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第四章 串联稳压电源
三、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。由于是业余条件下的设计，有些参数指标并没有过多考虑，有部分参数以经验值进行估算。这样可以避免涉及过深、过多的理论知识，对于业余条件下的应用完全可以满足。
1、电路指标
①直流输出电压UO：6V～15V；
②最大输出电流IO：500mA；
③电网电压变化±10％时，输出电压变化小于±1％；
2、电路初选
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，参见图4－2－9。
3、变压部分
这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（UB1）O和变压器的功率PB1。
一般整流滤波电路有2V以上的电压波动（设为ΔUD）。调整管T1的管压降（UT1）CE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。
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（UB1）OMIN应该是：
（UB1）OMIN＝（ΔUD＋（UT1）CE＋（UO）MAX）÷1.2
（UB1）OMIN＝（2V＋3V＋15V）÷1.2＝20V÷1.2＝16.67V
则变压器B1次级额定电压为：
（UB1）O＝（UB1）OMIN÷0.9
（UB1）O＝16.67V÷0.9＝18.5V
当电网电压上升＋10％时，变压器B1的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为500mA。此时变压器次级电压（UB1）OMAX为：
（UB1）OMAX＝（UB1）O×1.1
（UB1）OMAX＝18.5V×1.1＝20.35V
变压器B1的设计功率为：
PB1＝（UB1）OMAX×（IO）MAX
PB1＝20.35V×500mA＝10.2VA
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12VA。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。
4、整流部分
这一部分主要计算整流管的最大电流（ID1）MAX和耐压（VD1）RM。由于四个整流管D1～D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。
根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知，整流管D1的最大整流电流为：
（ID1）MAX＝0.5×IO
（ID1）MAX＝0.5×500mA＝0.25A
考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流（ID1）MAX为0.3A。
整流管D1的耐压（VD1）RM即当市电上升10％时D1两端的最大反向峰值电压为：
（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1A，反向峰值电压50V的IN4001作为整流二极管。
5、滤波部分
这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。
根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（3－5）×0.5×T÷R，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500mA时：
C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）
C1＝5×0.5×0.02S÷（15V÷0.5A）≈1666μF
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最大电压为：
VC1＝（UB1）OMAX＝20.35V
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2200μF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
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（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。
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（BVT1）CEO为：
（BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝20.35V
考虑到留有一定余量，可取（BVT1）CEO为25V。
当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1）CM为：
（IT1）CM＝IO＝500mA
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（IT1）CM为600mA。
这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：
（PT1）CM＝（（UB1）OMAX－UOMIN）×（IT1）CM
（PT1）CM＝（20.35V-6V）×600mA＝8.61W
考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为10W。
查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为：PCM＝20W，ICM＝1A，BVCEO≥50V，完全可以满足要求。如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替，该管参数为：PCM＝50W，ICM＝5A，BVCEO≥60V。
选择调整管T1时需要注意其放大倍数β≥40。
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。
（BVT2）CEO＝（BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝20.35V
同样考虑到留有一定余量，取（BVT2）CEO为25V。
（IT2）CM＝（IT1）CM÷βT1
（IT2）CM＝600mA÷40＝15mA
（PT2）CM＝（（UB1）OMAX－UOMIN）×（IT2）CM
（PT2）CM＝（20.35V－6V）×15mA＝0.21525W
考虑到留有一定余量，可取（PT2）CM为250mW。
查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管T2。该管参数为：PCM＝500mW，ICM＝20mA，BVCEO≥30V，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：PCM＝450mW，ICM＝100mA，BVCEO≥45V，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。
则此时T2所需要的基极驱动电流为：
（IT2）MAX＝（IT2）CM÷βT1＝15mA÷80＝0.1875mA
7、基准电源部分
基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。
稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN，但是也不能过小，否则会影响稳定度。这里选择稳压值为3V的2CW51，该型稳压管的最大工作电流为71mA，最大功耗为250mW。为保证稳定度，稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。而其工作电流ID5＝（IT3）CE＋IR2，由于（IT3）CE在工作中是变化值，为保证稳定度取IR2＞＞（IT3）CE，则ID5≈IR2。
这里初步确定IR2MIN＝8mA，则R2为：
R2＝（UOMIN－UD5）÷IR2MIN
R2＝（6V－3V）÷8mA＝375Ω
实际选择时可取R2为390Ω
当输出电压UO最高时，IR2MAX为：
IR2MAX＝UOMAX÷R2
IR2MAX＝15V÷390≈38.46mA
这时的电流IR2MAX小于稳压管D5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
取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5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IT3B＞＞IR3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区，需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流（IT1）CEMIN。由于3DD155A最小工作电流（IT1）CEMIN为1mA，因此取IR3MIN＝10mA。则可得：
R3＋R4＋R5＝UOMIN÷IR3MIN
R3＋R4＋R5＝6V÷10mA＝600Ω
当输出电压UO＝6V时：
UD5＋（UT3）BE＝（R4＋R5）÷（R3＋R4＋R5）×UO
（R4＋R5）＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UO
（R4＋R5）＝（3V＋0.7V）×600Ω÷6V＝370Ω
当输出电压UO＝15V时：
UD5＋（UT3）BE＝R5÷（R3＋R4＋R5）×UO
R5＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UO
R5＝（3V＋0.7V）×600Ω÷15V＝148Ω
实际选择时可取R5为150Ω。这样R4为220Ω，R3为230Ω。但实际选择时可取R3为220Ω。
9、放大部分
放大部分主要是计算限流电阻R1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（BVT1）CEO。
这里需要T3工作在放大区，可通过控制T3的集电极电流（IT3）C来达到。而（IT3）C是由限流电阻R1控制，并且有：
IR1＝（IT3）C＋（IT2）B
一方面，为保证T1能够满足负载电流的要求，要求满足IR1＞（IT2）B；另一方面，为保证T3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（IT3）C不能太大。
这里可以选IR1为1mA，当输出电压最小时，则R1为：
R1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷IR1
R1＝（15V－6V－0.7V－0.7V）÷1mA＝7.6KΩ
实际选择时可取R1为7.5 KΩ。
当输出电压最大时，IR1为：
IR1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷R1
IR1＝（15V－6V－0.7V－0.7V）÷7.5 KΩ≈1.013mA
可见当输出电压最大时IR1上升幅度仅1％，对T3工作点影响不大，可满足要求。
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3GD6D或9014作为放大管T3。
10、其他元件
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C3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。
10、总结
通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。可以将这些参数标注到图4－3－1中，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图，见图4－3－2。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。
直流稳压电源技术专题系列文章为Pecker's Home原创，网络转载请注明出处。报刊媒体登载请联系站长Pecker。
（2007年02月09日于武汉）
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直流稳压电源技术——串联稳压电源（三）
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