直流稳压电源技术

1、引言 当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须 在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电 路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。 由于电子技术的特性，电子设备对电源

2、电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。第一章 稳压电源的分类一、稳压电源的分类 稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着

3、头脑，不知道从哪里入 手。其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系，只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。 既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了，首先应该根据电源的输出类型 来分类。接下来的分类就要麻烦一些，是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢？其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳 压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关 稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计

4、算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负 载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。当然这里所谈的分类只 是根据直流稳压电源的特点给出一个大致的分类思路，图111是根据上面的思路划分的稳压电源种类： 二、专题结构介绍 直流稳压电源技术专题将基本根据图111的结构对直流稳压电源进行系统的介绍，主要的内容有： 稳压电源的分类 直流稳压电源基础（基本性能指标、元器件基础、电路基础）并联稳压电源（硅稳压二极管型、晶体管型） 串联稳压电源（简单串联型、

5、串联反馈型、带放大器的串联反馈型、其他串联型） 集成串联稳压器（三端稳压器、低压差稳压器等） 开关电源原理 各类常见开关电源 集成开关电源第二章 稳压电源基础一、电子元件基础知识直流稳压电源中主要使用这些电子元件：电阻、电容、变压器、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路等， 有些直流稳压电源可能还有发光二极管、电流表、电压表元件用于工作状态的指示。这些电子元件主要分为无源器件和有源器件两大类。其中无源器件是电阻、电 容、变压器、电感；有源器件是二极管、三极管、场效应管、集成电路。无源器件就不必说了，下面我们主要介绍一下有源器件的基础知识。1、二极管 二极管是我们通常情况下的俗称，它的学名叫

6、晶体二极管或半导体二极管。二极管就是由一个PN结，加上相应的电极引线封装而成。二极管按材料分类有硅材料和 锗材料；按功能分类又可以分为整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、肖特基二极管、发光二极管等。常用的二极管主要是利用PN结 的单向导电性进行工作。如：整流二极管、检波二极管、开关二极管等。但是二极管还有一些比较特殊的性能，比如稳压二极管反向击穿后两端电压保持不便；变容 二极管PN结间的结电容会随着外加电压的变化而发生变化；发光二极管通电后能够发光。（1）二极管的主要参数正向电流IF：在额定功率下，允许通过二极管的电流值。正向电压降VF：二极管通过额定正向电流时，在两极

7、间所产生的电压降。最大整流电流（平均值）IOM：在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。反向击穿电压VB：二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。正向反向峰值电压VRM：二极管正常工作时所允许的反向电压峰值，通常VRM为VP的三分之二或略小一些。反向电流IR：在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。结电容C：电容包括电容和扩散电容，在高频场合下使用时，要求结电容小于某一规定数值。最高工作频率FM：二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。（2）直流稳压电源中常用的二极管直流稳压电源中常用的二极管有整流二极管、稳压二极管和发光二极管。整流二极管将交流电流变为直流

8、电流的二极管叫作整流二极管，它是面结合型晶体二极管，因结电容大，故工作频率低。通常，IF在 1安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；IF在1安以下的采用塑料封装。由于近代工艺水平的提高，也有一些较大功率的二极管 也采用塑封形式。在电路原理图中整流二极管用图211的符号表示。稳压二极管稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点来达到稳压的目的。因为 它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。在电路原理图中稳压二极管用图212的符号表示。稳压管的伏安特性曲 线如图213所示。当反向电压达到VZ时，即使电压有一微小的

9、增加，反向电流亦会猛增（反向击穿曲线很徒直）这时，二极管处于 击穿状态，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。2、三极管 三极管的学名叫晶体三极管或半导体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。三极管最基本的作用是放大作用。它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量 罢了。三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成，而三极管由两个PN结构成。共用的一个电极称为三极管的基 极（用字母b表 示），其他的两个电极称为集电极（用字母c表示

10、）和发射极（用字母e表示）。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。因此三极管的电路图符号有两种：箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。有一个箭头的电极是发射极，实际 上箭头所指的方向是电流的方向。这两种类型的三极管电路图符号见图：214。三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。前面说PNP型和NPN型是从结构工艺上来分类。按照制造材料分类，有锗管和硅管；按照工作频率分类，有低频管和高频管；一 般低频管用以处理频率在3MHz以下的电路中，高频管的工作频率可以达到几百兆赫。按照允许耗散的功率大小分类，有小功率管和大功率 管；一般小功率管的额

