電路

為了提高電路的穩定性，首先應選擇溫度系數相同且比較小的電阻。在取樣電路中，當Rw滑到下端時

當Rw滑到上端時有

結合前面已選取的IR8=10mA，則有

解以上三式聯立的方程，可求得

R8=260

R9=640

Rw=400

（四）過載保護電路

該電源由T6、R5、R6、R7組成過載保護電路。T6為保護管，R5、R6對輸出電壓進行分壓，通過R6給T6基極提供反向偏壓，電阻R7稱為檢測電阻，其阻值較小，當輸出電流流過R7時T6提供正向偏壓。在此T6選用小功率三極管9015。

在正常情況下，在R6上的反向偏壓超過R7上的正向偏壓，所以T6處于截止狀態，對穩壓工作不起影響。

當輸出電流變大，R7上的正向偏壓也增大，當增大到一定程度時，T6進入導通狀態，于是T6的發射極與集電極間的電壓變小，流過T5集電極的電流IC5增大，IE5增大，VRe5增大，也就是VR2增大，使得VB2減小，IB2減小，IC2、IB1變小，使VCE1增大。從而使調整管T1得到保護。另一方面，由于保護管T6導通使得流過R7的電流變小，IC1變小，當流過R7的電流減小到一定的數值時，T6恢復截止，穩壓電路自動恢復正常工作。

由圖1-1可以知道VR7=VR6+VBE6，取VBE1=0.1V，結合前面所選取的VR7=0.6V，則有

（下轉第88頁）

（上接第75頁）

（五）電容C2、 C3 、C4

1.電容C2

這個電容一般很小，其值在0.01～0.1μF左右，它的作用是防止高頻振蕩。雖然電子穩壓電路是一種負反饋（上接第75頁）（下轉第88頁）調節系統，但由于寄生參數或其它因素影響，在頻率較高時可能轉為正反饋，引起振蕩，這會破壞電路的正常工作。如果在放大管接一小容量電容C2，如圖1-1所示，就可以使高頻增益下降，因而防止高頻振蕩。

2.電容C3

一般是幾個到幾十個微法。它可以改善穩壓電路的瞬時特性。比如輸出電壓出現瞬間跳動，由于C3 上的電壓來不及變化，因此VO的瞬間變化量直接通過C3 傳遞給放大管基極。再經過T3 放大，使調整管及時作出明顯的反應以維持輸出電壓的穩定。另外，C3 對紋波電壓的阻抗很低，可以降低輸出端紋波電壓。在次選用33μF，耐壓為16V的電解電容。

3.電容C4

這個電容的容量一般較大，再次選用470μF，耐壓16V的電解電容。C4的作用是為了防止脈沖負載電流引起輸出電壓的波動，同時也減小輸出端波紋電壓。

四、結論

通過實驗測得電壓幅值調節范圍為8.1～12.5V，輸出電流小于100mA，符合設計的基本要求。

【參考文獻】

[1]王至正，朱漢榮，肖福坤.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1988

[2]楊素行.電子技術簡明教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1998

[3]長春郵電學校.電子電路（上）[M].北京：人民郵電出版社，1979

（責編 盧建龍）