1.1 直流穩壓電源

在許多電子設備和裝置中，如手機、電視機、計算機等，都要求提供電壓穩壓性能良好的直流穩壓電源，它可以在電網電壓變化或負載發生變化時，提供基本穩定的直流輸出電壓，是電子設備必不可少的組成部分。而低電壓小功率直流電源是由單相交流電壓經電源變壓器降壓后，再經過整流和濾波電路獲得的。然而，按照國家標準（GB 50052—2009），電網電壓允許有－10%～+5%的變化，另外，負載變化引起直流電源內阻上壓降變化，均會導致整流濾波后輸出的直流電壓發生變化。為此，必須將整流濾波后的直流電壓由穩壓電路穩定后再供給負載，使負載上的直流電壓受上述因素的影響達到最小，以保證電子裝置正常工作。

1.1.1 直流穩壓電源的組成

常用小功率直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路等4部分組成，如圖1-1所示。其中，變壓器把220V交流電壓變為所需要的低壓交流電；整流電路將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩壓電路把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。

1.單相整流電路

利用二極管的單相導電性，將交流電變換成單方向的脈動直流電，分為半波整流、全波整流和橋式整流三種。單相半波、橋式整流電路如圖1-2所示，對應的輸入/輸出波形如圖1-3所示。

由圖1-3（a）可見，負載上得到單方向的脈動電壓，由于電路只在u2的正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。半波整流電路結構簡單，使用元件少，缺點是交流電壓中只有半個周期得以利用，輸出直流電壓低，UO≈0.45U2，一般使用在對直流電壓要求不高的場合。由圖1-3（b）可見，在整個周期內，始終有同方向的電流流過負載RL，故在RL上得到單方向全波脈動的直流電壓。可見，橋式全波整流電路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍，即UO≈0.9U2。

在全波整流電路中，很多時候采用整流橋堆，如圖1-4所示，給出了整流全橋的符號及外形。其中，標有“～”或“AC”符號的引腳表示接變壓器二次繞組或交流電源；標有“+”與“－”的符號引腳表示整流后輸出電壓的正負極，與濾波穩壓電路的輸入端相連。

2.濾波電路

整流電路將交流電變為脈動直流電，但其中含有大量的交流成分，稱為紋波電壓。為了濾去交流成分，應在整流電路的后面加接濾波電路。常用濾波電路主要有電容濾波器、電感濾波器及電感、電容組合構成的復式濾波器。對于電容濾波，為了獲得良好的濾波效果，工程上一般要求濾波電容滿足

C≥（3～5）T/（2RL） （1-1）

式中，T為輸入交流電壓的周期；RL為負載電阻。

此時輸出直流電壓為

UO=（1.1～1.2）U2 （1-2）

式中，U2為輸入交流電壓的有效值。

如表1-1所示，給出了常用濾波電路及其特點。

表1-1 常用濾波電路的性能簡介

3.穩壓電路

穩壓電路根據調整元件類型可分為硅穩壓二極管穩壓電路、三極管穩壓電路、晶閘管穩壓電路、集成穩壓電路等。根據調整元件與負載連接方法，可分為并聯型和串聯型穩壓電路。根據調整元件工作狀態不同，可分為線性和開關型穩壓電路。以下主要介紹硅穩壓二極管穩壓電路、串聯型穩壓電路、集成三端式穩壓電路。

1.1.2 硅穩壓二極管穩壓電路

1.硅穩壓二極管穩壓電路的組成及工作原理

硅穩壓二極管穩壓電路如圖1-5所示。穩壓二極管與負載并聯，屬于并聯型穩壓電路。這種電路主要用于對穩壓要求不高的場合，有時也作為基準電壓源。

在圖1-5中，在輸入電壓UI與負載RL之間串聯一個起調節作用的穩壓電阻R，該電阻起限流保護穩壓二極管的作用，稱限流電阻。穩壓管的穩壓原理在于穩壓管具有很強的電流控制能力，電流有很大增量時只引起很小的電壓變化。反向擊穿曲線越陡，動態電阻越小，穩壓管的穩壓性能越好。當電網電壓UI或負載RL變化時，假如輸出電壓UO下降，則穩壓二極管內反向電流IZ也減小，導致通過限流電阻R上的電流也減小，這樣使壓降UR也下降，由于UO=UI－UR，使UO值的下降受到限制。上述過程為：

UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑

由此可以看出，穩壓管起著電流的自動調節作用，而限流電阻起著電壓調整作用。

2.穩壓管及限流電阻的選擇

在圖1-5的穩壓電路中，為了保證穩壓管正常工作，就必須根據電網電壓和RL的變化范圍合適地選擇限流電阻R及穩壓管。

1）限流電阻的選擇

（1）當UI達到最大值和IL達到最小值時，此時UI=UImax，則IR=（UImax－UZ）/R達到最大值，而IL=ILmin，則IZ=IR－IL達到最大值。為了保證穩壓管正常工作，此時的IZ值應小于管子的IZmax。

即

（2）當UI達到最小值和IL達到最大值時，此時UI=UImin，則流過R的電流IR=（UImin－UZ）/R達到最小值，而IL=ILmax，則流過穩壓管的電流IZ=IR－IL達到最小值。此時穩壓管的IZ值應大于管子的穩定電流IZmin。

即

可用下式選擇限流電阻R的功率

P=（UImax－UZ）2/R

從上述可知，選擇合適的限流電阻既要保證穩壓管反向擊穿，又要保證流過穩壓管的電流不超過額定值，同時還要考慮到限流電阻的功率。

2）確定穩壓管的參數

穩壓管的參數一般取UZ=UO，IZmax=（1.5～3）ILmax，UI=（1.5～2）UO。

如圖1-6所示是一種實際提供6V的直流穩壓電源。從穩壓管的特性可知，若能使穩壓管始終工作在它的穩壓區內，則輸出基本穩定在穩壓值UZ左右，輸出電流在十幾毫安以內。

1.1.3 串聯型穩壓電路

具有放大環節的串聯型穩壓電路不但其輸出電壓在一定范圍內可調，而且穩壓性能較好，所以應用較廣。串聯型穩壓電路，除了變壓、整流和濾波外，穩壓部分一般有調整、基準電壓、比較放大器和取樣電路4個環節，如圖1-7所示。當電網電壓或負載變動引起輸出電壓UO變化時，取樣電路將輸出電壓UO的一部分饋送回比較放大器和基準電壓進行比較，產生的誤差電壓經放大后去控制調整管的基極電流，自動地改變調整管集—射極間電壓，補償UO的變化，從而維持輸出電壓基本不變。

1.串聯型穩壓電路的組成及工作原理

穩壓二極管雖然起到穩壓的作用，但缺點是工作電流較小，穩定電壓值不能連續調節。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調節，常用串聯型晶體管穩壓電路，如圖1-8所示是一種串聯型穩壓電路，由取樣電路、基準電路、比較放大和調整電路等部分組成。其中，R1、R2、RP為取樣電路；R3和VDZ組成基準電路，R3是VDZ的限流電阻，VDZ給VT2發射極提供一個穩壓二極管穩壓電路具有電路簡單、調試方便等優點，但是輸出電流較小，僅有幾十毫安，輸出電壓不能調節，穩壓性能較差，只適用于對穩壓要求不高的小型電子設備。對于穩壓性能要求較高或者輸出電流較大的場合，就不能由簡單的硅穩壓管穩壓電路來供給。基準電壓；VT2為比較放大管，其作用是將穩壓電路輸出的電壓變化量與VT2的發射極基準電壓相比較，它們的電壓差經過VT2放大后，送到調整管VT1的基極，控制調整管工作。調整管VT1是串聯型穩壓電路的核心元件，必須選擇大功率三極管。

在圖1-8中，采樣電路中有一個電位器RP串接在R1和R2之間，可以通過調節RP的阻值大小來改變輸出電壓UO。

輸出電壓為

輸出電壓調節范圍為

為提高輸出電壓的穩定性，應盡可能把輸出電壓的變化量全部放到比較放大管的基極，也就是說分壓比n=R2/（R1+R2）應取得大一些，但是n取值太大接近于1時，會使比較放大管的集—射極間壓降過小，影響穩壓范圍，因此通常取n=0.5～0.8。同時，要求輸入電壓至少比最大輸出電壓高3V。

（1）輸入電壓變化時的穩壓過程。當輸入電壓UI下降時，通過R1、R2組成的分壓電路的作用，VT2的基極電位Ub2也下降了，由于基準電壓UZ使VT2發射極電位保持不變，Ube2隨之減小。于是VT2集電極電流減小，Uc2增高，即VT1的基極電位增高，使Ic1增加，管壓降Uce1減小，從而使得輸出電壓UO保持基本穩定。VT2的放大倍數越大，調整作用就越強，輸出電壓就越穩定。

如果輸入電壓UI增高，同樣道理，又會通過反饋作用使UO減小，保持輸出電壓基本不變。

（2）輸出電壓變化時的穩壓過程。當輸出電壓UO發生變化時，通過取樣電路把UO的變化量取樣加到放大管VT2的基極。由VT2把取樣電壓和基準電壓進行比較放大后，輸出調整信號送到調整管VT1的基極，以維持輸出電壓UO基本不變。