11、定功耗在1W以下，而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上。常见的三极管大多采用是塑料封装或金属封装。（1）三极管的主要参数电流放大系数：在静态情况下，三极管集电极的直流电流Ic与基极电流Ib的比值，称为三极管的静态电流 放大系数。在动态情况下，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib的比值，称为三极管的动态电流 放大系数（或交流放大系数）。因为通常情况下三极管的静态电流放大系数与动态电流放大系统相差很小，实际使用时一般混用这两个参数而不加以区别。集电极反向饱和电流Icbo：发射极开路，在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所对应的反向电流。穿透电流Iceo：指基极开路，集电极与发射极之间加一

12、定反向电压时的集电极电流Icbo与Iceo的关系为：Iceo（1）IcboIcbo和Iceo都是衡量三极管热稳定性的重要参数。共射极截止频率f：三极管的值是频率的函数，中频段=o几乎与频率无关。但是随着频率的增高，值下降。当值下降到中频段 0.707O时，所对应的频率，称为共射极截止频率，用f表示。特征频率fT：当三极管的值下降到1时所对应的频率，称为特征频率。在ffT的范围内，值 与f几乎成线性关系，f越高，越小，当工作频率ffT，时，三极管便失去了放大能力。最大允许集电极耗散功率PCM：PCM 是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功

13、耗Pc大于PCM时， 不仅使三极管的参数发生变化，甚至还会烧毁三极管。最大允许集电极电流ICM：当IC很大时，值逐渐下降。一般规定在值下降到额定值的23（或12）时所对应的集电极电流为ICM。 当ICICM时，值已减小到不实用的程度，且有烧毁三极管的可能。反向击穿电压BVCEO与BVCEO：BVCEO是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。BVCBO是指发射极开路 时，集电极与基极间的反向击穿电压。（2）三极管的三种工作状态 截止状态： 当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于 开关

14、的断开状态，我们称三极管处于截止状态。 放大状态： 当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作 用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数Ic/Ib，这时三极管处放大状态。 饱和导通状态： 当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变 化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。3、场效应管 场效应

15、晶体管（FET）简称场效应管，它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108109）、 噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目 前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和 VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的MOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅

16、型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型 场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 部分场效应管的电路图符号见图215所示。由于场效应管的种类比较多，后面介绍具体电路时在详细介绍每种场效应管的内容，这里就不详细介绍了。二、直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电 压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。1、特性指标（1）输出电压范围 符合直流稳压电源工作条件情况

17、下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部 的基准电压值决定。（2）最大输入输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。（3）最小输入输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入输出之间的电压差值。（4）输出负载电流范围 输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。2、质量指标（1）电压调整率SV电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要

18、指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化 时直流稳压电源输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。电压调整率公式见图 221。（2）电流调整率SI 电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引 起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。电流调整 率公式见图222。（3） 纹波抑制比SR 纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力

19、，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹 波电压峰峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。（4）温度稳定性K 集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（TminTiTmax） 直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。温度稳定性公式见图223。3、极限指标（1）最大输入电压 是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。（2）最大输出电流 是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。三、基础电路一般直流稳压 电源都使用220伏市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路

20、进行稳压，最终成为稳定的直流电源。这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作 直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。1、变压电路通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需 要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电磁电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级 接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。变压器的电路图符号见图231。2、整流电路经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提

21、供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化 的交流电整流为直流电。（1）半波整流电路半波整流电路见图232。其中B1是电源变压 器，D1是整流二极管，R1是负载。B1次级是一个方向和大小随时间变化的正弦波电压，波形如图233（a）所示。0期间是这个电压的正半周，这 时B1次级上端为正下端为负，二极管D1正向导通，电源电压加到负载R1上，负载R1中有电流通过；2期间是这个电压的负半周，这时B1次级上端为 负下端为正，二极管D1反向截止，没有电压加到负载R1上，负载R1中没有电流通过。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源负半周 的波形被“

22、削”掉，得到一个单一方向的电压，波形如图233（b）所示。由于这样得到的电压波形大小还是随时间变化，我们称其为脉动直流。设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：整流二极管D1承受的 反向峰值电压为：由于半波整流电路只利 用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。（2）全波整流电路 由于半波整流电路的效率较低，于是人们很自然的想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路。全波整流电路图见图236。相对半波整流电 路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头

