改善穩(wěn)壓電源性能的措施

1、 一、改善電源穩(wěn)定度的措施一、改善電源穩(wěn)定度的措施 應(yīng)用負(fù)反饋原理的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源能否進(jìn)一步提高穩(wěn)定度？比如，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動為 10時，輸出電壓相對變化Vo/Vo能否達(dá)到1、0.1甚至0.01？當(dāng)負(fù)載變動時，電源的等效內(nèi)阻Rn能否作得很小，達(dá)到1、0.1甚至0.01？ 1、影響穩(wěn)定度的主要因素、影響穩(wěn)定度的主要因素 首先，我們定性地看一看這種類型電源的穩(wěn)定度可能和哪些因素有關(guān)。 （1）放大倍數(shù)的影響）放大倍數(shù)的影響 從負(fù)反饋穩(wěn)壓原理看，KV愈高，即只要輸出有一點點誤差Vo，就可以自動穩(wěn)壓了。 怎樣使放大倍數(shù)提高呢？ A、放大器級數(shù)多，放大倍數(shù)就高；B、放大管、調(diào)整管的值大，放大倍數(shù)就高；

2、C、分壓比n大， 放大倍數(shù)就高；D、從放大管K3 看，Rc愈 大，輸入電阻ri3愈小，放大倍數(shù)就高。 （2）放大部分電源不穩(wěn)帶來的影響）放大部分電源不穩(wěn)帶來的影響 負(fù)反饋穩(wěn)壓過程是： Vi VoVbe3IC3VC3Ib2Ie1 Vo 但是，當(dāng)RC接到變化的輸入電壓Vi時，還可能通過RC直接影響Ib2，即 ViVb2Ib2Ie1Vo（這是很不利的） 從這方面看，也希望RC大，使這個不利影響減小。 33icrR33icrR IC(A)IC11mA9mA7mA5mA3mA1mAVce3(V)Vce1.00.80.60.40.202468VOVo圖1 大功率管的輸出特性 調(diào)整管為射極輸出器形式，rce

3、較小。 rce小，Vo將隨Vi變化（Vi變化使負(fù)載線平移）。 如果 rce 很大，而且基極電位固定，Vo就不隨Vi變化。 （4）基準(zhǔn)電壓）基準(zhǔn)電壓EW不夠穩(wěn)定，將直接影響輸出電壓不夠穩(wěn)定，將直接影響輸出電壓Vo。 為使EW穩(wěn)定，應(yīng)選動態(tài)電阻和溫度系數(shù)都比較小的穩(wěn)壓管。 2穩(wěn)定度的計算穩(wěn)定度的計算 （1）等效內(nèi)阻）等效內(nèi)阻ro ro (近似公式) (1)21231CbeRrnK由上式看出： 放大環(huán)節(jié)的電壓放大倍數(shù)K3和輸出端的分壓比n愈大，電源的等效內(nèi)阻ro就愈小。 如果rbe2比Rc小得多，則Ib2 Ic3 , 也有利于加強負(fù)反饋，減小ro。 rbe2與12是有聯(lián)系的，一般來說，12愈大，rb

4、e2也愈大。所以提高12僅在一定范圍內(nèi)才有助于減小ro，過多增加復(fù)合管的數(shù)目也無濟(jì)于事。（復(fù)合管的數(shù)目主要應(yīng)從滿足負(fù)載電流的要求來考慮。） （2）電壓調(diào)整率：）電壓調(diào)整率： (2)3331nKnRrVVCiio 由上式看出： 穩(wěn)壓電源可使輸出電壓的變化減小為輸入電壓變化的1/nK3。 ri3小，3大，n大，Rc大，則電網(wǎng)電壓波動對輸出的影響就小。（n為分壓比） 但3、ri3、Rc三者是相互牽制的。 上式對交流也適用。所以整流濾波后的紋波電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路后，也減小了 nK3倍。 改善穩(wěn)定度的措施改善穩(wěn)定度的措施 由前面關(guān)于穩(wěn)定度的定性分析和定量估算，可以為我們提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度提供了方向和線索。

