人力资源-09级培训资料--直流稳压电源设计1.docx

串联式直流稳压电源设计
目录
一、 半导体器件的简单识别
1. 二极管的简单识别与简单测试
2. 特殊二极管的简单识别与简单测试
3. 三极管的识别与简单测试
二、 串联型直流稳压电源组成及稳压原理
1. 直流稳压电源的基本组成及稳压原理
2. 稳压电源的性能指标
三、串联式直流稳压电源设计方法
1.确定变压器容量
2．选择整流二极管
3.滤波电容的选择
4.稳压电路设计
1） 电路选择
2） 确定对整流滤波电路的要求
3） 选择调整管
4） 计算取样电阻
5）确定基准电压
6）设计比较放大器
四、串联反馈型晶体管稳压电源设计方法和步骤
第一章导体器件的基本知识
一、半导体器件的简单识别
半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管对信号具有放大作用和开关作用。它们的管壳上都印有规格和型号。
1、二极管的简单识别与简单测试
普通二极管一般为玻璃封装和塑料封装两种，如图1.1所示。它们的外壳上均印有型号和标记。标记箭头所指向为阴极。有的二极管上只有一个色点，有色点的一端为阳极。
若遇到型号标记不清时，我们可以借助万用表的欧姆档简单识别。我们知道，指针式万用表正端（+）红笔接表内电池的负极，而负极（-）黑笔接表内电池的正极。根据PN结正向导通电阻值小，反向截止电阻值大的原理来简单确定二极管的好坏和极性。具体做法是，万用表欧姆档置或处，将红、黑两表笔接触二极管两端，表头有一指示；将红、黑两表笔反过来再次接触二极管两端，表头又有一指示。若两次指示的阻值相差很大，说明该二极管单向导电性好，并且阻值大（几百千欧以上）的那次红笔所接为二极管的阳极；若两次指示的阻值相差很小，说明该二极管已失去单向导电性；若两次指示的阻值均很大，则说明该二极管已开路。
2、特殊二极管的简单识别与简单测试
特殊二极管的种类较多，在此我们只介绍四种常用的特殊二极管。
① 发光二极管（LED）
发光二极管通常是用砷化镓、磷化镓等制成的一种新型器件。它具有工作电压低、耗电少、响应速度快、抗冲击、耐振动、性能好以及轻而小的特点，被广泛应用于单个显示电路或作成七段矩阵式显示器。而在数字电路实验中，常用做显示器。发光二极管的电路符号如图1.2所示。
发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性，正向导通时才能发光。发光二极管发光颜色有多种，例如红、绿、黄等，形状有圆形和长方形等。发光二极管出厂时，一根引线做的比另一根引线长，通常，较长的引线表示阳极（+）、另一根为阴极（-），如图1.3所示。若辨别不出引线的长短，则可以用辨别普通二极管管脚的方法来辨别其阳极和阴极。发光二极管正向工作电压一般在1.5V~3V，允许通过的电流为2~20mA，电流的大小决定发光的亮度。电压、电流的大小依器件型号不同而稍有差异。若与TTL组件相连使用时，一般需要接一个的降压电阻，以防止器件的损坏。
② 稳压管
稳压管有玻璃、塑料和金属外壳封装两种。前者外形与普通二极管相似，如2CW7，后者外形与小功率管相似，但内部为双稳压二极管，其本身具有温度补偿作用，如2CW231。详见1.4。