23、。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。在0期间B1次 级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其波形如图237（b）所示，其电流流向如图238所 示；在2期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其波形如图237（c）所 示，其电流流向如图239所示。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两 端，R1上得到的电压总是上正下负，其波形如图237（d）所示。设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：整流

24、二极管D1和D2 承受的反向峰值电压为： 全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。（3）桥式整流电路 由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极 管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。由图2313可 以看出在电源正半周时，B1次级上端为正，下端为负，整流二极管D4和D2导通，电流由变压器B1次级上端经过D4、R1、D2回到变压器B1次级下端； 由图2314可以看出在电源负半周时，B1次级下端为正，上端为负，整流二极管D1和D3

25、导通，电流由变压器B1次级下端经过D1、R1、D3回到变 压器B1次级上端。R1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：整流二极管D1和D2承受的反向峰值 电压为：桥式整流电路每个整流二极管上流过的 电流是负载电流的一半，与全波整流相同。通常情况下桥式整流电路都简化成图2317的形式。（4）倍压整流电路 前面介绍的三种整流电路输出电压都小于输入交流电压的有效值，如果需要输出电压大于输入交流电压有效值时可以采用倍压电路，见图2318。由图 2319可知，在电源的正半周，变压器B1次级上端为正下端为负，D1导通，D2截止

26、，C1通过D1充电，充电后C1两端电压接近B1次级电压峰值， 方向为左端正右端负；由图2320可知，在电源的负半周，变压器B1次级上端为负下端为正，D1截止，D2导通，C2通过D1充电，充电后C2两端电 压接近C1两端电压与B1次级电压峰值之和，方向为下端正上端负。由于负载R1与C1并联，当R1足够大时，R1两端的电压即为接近2倍B1次级电压。 二倍压整流电路还有另外一种形式的画法，见图2321，其原理与图2318完全一致，只是表现形式不一样。二倍压电路还可以很容易的扩展为n 倍压电路，具体电路见图2322。3、滤波电路 交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不

27、能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后 的电压波形变得比较平滑。（1）电容滤波电路 电容滤波电路图见图2323，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所 以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电 容C1的反复充放电实现了滤波作用。滤波电容C1两端的电压波形见图2324（b）。选择滤波电容时需要满足下式的条 件：（2）电感滤波电路电感滤波电路图见图2326。电感滤波电路是利用电感对脉动直流

28、的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较 好，多用于负载电流很大的场合。（3）RC滤波电路使用两个电容和一个电阻组成RC滤波电路，又称型RC滤波电路。见图2327所示。这种滤波电路由于增加了一个电阻R1，使交流纹波都分担在R1上。 R1和C2越大滤波效果越好，但R1过大又会造成压降过大，减小了输出电压。一般R1应远小于R2。（4）LC滤波电路 与RC滤波电路相对的还有一种LC滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。其电路图见图2328。（5）有源滤波电路当对滤波效果要求较高时，可以通过增加滤波电容的容量来提高滤波效

29、果。但是受电容体积限制，又不可能无限制增大滤波电容的容量，这时可以使用有源滤波电路。 其电路形式见图2329，其中电阻R1是三极管T1的基极偏流电阻，电容C1是三极管T1的基极滤波电容，电阻R2是负载。这个电路实际上是通过三极 管T1的放大作用，将C1的容量放大倍，即相当于接入一个（+1）C1的电容进行滤波。 图2329中，C1可选择几十微法到几百微法；R1可选择几百欧到几千欧，具体取值可根据T1的值确定，值高，R可取值稍大，只要保证T1的集电 极发射极电压（UCE）大于1.5V即可。T1选择时要注意耗散功率PCM必 须大于UCEI，如果工作时发热较大则需要增加散热片。有源滤波电路属于二次滤波

30、电路，前级应有电容滤波等滤波电路，否则无法正常工作。4、整流滤波电路总结（1）常用整流电路性能对照电路名称每个原件承受的最大反向电压每个原件的平均电流变压器次级电压有效值变压器次级电流有效值半波整流3.14UI2.221Ue1.571I全波整流3.14U0.5I1.111Ue0.786I桥式整流1.571U0.5I1.111U2e1.111I注：U为负载两端电压值；I为负载上电流值；e为整流二极管压降，一般取0.7V。 （2）常用无源滤波电路性能对照电路名称滤波效果输出电压输出电流应用特点电容滤波稍差高稍小 结构简单。由于大容量滤波电容的广泛使用，克服了滤波效果稍差的缺点，广泛用于各类电源电路