5、 總的來說，要從提高電壓放大倍數(shù)和電路結(jié)構(gòu)兩從提高電壓放大倍數(shù)和電路結(jié)構(gòu)兩個方面進(jìn)行改進(jìn)個方面進(jìn)行改進(jìn)。 由（）式看出，ro和電壓放大倍數(shù)有很大關(guān)系，總的放大倍數(shù)123大，ro就小；分壓比n大，ro就小，而且希望3管的集電極電阻c大，而2管的輸入電阻ri2小。 由（）式看出，對電網(wǎng)波動Vi來說，3大，分壓比n大，輸出變化VO就小，也希望c大，而ri3小。 因此，為了改善電源的穩(wěn)定度，可以采用以下幾個措施： （1）采用恒流源負(fù)載）采用恒流源負(fù)載 我們知道，當(dāng)電源電壓c一定時，c 大e小， 而由輸入電阻近似公式知， e 小 ri大， 這和所要求的c 大、ri小相矛盾。 用“恒流源負(fù)載”代替c就很好

6、地解決了這個矛盾。 用“恒流源負(fù)載”使3的放大作用得以充分發(fā)揮，c 大，而ri小，而且Vi直接通過c影響調(diào)整管的作用很弱，從而提高了穩(wěn)定度。 它的穩(wěn)定度公式可改寫為： nrRRrnrriCCbeio321323213 （RCrbe2） （3） nrrnRrVVciCiio43333(rc4為恒流管動態(tài)電阻rc4 ) （4）44cceIV 圖2 采用恒流源負(fù)載ViDW2DW1R1R2R3VoR4R5VW2T1T2T3T4Ic4Ib2Ic3 （2）增加電壓放大部分的級數(shù)）增加電壓放大部分的級數(shù) 把一級電壓放大改為兩級電壓放大，如下圖所示，也可以改善穩(wěn)定度。（但要注意負(fù)反饋的極性） 圖3 增加電壓放

7、大器級數(shù) （3） 采用穩(wěn)定的輔助電源采用穩(wěn)定的輔助電源 把3管的C接到另一個比較穩(wěn)定的電源上，基本上消除了Vi通過C對調(diào)整管基極的影響。 這時，穩(wěn)定度的估算公式與前面電路的估算公式稍有不同：nRrrRRnKrRRVVcicfzfzcfzfzio333)(1(5)在計算ro時應(yīng)屬于Vi不變的情況：cbeCioRrRnrr23213(6) （4）補償法）補償法 由前面的分析和計算可以看出：負(fù)反饋穩(wěn)壓電源的輸出總是有變化的， 因為它正是靠Vo來調(diào)節(jié)的。 如果將補償法原理應(yīng)用到穩(wěn)壓電源上，即直接用輸入電壓的波動Vi和負(fù)載電流的變化Ifz來調(diào)節(jié)，如果補償?shù)煤线m，可以做到Vo0, ro0 （如下圖）。（但

8、也可能過補償，補償量要仔細(xì)調(diào)整）ViRCRP1VoR1R2R3RfzT3R4Ic3Ib2DW圖4 用Viy來補償 圖4為輸入電壓 波動Vi通過電阻P1加到放大管3的基極，當(dāng)Vi增加時，除輸出的變化Vo有反饋外，Vi直接使Vbe3增加，其過程為： ViVoUbe3Ic3Ib2Ifz Vo RP1(補償)負(fù)反饋 圖5 用IfZ來補償 ViVOT1T2T3RCR4R1R2R3RfZRP2+ 圖5為負(fù)載電流的波動IfZ在電阻上產(chǎn)生電壓VP2fZP2加到放大管T3的基極與射極之間，其過程為： RP2(補償) fZVoUbe3IC3Ib2IfZ Vo 對于固定電壓輸出的電源，用補償法容易得到很好的效果。對