稳压管在电路中是反向连接的，它能使稳压管所接电路两端的电压稳定在一规定的电压范围内，称为稳压值。确定稳压管稳压值的方法有三种：
根据稳压管的型号查阅手册得知；
在CA4810A型晶体管测试仪上测出其伏案特性曲线获得；
通过简单的实验电路可测得稳压管的稳压值，实验电路如图1.5所示。我们改变直流电源电压V，使之由零开始缓慢增加，同时稳压管两端用电流电压表监视。当电压增加到一定值，使稳压管反向击穿，直流电压表指示某一电压值。这时在增加直流电源电压，而稳压两端电压不再变化，则电压表所指示的电压值就是该稳压管的稳压值。
③光电二极管
光电二极管是一种将光信号转换成电信号的半导体器件，其符号如图1.6(a)所示。
在光电二极管的管壳上备有一个玻璃口，以便于接受光。当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而正比上升。
光电二极管可用于光的测量。当制成大面积的光电二极管时，可作为一种能源，称为光电池。
④变容二极管
变容二极管在电路中能起到可变电容的作用，其结电容随反向电压的增加而减小。变容二极管的符号如图1.6(b)所示。
变容二极管主要用于高频电路中，如变容二极管调频电路。
二、三极管的识别与简单测试
三极管主要有NPN型和PNP型两大类。通常我们可以根据命名法从三极管管壳上的符号识别出它的型号和类型。例如，三极管管壳上印的是3DG6，表明他是NPN型高频小功率硅三极管。同时，我们还可以从国生三极管管壳上色点的颜色来判断出管子的电流放大系数β值的大致范围。以3DG6为例，若色点为黄色，表示β在30～60之间；绿色表示β值在50～110之间；蓝色，便是β值在90～160之间；白色，表示β值在140～200之间。但是也有的厂家并非按此规定，使用时要注意。
当我们从管壳上知道它们的类型和型号以及β值后，还应进一步辨别它们的三个电极。
对于小功率三极管来说，有金属外壳封装和塑料封装两种。
金属外壳封装的，如果管壳上无定位销，那么将管底朝上，从定位销起，按顺时针方向，三根电极一次为e、b、c。如果管壳上有定位销，且三根电极在半圆内，我们将有三根电极的半圆置于上方，按顺时针方向，三根电极依次为e、b、c，如图1.7所示。
塑料外壳封装的，我们面对平面，三根电极置于下方，从左到右，三根电极依次为e、b、c，如图1-7（b）所示。
对于大功率三极管，外形一般分为F型和G型两种，如图1.8所示。F型管，从外形上

只能看到两根电极。我们将管底朝上，两根电极置于左侧，则上为e，下为b，底座为c。G型管的三个电极一般在管壳的顶部，我们将管底朝下，三根电极置于左方，从最下面的电极开始，顺时针方向，依次为e，b，c。
三极管的管脚必须正确确认，否则，接入电路不但不能正常工作，还可能烧坏管子。
当一个三极管没有任何标记时，我们可以用万用表来初步确定该三极管的好坏及其类型（NPN型还是PNP型），以及辨别出e，b，c三个电极。
1、先判断基极b和三极管类型
将万用表欧姆档置于“R×100”或“R×1K”处，先假设三极管的某极为“基极”，并将黑笔接在假设的基极上，再将红笔先后接在其余两个电极上，如果两次测得的电阻值都很大（或者很小），约为几千欧至几十千欧（或约为几百欧至几千欧），而对换表笔测得两个电阻值都很小（或都很大），则可确定假设的基极是正确的。如果两次测得的电阻值是一大一小的测试。最多重复两次就可找出真正的基极。
当基极确定以后，将黑笔接基极，红笔分别接其他两级。此时，若测得的电阻值都很小，则该三极管为NPN型管；反之，则为PNP型管。
2、再判断集电极c和发射极e。
以NPN型管为例，把黑笔接到假设的集电极c上，红笔接到假设的发射极e上，并且用手捏住b和c极（不能使b、c直接接触），通过人体，相当于在b、c之间接入偏置电阻。
读出表头所示c、e间的电阻值，然后将红、黑表笔反接重测。若第一次电阻值比第二次小，说明原假设成立，黑笔所接为三极管集电极c，红表笔所接为三极管发射极e。因为c、e间电阻值小，说明了通过万用表的电流大，偏置正常。
以上介绍的是比较简单的测试，要想进一步精确测试可以借助与JT-1型晶体管图示仪，它能十分清晰地显示出三极管的输入特性曲线以及电流放大系数β等。
第二章、串联型直流稳压电源组成及稳压原理
1、 直流稳压电源的基本组成
1)直流稳压电源的基本组成
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本电路如图2.1所示。
2）直流稳压电源各部分电路的作用
①电源变压器
电源变压器的作用是将电网的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
②整流电路
利用具有单向导电性能的整流元件如二极管，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。在图2.1所示电路中，整流二极管组成单相桥式整流电路。
③电容滤波电路
整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源，这时在整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。
④稳压电路
调整管与负载电阻相串联，组成串联式稳压电路，与稳压管组成采样比较放大电路，当稳压器的输出负载变化时，输出电压基本保持不变。