31、。电感滤波较差低大 电源电路中较少使用。RC滤波较好较高小 常用于电子管收音机电路和各种高低频退耦电路。LC滤波很好高稍小 电源电路中较少使用。（3）电容滤波电路输出电流大小与滤波电容量的关系输出电流（A）210.510.10.50.0510.05电容量（F）400020001000500200500200（4）常用整流滤波电路计算表电路名称（均使用电容滤波）输入交流电压（有效值）负载开路时输出电压带负载时输出电压（估计值）每个二极管的最大反向电压每个二极管通过的电流需要使用的二极管数量半波整流E1.414EE2.828EI1全波整流2E1.414E1.2E2.828E0.5I2桥式整流E1.

32、414E1.2E1.414E0.5I4二倍压E2.828E2E2.828EI2第三章 并联稳压电源 经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。其原因主要有以下几个方面： 1、由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有10的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定； 2、由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化； 3、由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化； 4、整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。

33、 所以，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。常用的直流稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。一、硅稳压管并联稳压电源1、电路原理分析 图311是硅稳压管稳压电源。其中D1是稳压二极管，R1是限流电阻，R2是负载。由于D1与R2是并联，所以称并联稳压电路。此电路必须接在整流滤 波电路之后，上端为正下端为负。由于稳压管D1反向导通时两端的电压总保持固定值，所以在一定条件下R2两端的电压值也能够保持稳定。 下面我们来分析一下具体工作原理： 假设设输入电压为UI，当某种原因导致UI升高时，UD1相 应升高，有稳压管的特性可知UD1上升很小都会造成ID1急剧增大，这样

34、流过R1上的IR1电 流也增大，R1两端的电压UR1会上升，R1就分担了极大一部分UI升高的值，UD1就 可以保持稳定，达到负载上电压UR2 保持稳定的目的。这个过程可用下面的变化关系图表示： UIUD1ID1IR1UR1UD1 相反的，如果UI下降时，可用下面的变化关系图表示： UIUD1ID1IR1UR1UD1 通过前面的分析可以看出，硅稳压管稳压电路中，D1负责控制电路的总电流，R1负责控制电路的输出电压，整个稳压过程由D1和R1共同作用完成。2、元件选择 下面我们来看看已知负载电压UR1和负载电流IR1时如何设 计硅稳压管稳压电源。（1）初选稳压管D1 一般情况下，可以按照UD1UR2

35、和ID1（IR2）max来 初步选定稳压管D1，如果负载有可能开路则应选择（ID1）max（23）（IR2）max， 这是因为当负载时所有电流全部都会流过D1，所以ID1应该适当选择大一点。（2）选定输入电压 一般可选择UI（23）UR2（3）选定限流电阻R1 R1（UIUR2）/（ID1IR2） 但是需要考虑两种极限情况： 当UI最大，且负载开路时（即IR20），流过D1的电流 最大。为了不超过D1的最大允许电流（ID1）max，需要有足够大的电流电阻，否则会烧坏D1。则R1需 要满足： R1（UI）maxUR2）/ ID1）max当UI最小，且负载电流最大时，流过D1的电流最小。为了保证此

36、时D1能够工作在击穿区起到稳压的作用，要有一定的电流流过D1，一般取5mA10mA。则R1需要满足： R1（UI）minUR2）/（ID1 （IR2）max） 限流电阻R1的值应该在上面两个公式的范围内选择。（4）检查电路稳定度 电路稳定度需要根据实际电路的要求来确定，如果稳定度不够，可以适当增加R1和UI， 还可以选择动态电阻r比较小的稳压管。二、晶体管并联稳压电源1、电路原理分析 图312是晶体管并联稳压电源。其中T1是调整管、D1是基准稳压管，R1是D1的限流电阻，R2是限流电阻，R3是负载。这个稳压电路的输出电压约 等于稳压管D1的稳压值（实际上要加上T1发射结电压，一般锗管取0.3V

