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直流穩壓電源穩壓電路基礎知識

直流穩壓電源穩壓電路基礎知識

為了保證輸出直流電壓的穩定，我們在整流濾波電路之后接入穩壓電路。

7.4.1 穩壓電路的主要指標

1.穩壓系數Sr

穩壓系數Sr是當負載固定時，穩壓電路輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。



這個指標反映了當電網電壓波動的影響，表示穩壓電路保持輸出電壓穩定的能力。Sr越小，輸出電壓越穩定。由于工程上常常把電網電壓波動±10%作為極限條件，因此也有將此時的輸出電壓的相對變化作為衡量的指標，稱為電壓調整率。

2.輸出電阻Ro

Ro定義為：在整流濾波后輸入到穩壓電路的直流電壓不變時，穩壓電路的輸出電壓變化量△UO與輸出電流變化量△IO之比。



Ro反映了當負載變化時，穩壓電路保持輸出電壓穩定的能力。顯然，Ro越小，輸出電壓越穩定。

除了以上兩個主要指標外，還有一些指標，如反映輸出電壓脈動的最大紋波電壓，通常為輸出中100Hz的交流成分，常用有效值或峰值表示；還有反映輸出受溫度影響的溫度系數，它定義為輸入電壓和負載電流保持不變時，并且在規定的溫度范圍內，單位溫度變化所引起的輸出電壓相對變化量的百分比。

直流穩壓電路按電路原理可分為參數型穩壓電路（例如穩壓管穩壓電路）和反饋調整型穩壓電路（例如串聯穩壓電路）兩類。在小功率電子設備中，目前廣泛使用的穩壓電路多是穩壓管穩壓電路和串聯穩壓電路。硅穩壓管穩壓電路的工作原理在第一章中已作介紹，該電路結構簡單，穩壓性能較好，穩壓系數可達10-2，內阻是幾歐到幾十歐，因而得到廣泛應用。缺點是輸出電壓不能調節，且受穩壓管工作電流的限制，輸出電流不能太大，尤其輸出電流變化不能太大。因此，在要求輸出直流電壓連續可調、輸出電流大的情況下，就需要采用串聯型晶體管穩壓電路。

7.4.2 串聯型直流穩壓電路

1.串聯型直流穩壓電路的引入

從穩壓管穩壓電路的工作原理可知，穩壓管是靠改變它所取的電流來進行調節的，它的調節范圍是Izmax～Izmin。當電網電壓不變時，負載電流的變化范圍也就是穩壓管電流的調節范圍，但這個變化范圍有所限制，如何擴大呢？當然首當其沖的想法就是在負載前串一個可變電阻，我們可以調節可變電阻的大小來改變加到負載上的電壓，以保持輸出電壓的穩定，而這個“可變電阻”如何實現呢？在實際電路中，我們是用晶體管代替可變電阻來實現自動調節的。其思想是：共集電極電路在三種基本組態電路中的輸出電阻最小，輸出電壓最穩定。如果在共集電極電路基礎上再引入系統的串聯電壓負反饋，則輸出電阻會進一步減小，輸出電壓會進一步穩定。

串聯型穩壓電路由基準電壓源、比較放大電路、調整電路和采樣電路四部分組成 。

2.串聯穩壓電路

如圖7.13所示。圖中DZ和R組成穩壓環節，用于產生基準電壓。T是晶體三極管。

穩壓過程：



由上述穩壓過程可以看到，該電路構成了一個閉合的負反饋系統，三極管T是起調整作用的，所以叫做調整管。因調整管和負載是串聯的，因此叫做串聯型穩壓電路

該電路與穩壓管穩壓電路相比較，其優點是輸出電流大，且輸出電流變化范圍大。在穩壓管穩壓電路中，負載電流的變化量要由穩壓管電流變化量補償，而在串聯穩壓電路中，穩壓管只需提供基極電流變化量，負載電流變化量則為基極電流變化量的(1+ )倍，因此負載電流可以較大。該電路的缺點是輸出電壓不能調節。此外，由于調整管的作用是依靠偏差△ UBE=UZ—△U0來實現的，因此必須有偏差才能調整，所以Uo不可能達到絕對穩定，只能基本穩定，因此電路的穩壓性能較差。

若將偏差放大后再去控制調整管，那么調整管的作用就會大大提高，從而提高電路的穩壓性能，由此引入具有放大環節的穩壓電路。

3.具有放大環節的串聯穩壓電路

(1) 電路

圖7.14是具有放大環節的串聯型晶體管穩壓電路的原理圖。



它的輸入電壓UI是由整流濾波電路供給的。電阻R1和R2組成分壓器，其作用是把輸出電壓的變化量取出一部分加到由T2組成的放大器的輸入端，所以叫做取樣電路。電阻R3和穩壓管DZ組成穩壓管穩壓電路，用以提供基準電壓，使T2的發射極電位固定不變。晶體管T2組成放大器，起比較和放大信號的作用。R4是T2的集電極電阻，也是T1的偏流電阻。從T2集電極輸出的信號直接加到調整管T1的基極。

由圖7.14可以看出，具有放大環節的串聯型晶體管穩壓電路是由調整元件、比較放大、基準電壓和取樣電路等幾部分組成的。它的方框圖如圖7.15所示。



(2) 工作原理

穩壓電路的穩壓過程是這樣的：如果由于電網電壓降低或負載電流加大使輸出電壓Uo降低時，通過R1和R2的分壓作用，T2的基極電位UB2下降，由于T2的發射極電位UE2被穩壓管DZ穩住而基本不變，二者比較的結果，使T2的發射結正向電壓UBE2減小，從而使T2的Ic2減小和UC2增高。UC2的升高又使T1的IB1和IC1增大，UCE1減小，最后使輸出電壓恢復到接近原來的數值。以上過程可以表示為

Uo↓→UB2↓→UBE2↓→IC2↓→UC2↑→IB1↑→IC1↑→Uo↑

同理，當Uo升高時，通過負反饋作用使Uo基本保持不變。

很顯然，當放大器的放大倍數越大時，輸出電壓的穩定度就越高。

(3) 輸出電壓的大小和調節方法

在圖7.14中，若忽略T2的基極電流的影響，則有



上面所討論的串聯反饋型穩壓電路存在一些缺點，而相應地幾種改進電路，這里我們綜述如下：

①電網電壓波動引起Ui波動時，將通過放大管集電極電阻R4影響調整管的基極電位，并引起輸出電壓Uo的波動。由此引進帶輔助電源的串聯穩壓電路。

②當環境溫度變化引起放大管T2靜態工作點漂移時，將引起輸出電壓的不穩定。由此引進差動放大電路代替T2進行比較放大。

③當負載電流變化較大時，調整管基極電流的變化也相應較大，勢必要求放大管T2的集電極電流也要有相當大的變化范圍，一般小功率三極管較難實現。由此采用復合管代替調整管。

④增加集電極負載電阻R4可增加放大電路的放大倍數，但同時會使調整管得不到合適的靜態工作點，而使穩壓電流不能正常工作。由此我們可采用恒流源負載代替R4。

⑤當負載電流過大或負載短路時，流過調整管的電流也大，并承擔全部輸入電壓，極易超過調整管的額定功耗值而燒毀，因此，我們引入限流型、截流型等保護電路。