图2.1单相桥式整流电路
3）直流稳压电源各部分的工作原理
①取样环节：由、及组成的分压电路构成，它将输出电压的一部分作为取样电压，送到比较放大环节。
②基准电压：由稳压二极管和电阻构成基准电压电路，为发射极提供一个稳定的基准电压，作为调整、比较的标准。
③比较放大环节：由和组成，其作用是将取样电压与基准电压之差放大后控制调整管。
④调整环节：由工作在线性放大区的功率管与负载电阻相串联，组成串联式稳压电路，的基极电流受比较放大管集电极输出电压控制，改变集电极输出电压，可使和管的集、射电压发生变化，从而达到自动稳定输出电压的目的。稳压过程如下：
当输入电压不变而输出负载发生变化（负载电阻变化）引起输出电压减小时，取样电压相应减小，使管的基极电流和集电极电流随之减小，引起管的集电极电位增加，于是管的基极电位增加，使得增加，使保持基本稳定。电路的稳压过程为：

同理，当或负载发生变化使增加时，调整过程相反，使保持基本不变。
从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。
2、稳压电源的性能指标
1）稳压系数
指负载不变，稳压器输出直流电压的相对变化量与输入电网电压的相对变化量之比。即

2）电网调整率
指输入电网电压由额定值变化时，稳压电源输出电压的相对变化量。一般稳压电源的网调整率小于或等于1%。
3）负载调整率
在额定电网电压下，负载电流由零变到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示。
4）输出电阻
在额定电网电压下，由于负载电流变化引起输出电压变化，输出电阻为
()
5）最大纹波电压
在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值大小，通常以峰-峰值或有效值表示。
6）纹波系数
稳压电源在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值与输出直流电压之比。即。

第三章串联式直流稳压电源设计方法
1.确定变压器容量
电网上单相交流电的有效值为220V，而通常需要的直流电压值远低于此值（通常直流电源为），因此，先用变压器进行降压，将220V的交流电变成合适的交流电后再进行交、直流转换，故在稳压电源设计中，变压器容量的选择是十分重要的。
1) 确定变压器次级线圈电流和次级电压有效值
整流电路如图3-1所示，在设计整流电路时，为了合理的选用或绕制变压器，需对其容量进行计算，在纯电阻负载情况下，变压器副边电压的有效值

变压器副边电流的有效值

在如图3-2所示的电容滤波整流电路中，变压器除了供给负载外，还需要向电容器充电，由于其瞬间电流值很大，所以虽然通过负载电流平均值为，但通过次级线圈电流有效值比大，一般取=(1.1~1.5)，通常取=1.5，。
2) 变压器容量的计算
在考虑变压器的容量时，是将其原边和副边的伏安值分别算出然后取平均值，作为设计变压器的依据，变压器副边输出功率可以根据副边绕组的电压和副边电流来计算，当变压器有几个副边绕组时，副边功率为各副边绕组的功率之和，即
…
变压器的原边输出功率是由副边负载功率来确定的，由于在传递功率的过程中，变压器本身存在着损耗，因此副边输出的平均功率比原边的输入功率小，输出功率与输入功率之比称为变压器的效率，用表示