37、，硅管取0.7V）。这是由于电源在工作时，T1发射结导通，发射极电压与基极 电压保持一致，而基极电压被D1稳定在一个固定值。这个电路可以看作T1将D1的稳压作用放大了倍，相当于接入一个稳压值为D1稳压值，稳压效果为倍 D1稳压效果的稳压管。 电路工作原理是： UIUD1（UT1）EC（IT1）ECIR2UR2（UT1）EC UIUD1（UT1）EC（IT1）ECIR2UR2（UT1）EC2、元件选择 这个电路选择元件的步骤与硅稳压管并联稳压电路类似，主要从下面几个方面考虑。（1）初选调整管T1和稳压管D1 选择调整管T1时，主要考虑其额定电流ICM要大于输出电流IO， 以保证负载开路时调整管不

38、会因为电流过大而损坏。另外，为了保证调整管有良好的调整作用，还要求值大、漏电流小。选择稳压管D1时，主要考虑其稳定电压 与T1发射结电压之和要等于输出电压。（2）选定输入电压 为保证稳压电源的效率，输入电压一般不要选择过高，以不超过2 UI为宜。（3）选定限流电阻R2 对于并联稳压电路而言，限流电阻R2是整个电路工作好坏的关键。R2选择大，稳压效果较好，但功耗大（因为电阻功耗PI2R）， 同时要求输入电压增大，电源的效率就比较低。具体计算方法可参考硅稳压管并联稳压电路元件选择的第三步。（4）检查电路稳定度 整个电路的稳定度需要根据实际电路的要求来确定，如果稳定度不够，可以适当增加R1和UI，

39、还可以选择值较大、漏电流较小的调整管。3、使用复合调整管的并联稳压电源 图313是一种使用复合调整管的并联稳压电源，与图312电路最大的区别是将调整管改为符合管结构，这样既可以得到 较大的值，又能够有较大的ICM。元件选择时可采用与图312类似的方法，但是由于这个电路的电流较大，要注意限流电阻R1选择时除考虑阻值外还要考虑其功率。以免负载断路时烧坏限 流电阻。4、并联稳压电源的优缺点 并联稳压电源的优点： 有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏。 在负载变化小时，稳压性能比较好。 对瞬时变化的适应性较好。 并联稳压电路的缺点： 效率较低，特别是轻负载时，电能几乎全部消耗在限流电阻和调整管上

40、。 输出电压调节范围很小。 稳定度不易做得很高。 其实并联稳压电源的这些优点对于串联稳压电源而言，都可以通过采用一些特殊的电路实现。但是并联稳压电源的这些固有的缺点却很难改进，所以现在普遍使用的 都是串联稳压电源。下一章我们将重点介绍一下串联稳压电源的原理、设计方法和一些实用电路。第四章 串联稳压电源 上一章我们谈到并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联 稳压电源。一、简易串联稳压电源1、原理分析 图411是简易串联稳压电源，T1是调整管，D1是基准电压源，R1是限流电阻，R2是负载。由于T1基极电压被

41、D1固定在UD1，T1 发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以 输出电压UOUD1（UT1）BE。当输出电压远大于 T1发射结电压时，可以忽略（UT1）BE，则UOUD1。 下面我们分析一下建议串联稳压电源的稳压工作原理： 假设由于某种原因引起输出电压UO降低，即T1的发射极电压（UT1）E降 低，由于UD1保持不变，从而造成T1发射结电压（UT1）BE上升，引起T1基极 电流（IT1）B上升，从而造成T1发射极电流（IT1）E被 放大倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时T1导通更加充分管压降（UT1）CE将迅速减小，输入电压UI更

42、 多的加到负载上，UO得到快速回升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：UO（UT1）EUD1恒定（UT1）BE（IT1）B（IT1）E（UT1）CEUO 当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再重复，只是简单的用下面的变化关系图表示：UO（UT1）EUD1恒定（UT1）BE（IT1）B（IT1）E（UT1）CEUO 这里我们只分析了输出电压UO降低的稳压工作原理，其实输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似，最终都是反应在输出电压UO降低上，因此工作原理大致相同。 从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定；

43、二是调整管T1要工作 在放大区且工作特性要好。 其实还可以用反馈的原理来说明简易串联稳压电源的工作原理。由于电路是一个射极输出器，属于电压串联负反馈电路，电路的输出电压为UO （UT1）E（UT1）B，由于（UT1）B保 持稳定，所以输出电压UO也保持稳定。 简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1，所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1，这样调整输出电压非常不方便。另外由于直接通过输出电压UO的 变化来调节T1的管压降（UT1）CE，这样控制作用较小，稳压效果还不够理想。因此这种稳压电源仅仅适合 一些比较简单的应用场合。2、电路实例 图411是简易串联稳压电源的一个实际应用电路，这个