9、于寬范圍調(diào)節(jié)的電源，由于輸出電壓高低不同時，需要的補償也在變化，因此應(yīng)根據(jù)輸出電壓的高低分別進(jìn)行補償。 (負(fù)反饋) 二、提高穩(wěn)壓電源溫度穩(wěn)定性的措施二、提高穩(wěn)壓電源溫度穩(wěn)定性的措施 對于高精度直流穩(wěn)壓電源，必須考慮它的溫度穩(wěn)定性。影響溫度穩(wěn)定性的因素很多（如Vbe、Icbo、隨溫度變化），但有些地方（如調(diào)整管參數(shù)變化）引起的漂移不大（只要保證在不同的環(huán)境溫度下都能工作在放大區(qū)即可）。 提高電源溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于輸出電壓和關(guān)鍵在于輸出電壓和基準(zhǔn)電壓相比較的部分基準(zhǔn)電壓相比較的部分。 由以下簡圖可以看出關(guān)系式：)(332321beWoVVRRRRRV -(7)E1E2T1T2T3C1R1IRCV

10、1C3Vbe2R4I4VWIfzC4R2R2Vbe3IWR2R3C2VoRfZ圖 6 要使Vo穩(wěn)定，就要求(7)式右邊的各項穩(wěn)定，即取樣分壓器電阻R1、R2、R3穩(wěn)定；穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值VW及放大管偏壓Vbe3穩(wěn)定。（VW隨溫度T變化，當(dāng)然輸出Vo也跟著漂移了，這個問題靠負(fù)反饋解決不了，要用溫度補償?shù)霓k法來解決。） 常用的措施是：常用的措施是： 1、 R1、R2、R3用溫度系數(shù)小的電阻。 碳膜電阻（612）10-4/ 精密金屬膜電阻 110-4/ 精密線繞電阻 210-4/ 錳銅絲線繞電阻 810-6/ 2、采用帶用溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管2DW7（或利用同 硅穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)相反的正向硅二極管）進(jìn)行溫度補

11、償。 3、Vbe3隨溫度變化，一般約為2.5mV/，可使VW和Vbe3的溫度漂移相補償。單管放大時，可采用正溫系數(shù)的穩(wěn)壓管，使其和Vbe3的負(fù)溫系數(shù)相抵消。 4、放大部分采用單端輸出的差動放大電路，借助射極電阻Re，使溫度對管子的影響得到抑制。 為使溫度補償?shù)墓茏犹幱谙嗤瑴囟认履芨玫匮a償，在高精度穩(wěn)壓電源中，常把差分對管和穩(wěn)壓管一起放入“熱槽”（在鋁板上打孔，放進(jìn)管子，充以硅脂）。 熱槽ViVoT1T2T3T4ReDWRCR4R1R2R3圖 7 5、大電流穩(wěn)壓電源的調(diào)整部分常用復(fù)合管，這時T2管的穿透電流將被T1放大，尤其是調(diào)整管采用大功率鍺管時，反向截止電流Icbo較大，并隨溫度的升高按指

12、數(shù)增加，很容易造成高溫空載時穩(wěn)壓電源的失控。因為在高溫時，流過T1管的總的漏電流IceoIceo1+1Iceo2，Iceo1（11）Icbo1,使輸出電壓Vo增大，誤差信號Vo經(jīng)放大后加到T2基極來減小Ie1，這時可能迫使T1截止，而輸出電壓仍比所要求的高，故稱為失控。 為了使調(diào)整管在不同的溫度下都工作在放大區(qū)，常在T1管的基極加電阻R10或R10，如圖8、圖9所示。 IceoIceoR4T1T2bRCR10T3Icbo1Ice2DWR1R2R3RfZ圖 8圖 9T1T2T3RCbR10 圖（8），R10接到電源正端，R10數(shù)值由下式?jīng)Q定： (Icbo1,Iceo2以高溫時的數(shù)值代入) （8）

13、 這時Icbo1、Iceo2經(jīng)R10流掉，使T2在高溫空載時不致截止。 圖（9）中，電阻R10接在T1的b、e之間，其作用與圖（8）基本相同。一方面使Iceo2經(jīng)R10流掉，少流入T1的基極，另一方面，它減少了Icbo1對Iceo1的作用。但R10太小，使12減小，R10由下式?jīng)Q定： 2110ceocbooIIVR 12121102 . 0cboceocboceobeIIVIIVR-(9) 以上兩種接法的目的都是減少漏電流，以達(dá)到穩(wěn)壓電源在高溫下仍然工作在放大區(qū)的目的；另一種辦法就是在輸出端加泄漏電阻，使穩(wěn)壓電源空載時的Ice1大于漏電流。 有些場合，如溫度及負(fù)載變化不大時，就不一定要加接R1