一般小型变压器效率的选取如表3-1，变压器的额定功率为

2. 选择整流二极管
在图3-1所示电路中，由于没有接滤波电容，负载电压(为副边电压有效值)，图3-1所示整流电路接滤波电容后得到的整流滤波电路如图3-2所示，负载电压(在时，为电网电压周期)，流过每只二极管的平均电流

每只二极管承受的最大反向电压。
3. 滤波电容的选择
1) 电容的容量
在图3-2所示电路中，滤波电容的容量由放电时间常数计算，其中为电网电压周期，为0.02秒，为负载电阻，取，则。
2) 电容的耐压值
在整流电路中，最需要注意的是电解电容，电解电容的耐压值必须超过脉动电压的峰值，因此要选在变压器次级电压的倍以上。除此之外，还应明确，通常所说的变压器次级电压是指额定值时的电压，若电流减小或空载时，将升高。
通常，将变压器由负载电流的大小引起的变化比率称为变动率，用表示。
设变压器的次级额定电压为，电网电压变化范围是(电网电压变化为正常范围)，则电容器的耐压值必须满足

式中为整流二极管的正向压降，一般按1.4V考虑。变压器变动率随变压器副边容量而变的大致规律如表3-2所示。

4.稳压电路设计
1）电路选择
电路选择是一项很重要的工作，电路选择得好，对于以后工作就打下了好的基础，否则会给以后的工作带来不便：不是指标达不到，就是浪费太大。选择电路主要从两方面考虑：一是要保证能满足设计任务下达的各项技术指标，并且应留有一定的裕量；二是要从经济方面考虑，在确保达到技术指标的前提下，电路越简单越好，少一个元件，从经济上说就少花一份钱，从可靠性角度上看，就少一个出故障的环节，相对来说就是提高了可靠性。
从电路结构上考虑，一般是从电源的质量指标（如稳压系数、输出电阻、纹波及温漂等）和使用指标两个方面来考虑：对于稳压系数为之间的，选用简单的串联反馈型晶体管稳压电路便可以达到；稳压系数在之间的，可选用带放大器的串联反馈型稳压电路；如果在以下的（稳压性能更高），除了选用带放大器的稳压电路外，还要从基准电压源、比较器等方面都加以考虑，比如采用差分式放大器作比较放大电路或采用两级放大等等；对于以下的高稳定度的电源来说，还要考虑减少温漂和进一步提高稳定度的其它措施，如采用两级调整稳压等。
所谓使用指标是指输出电压、输出电流及其调节范围。对于输出容量大的电源，要选取用大功率的晶体管或采用复合晶体管。输出电压调节范围宽的稳压电源可以采用一组或两组辅助电源，也可以使用分段调整或者采用输入电压跟踪调整管压降的办法来实现。
另外，对于输出电阻这项技术指标要求较低的电源，可采用集电极输出式电路，因为这种电路稳压特性好。
2）确定对整流滤波电路的要求
整流滤波电路紧紧地与稳压电路联系在一起，整流滤波电路的输出电压就是稳压电路的输入电压，整流滤波电路的输出电流也是稳压电路的输入电流，确定了稳压电路的输入电压和电流，也就确定了对滤波电路的要求。
在确定图2-1所示滤波电路输出电压时，应考虑两点：第一，考虑调整管的工作状态，确保调整管能工作在放大区；第二，考虑交流电网波动的影响，交流电网的波动势必会反映到整流滤波电路的输出电压上，即随之升高而上升，随之下降而降低。
按国家的有关规定，在没有特别说明时，一般都按变化来考虑，即

也就是说，当电网电压变化时，调整管都处于线性放大区，从而使稳压电路能保持正常工作。
另外，调整管的管压降与纹波电压、复合管的数量、电源的输出功率等因素都有密切的关系，一般而言，根据稳压电路的工作原理，调整管的管压降一般取，可保证调整管工作在线性区，即，其中为稳压电路输出电压。
在确定整流滤波电路电路输出电流时，一方面要保证输出负载电流的要求，另外还要保证供给调整管、放大管的正常工作电流，故它应大于稳压电路的最大输出电流，即