44、电路用在无锡市无线电五厂生产的“咏梅”牌771型8管台式收音机上。其中T8、DZ、 R18构成简易稳压电路，B6、D4D7、C21组成整流滤波电路。由于T8发射结有0.7V压降，为保证输出电压达到6V，应选用稳压值为6.7V左 右的稳压管。二、串联负反馈稳压电源 由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，当需要改变输出电压时必须更换稳压管，造成电路的灵活性较差；同时由输出电压直接控制调整管 的工作，造成电路的稳压效果也不够理想。所以必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整 个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电

45、源叫串联负反馈稳压电源。1、原理分析 图421是串联负反馈稳压电路电路图，其中T1是调整管，D1和R2组成基准电压，T2为比较放大器，R3R5组成取样电路，R6是负载。其电路组 成框图见图422。 假设由于某种原因引起输出电压UO降低时，通过R3R5的取样电路，引起T2基极电压（UT2）O成 比例下降，由于T2发射极电压（UT2）E受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压（UT2）BE将 减小，于是T2基极电流（IT2）B减小，T2发射极电流（IT2）E跟 随减小，T2管压降（UT2）CE增加，导致其发射极电压（UT2）C上 升，即调整管T1基极电压（UT1）B将上升，T1管压降（

46、UT1）CE减 小，使输入电压UI更多的加到负载上，这样输出电压UO就上升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：UO（UT2）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）CE（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反，这里就不再赘述，简单的用下图表示：UO（UT2）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）CE（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO 与简易串联稳压电源相似，当输入电压UI或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压UO的 相应变化，最终都可以用上面分析的过程说明其工作原理。 在串联负反馈稳压电源

47、的整个稳压控制过程中，由于增加了比较放大电路T2，输出电压UO的变化经过T2放大后再 去控制调整管T1的基极，使电路的稳压性能得到增强。T2的值越大，输出的电压稳定性越好。2、调节输出电压 前面我们还说到R3R5是取样电路，由于取样电路并联在稳压电路的输出端，而取样电压实际上是通过这三个电阻分压后得到。在选取R3R5的阻值时，可 以通过选择适当的电阻值来使流过分压电阻的电流远大于流过T2基极的电流。也就是说可以忽略T2基极电流的分流作用，这样就可以用电阻分压的计算方法来确 定T2基极电压（UT2）B。 当R4滑动到最上端时T2基极电压（UT2）B为： 此时输出电压为： 这时的输出电压是最小值。

48、 当R4滑动到最下端时T2基极电压（UT2）B为： 此时输出电压为： 这时的输出电压是最大值。 以上计算中，当（UT2）BED1时可以忽略（UT2）BE的 值。 通过上面的计算我们可以看出，只要合适选择R3R5的阻值就可以控制输出电压UO的范围，改变R3和 R5的阻值就可以改变输出电压UO的边界值。3、增加输出电流 当输出电流不能达到要求时，可以通过采用复合调整管的方法来增加输出电流。一般复合调整管有四种连接方式，如图427所示。 图427中的复合管都是由一个小功率三极管T2和一个大功率三极管T1连接而成。复合管就可以看作是一个放大倍数为T1T2， 极性和T2一致，功率为（PT1）PCM的大功

49、率管，而其驱动电流只要求（IT2）B。 图428是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图427（a）中的复合管连接方法来增加输出电流大小。另外还增加了一个电容C2，它的 主要作用是防止产生自激振荡，一旦发生自激振荡可由C2将其旁路掉。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 直流输出电压UO：6V15V； 最大输出电流IO：

50、500mA； 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429。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UD）。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

51、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（UD（UT1）CE （UO）MAX）1.2（UB1）OMIN（2V3V15V）1.220V1.216.67V 则变压器B1次级额定电压为：（UB1）O（UB1）OMIN0.9（UB1）O16.67V0.918.5V 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（

52、UB1）O1.1（UB1）OMAX18.5V1.120.35V 变压器B1的设计功率为：PB1（UB1）OMAX（IO）MAXPB120.35V500mA10.2VA 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D1D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。根据第二

53、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）MAX0.5IO（ID1）MAX0.5500mA0.25A 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）RM1.414（UB1）OMAX1.4141.1（UB1）O1.555（UB1）O（VD1）RM1.55518.5V29V 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（35）0.5TR，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