14、0或R10。 三、穩(wěn)壓電源的安全措施三、穩(wěn)壓電源的安全措施過流保護(hù)過流保護(hù) 串聯(lián)型電源中，調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)，全部負(fù)載電流過調(diào)整管。在輸出短路或過電流時，調(diào)整管將流過很大電流，而且全部整流電壓Vi都加在調(diào)整管的ce極之間，容易使管子損壞。為此，許多情況下要考慮過流保護(hù)問題。 由于晶體管的熱慣性小，普通保險絲起不到保護(hù)作用。 采用快速熔斷保險絲雖然能達(dá)到保護(hù)的目的，但經(jīng)常更換保險絲也不方便。 過流自動保護(hù)過流自動保護(hù)IfZ大到某一值時，自動限制輸大到某一值時，自動限制輸出。出。 一旦故障排除，又恢復(fù)工作一旦故障排除，又恢復(fù)工作。 電流限制型電流限制型具有圖（a）所示特性。達(dá)Ifzm時，Vo 下降，

15、從而將電流限制在一定范圍內(nèi)。 采用電流限制型保護(hù)電路時，必須注意到，輸出短路時Vi全部加到T1管上，這時管耗為Vi Ifzm，它比正常運行時VceIfz大得多。設(shè)計電路時應(yīng)按保護(hù)狀態(tài)下的功率來考慮調(diào)整管的最大功耗 。保護(hù)電路工作正常工作Vo0IfZIfZm(a)電流限制型 (b)電流截止型Vo0abIfZIfZm圖10 過流保護(hù)特性 電流截止型電流截止型具有圖（b）的特性，負(fù)載電流超過Ifzm時，使電路切斷，Vo0, Ifz0。分兩種情況，一種是不能自動恢復(fù)的，如曲線a所示（要用按扭使電源返回正常狀態(tài)）；另外一種是可以自動恢復(fù)的，如曲線b所示（當(dāng)負(fù)載電流回到額定值以下時，自動恢復(fù)正常工作）。

16、1、 電流限制型保護(hù)電路電流限制型保護(hù)電路 （1）二極管（或穩(wěn)壓管）電流限制型保護(hù)電路）二極管（或穩(wěn)壓管）電流限制型保護(hù)電路圖 11RCViVoRfZR1R2R3DweIe=IfZRoVD+ 加在二極管上的電壓是調(diào)整管的Vbe與Ifz在R0上的壓降之和，即 VDVbeIfzRo 正常時，D不導(dǎo)通。 當(dāng)Ifz Ifzm時，Ro上的壓降加大，D導(dǎo)通，這時 VD Vbe IfzmRo 利用Ro上的壓降Ifzm Ro來限制調(diào)整管的Vbe繼續(xù)增加，從而限制了調(diào)整管的發(fā)射極電流Ie (Ifzm),其值為 IeIfzm0RVVbeD 當(dāng)負(fù)載沒有異常情況時，電路可自動恢復(fù)。 為了得到較大的負(fù)載電流，應(yīng)選VD大

17、的二極管。若VD0.7V，Vbe0.6V，Ifzm2A，則要求Ro0.05，實際上，VD、Vbe不是固定值，而是要隨溫度變化的，因此電流限制值也是變化的。 （2）三極管電流限制型保護(hù)電路）三極管電流限制型保護(hù)電路 圖 12ViVoDRoRCT4T1T2DWR3R1R2RfZT3 如圖虛線框內(nèi)電路。有電流流過二極管D，使VD保持一定。 正常時，Ifz Ro較小，T4管截止。 當(dāng)Ifz Ro Ifz T4導(dǎo)通RcIRC Vce4 VB2 VCE2 Vo Ifz 效果比二極管電流限制型好。Ro的計算同（1）。 2電流截止型保護(hù)電路電流截止型保護(hù)電路 要求：過電流時切斷電路。 切斷方式切斷方式： a.