另外根据所要求的稳压电路输出纹波电压和稳压系数，可以确定稳压电路的输入纹波电压。即

3） 选择调整管
选择调整管，除了耐压值和功率应满足要求外，还要满足最大功耗的要求，当单个晶体管作调整管时，电路如图2-1所示，选择调整管可按下列条件进行：

当负载电流较大时，为了减少比较放大管的负担，多采用复合管作调整管。选择复合管时应保证工作时不会超过它的极限，其主要参数有3个：即击穿电压、最大集电极允许功耗和最大集电极电流。

若采用如图3-3所示由二只晶体管复合作为调整管组成稳压电源时，应满足：

应满足：

4）计算取样电阻
取样电路实际上是一个电阻分压器（电路如图3-4所示），直接由取样分压比和基准电压来决定，取样电阻上的电压近似为

因此，

式中，称为取样分压比。为了提高输出
电压的稳定性，应尽可能把输出电压的变化量送到比较放大管的基极，因此应取得大一些，通常选取。
为了调节输出电压的大小，在取样电阻和中间串联一个电位器，电路如图3-5所示。在稳压电源输出电压变化范围已给定时，假如为，则、和有如下关系：
+=
－=
从上式可知，取样电路分压的变化，会引起稳压电源输出电压的变动，因此对取样电路不仅要有一定的分压比，并且要求分压比稳定。为了使比较放大管的基极电流的变化不影响取样电路的分压比，流过取样电路的电流要远大于流过比较放大管的基极电流，流过取样电路的电流应小于最大输出电流的十分之一，即设计时应保证

其中

5）确定基准电压
在图3-3所示电路中，晶体管稳压电路的基准电压由硅稳压二极管提供，基准电压的稳定性对稳压电路的稳定特性和温度漂移关系十分密切，硅稳压管的稳定电压最好选在左右为宜，因为在此范围内，硅稳压管的温度系数和动态电阻都是最小的。
在讨论取样电阻计算方法时，已经知道，另外，从一般带放大器的串联反馈型晶体管稳压电路中可看出，在图3-3所示电路中，硅稳压管的工作电流含有比较放大管的发射极电流，而又在变化中，为减小的变化时对基准电压的影响，应选取，因此基准电路设计可按下式进行
，
限流电阻应满足

6）设计比较放大器
比较放大器是将取样电路取出的电压信号与基准电压进行比较，并把二者之差值电压放大后去控制调整管，以稳定输出电压。因为稳压电源是深度负反馈电路，所以对比较放大电路可不作严格的计算，一般是选用较大值的小功率晶体管比较放大器，再根据调整管的基极电流大小确定其集电极电流和电阻，流过的电流，为了保证调整管能满足提供最大负载电流的要求，应满足

其中是复合调整管各只三极管电流放大倍数的乘积，即，通常取

第四章串联反馈型晶体管稳压电源设计方法和步骤
设计一个串联反馈型晶体管稳压电源，技术指标如下：
输出电压：；
输出电流：；
稳压系数：；
输出电阻：；
输出电流达到时，电路过流保护；
输入电网电压低于时，电路欠压保护；
交流电压：。
1．选择电路
本电源对质量指标要求一般，可选用带放大器的串联反馈型晶体管稳压电路。由于要求，因此调整管要采用中功率或大功率调整管，设其电流放大系数，则
调整管最大基极电流，用小功率的比较放大管直接推动有困难，使用两管复合做调整管，如取的电流放大系数，则的最大基极电流，用小功率放大管就可以推动，因此确定用两管复合作调整管，电路如图4-1所示。
2．确定对整流滤波电路的要求
根据稳压电路的工作原理，为保证管工作于线性区，滤波电路输出电压

取

因为交流电压有10%的波动，所以也有10%的波动，即

图4-1串联反馈型直流稳压电源
最大输出电流，加上电路中其他支路如取样电路、保护电路等的分流，估计为50mA，则整流滤波的输出电流应大于300mA，现取=350mA，近似等于流过调整管的最大集电极电流。
3．确定变压器副边电压及变压器容量
由于滤波电路采用电容器滤波，而滤波电路输出电压，为变压器副边绕组交流电压有效值，则