18、在調(diào)整管后實現(xiàn)截止。調(diào)整管要承受全部輸入電壓，對于高電壓穩(wěn)壓電源是不合適的。 b.切斷調(diào)整管前的電源，如采用繼電器、可控硅等， 電路比較復(fù)雜。 一般低電壓穩(wěn)壓電源多采用調(diào)整管截止的保護(hù)方式。 VoR2過電流保護(hù)T1T2T3VW8VViViVoR136.8KRfZT5T6W1R17R16R724K R10120VC4T4 R83.9KR11R0IfZ圖 13 T4起過流保護(hù)作用。該電路全部用PNP鍺管。 輔助電源Vi經(jīng)R8、R11分壓為T4提供基極電壓Vb4，輸出電壓Vo經(jīng)R7、R10分壓提供T4發(fā)射極電壓Ve4。 當(dāng)Ifz較小時，IfzRo較小，T4的Vbe4為反向偏置（Ve4比Vb4更負(fù)），

19、T4管截止，對穩(wěn)壓電路沒什么影響。 當(dāng)Ifz增大到Ifzm時，IfzRo增大， T4導(dǎo)通，Vc4減小，使調(diào)整管趨于截止，Vo接近地電位。Vo 又經(jīng)R7、R10使T4進(jìn)一步導(dǎo)通，使Vo迅速地接近地電位（Vo0，Ifz0），從而達(dá)到保護(hù)目的。 該電路可以自動恢復(fù)。若使調(diào)整管在保護(hù)電路起作用后不完全截止，有一點電流，當(dāng)去掉Rfz后，Vo會自動上升。（若完全截止，則需另加開關(guān)啟動。） 保護(hù)電路參數(shù)可按以下原則選擇保護(hù)電路參數(shù)可按以下原則選擇： T4為一般小功率管，經(jīng)常處于截止?fàn)顟B(tài)，c、e間承受電壓Vce4Vo，為減小T4對電源穩(wěn)定度的影響，選Iceo小的管子。 檢測電阻Ro是串在主回路中的，一般取得較

20、小，使IfzRo為1V左右，足以控制T4工作即可。 R7 、R8 、R10 、R11 的選擇，要保證保護(hù)管T4在正常工作情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，在過電流時（包括保護(hù)后Vo0，Ifz0時）T4管導(dǎo)通，而當(dāng)故障排除后又能自動恢復(fù)。 例：設(shè)計一個過流保護(hù)電路，如上圖。例：設(shè)計一個過流保護(hù)電路，如上圖。 要求在1.2Ifzm 1.22A2.4A時保護(hù)。 已知Vi30V，Vo30V。 試選擇和計算保護(hù)電路中各電阻值。 （1）選擇檢測電阻Ro： 選保護(hù)時，Ro兩端電壓降 1.2Ifzm Ro 1.2V Ro1.2V/(1.22A)0.5 （2）若保護(hù)管用鍺管，選擇R7 、R8 、R10 、R11 ，要滿足下列

21、條件： 正常工作時T4要截止 Vbe4Vb4VR10IfzRo 0 (10) 其中，Vbe4 VR10 /11811iVRRRoVRRR10710 過電流時T4開始導(dǎo)通 Vbe4Vb4VR101.2IfzmRo0.2 V (11) 過電流保護(hù)后，Vo0 , Ifz0時，只要故障沒有排除，要求T4仍然導(dǎo)通，即 Vbe4Vb4 VR10 0.2V (12) 此時， (13) 在R11較小時（如R1147），不論T4處于截止或飽和狀態(tài)，T4的基極電位都近似不變，即 (14)10131010134/1041010/RRRVRRVVRIRVwceWeR/8111144/ibbVRRRVV 為了使其達(dá)到保護(hù)值時為觸發(fā)狀態(tài)，動作比較干脆，希望T4管有較大的值，以及分壓比 不要太小，即 不要太小，但 值也不要太大，因 ， 太大會影響保護(hù)效果。 為了實現(xiàn)當(dāng)故障消除時為了實現(xiàn)當(dāng)故障消除時（Rfz加大到額定值以上）能夠自動恢復(fù)工作，希望能夠自動恢復(fù)工作，希