考虑到稳压电源长时间工作后滤波电容将逐渐失效，取

变压器副边功率

取

得到

由表3-1，取，则变压器原边功率

这样，变压器的额定功率

取。
4．电容器、和的选定
1）电容器容量的选择
整流滤波电路采用电容滤波，取，其中，是电网电压周期，为0.02秒，是稳压电路的等效输入电阻，当滤波电路输出电压为时

取标称值。
为了消除稳压电源内部产生的自激高频振荡，在基极与地之间跨接一小电容，取，稳压电源输出端滤波电容作为其负载时，可以认为是恒流放电，则它两端的电压变化为

以最不利的情况考虑，当电网电压最低时（即电网电压为时），输出电压仍能保证为，且调整管两端有以上的压降，滤波电容两端平均有的电压波动。因此，
取。在桥式整流条件下，电容的放电时间不会大于秒，取秒，则

可求得

取标称值。
2）电容器、耐压值的选择
由2.2.1，电容器的耐压值必须满足

其中，取（因为电网电压变化率是），由于变压器副边容量小于，由表3-2，取，而，则

取标称值。对于电容，其耐压值取标称值。
5．选择复合调整管
对于，应满足要求：

由晶体管手册查得三极管BU406的，，，，可以满足以上的要求。选用>30的晶体管。
对于，满足要求：

由晶体管手册查得的，，，可以满足设计要求，选用>30的晶体管。
6．基准电压电路的选定
取分压比，经计算

选用硅稳压二极管，它的稳定电压，，，，限流电阻应满足

即

取，这样，稳压二极管两端的电压。
7．取样电路的计算
取样电路如图3-5所示，由于流过取样电路的电流应为，即

取，故
++＝
1）当滑动端移动到最上端时，即

此时

为最小值。
所以

则

2）当滑动端移动到最下端时，即

此时

为最大值。

则

这样

取标称值，，。
8．比较放大电路的计算
采用三极管3DG9013作比较放大管，其>30由式，
由于，其中，则有

取，，这样得到
=
9．过流保护电路的设计与计算
1）工作原理
过流保护采用截流式保护电路，由、、及组成，电路如图2-9所示。当负载过载或短路时，处于饱和导通状态，这样的集电极对地电位下降，使得基极对地电位降低，导致复合调整管、处于截止状态，电路的输出电压及输出电流趋近于零，从而达到保护的目的。
2）元器件的选择及参数计算
①三极管的选择
为使电源在长期工作时温度稳定性较好，选用温度稳定性较好的硅管，选用电流放大倍数的3DG9013。当基-射电压时，处于临界饱和状态。
②的直流偏置电压
由于电源输出电压从5V到12V连续可调。所以采用辅助电源7805的输出的+5V电压给、提供直流偏置电压。
② 检测电阻的确定
截流式保护电路的检测电阻是接在地线回路，为了不影响电源的正常工作，的取值不能大，一般在1Ω到5Ω之间，这里取阻值为1.5Ω、功率为2W的电阻。
④、的确定
当输出电流时，，而的临界饱和电压，、外接7805的+5V输出电压，它基本上不随电网电压的变化而变化，
所以，发射结对地电位为

而

取，则

得到

取标称值。
10．欠压保护电路的计算
欠压保护电路采用uA741组成的电压比较器，电路如图2-9所示。当输入交流电压小于180V时，运放输出高电平，此时饱和导通，其集电极对地电位下降，使得基极对地电位减小，这样复合调整管、均截止，从而达到保护的目的。
由前述，当输入电网为220V时，滤波电路电路输出电压，当输入电压降为180V时，设滤波电路输出电压为，则

得到

对于uA741反相输入端分压电路，选，。
这样，uA741反相输入端

对于uA741同相输入端分压电路，取，则

因为时，uA741输出为高电平，这样

得到

取。