2.性能改進的串聯型穩壓電路

在圖1-8所示的穩壓電路中，起調節作用的三極管必須工作于線性放大狀態，故稱為線性串聯型穩壓電路，但存在以下問題：

（1）對電網電壓的波動抑制能力較差。

（2）流過穩壓管的電流隨UI波動，使UZ不穩定，降低了穩壓精度。

（3）溫度變化時，VT2組成的放大電路產生零點漂移，使輸出電壓的穩定度變差。

針對這些問題，可采取多種措施，使其性能大為提高。例如，采用差分放大器作為比較放大器，以抑制零點漂移，提高穩壓電路的溫度穩定性；采用輔助電源構成基準電壓源電路，提高電源的穩壓系數；采用限流保護電路防止調整管電流過大或電壓過高超過管耗而損壞等。

1）差動放大器作比較器的串聯型穩壓電路

選用差動放大器構成的比較放大器，能解決穩壓電路的零點漂移問題，具體應用電路如圖1-9所示。其工作原理和圖1-8相同，輸出電壓按式（1-5）計算。

2）復合三極管作為調整管的串聯型穩壓電路

在串聯型穩壓電源中，負載電流要流過調整管，要求輸出大電流的穩壓電源必須使用大功率的調整管，這就要求有足夠大的電流供給調整管的基極，而比較放大電路無法提供所需要的大電流；另外，調整管需要有較高的電流放大倍數，才能有效地提高穩壓性能，但是大功率管一般電流放大倍數都不高。解決這些矛盾的辦法，是采用復合三極管作為調整管。用復合管作為調整管的穩壓電源電路如圖1-10所示。

在圖1-10中，VT1、VT2組成復合管，起到穩壓調整作用，VT3為比較放大管，VDZ提供基準電壓。當電網電壓或負載變化而引起輸出電壓UO變化時，取樣電路取出輸出電壓的一部分送入比較放大器VT3，與基準電壓進行比較，產生的誤差電壓經放大后去控制由VT1、VT2組成的調整電路的集—射間電壓，補償UO的變化，從而穩定輸出電壓。R5為輸出電流取樣電阻，R5和VT4組成過流保護電路。當負載電流正常時，VT4截止不起保護作用；當負載電流過大時，在R5上電壓降使VT4導通，吸取了VT2的一部分基極電流，進而使VT1輸出電流下降，起到過流保護作用。

圖1-10的工作原理和圖1-8相似，其輸出電壓為UO= (R2+R3+RP)UZ/ (R'P+R3)。為了取得較好的穩壓效果，輸入電壓至少比最大輸出電壓高3V。

3）大功率可調串聯型穩壓電路

精密基準電壓源TL431有陰極K（CATHODE）、陽極A（ANODE）和參考電極REF，其引腳封裝和電路符號如圖1-11所示。TL431的輸出電壓UKA范圍為2.5～36V連續可調，工作電流IKA為10～100mA，基準電壓URA為2.5V±2%，輸出動態電阻典型值為0.22Ω。

利用TL431作為基準電壓的大功率可調穩壓電源，輸出電壓為2.5～24V，最大輸出電流為6A，如圖1-12所示。AC 220V電壓經變壓器B降壓、VD1～VD4整流、C1濾波，得到30V電壓。此外，VD5、VD6、C2、C3組成倍壓整流電路，d點電位Ud=60V；RW、R3組成分壓電路，與TL431構成取樣放大電路；VT1、R2組成限流保護電路，場效應管K790作為調整管，C5是輸出濾波電容。穩壓過程是：當輸出電壓降低時，f點電位降低，經TL431內部放大使e點電壓增高，經K790調整后，b點電位升高；反之，當輸出電壓增高時，f點電位升高，e點電位降低，經K790調整后，b點電位降低。從而使輸出電壓穩定。當輸出電流大于6A時，在R2上產生的壓降達0.6V，足以使三極管VT1得到偏置而導通，e點電位將大大降低，從而使輸出電壓很低。這樣，使輸出電流被限制在6A以內，從而防止因過流而損壞調整管。在電路中除電阻R1選用2W、R2選用5W外，其他元件無特殊要求。RW用來調節輸出電壓大小，輸出電壓為UO= 2.5(R3+R'P)/R3。其中，R'P為電位器的有效電阻。

1.1.4 集成穩壓電源

分立元件組裝的穩壓電源，雖然具有輸出功率大、適應性較廣等優點，但因其體積大、功能單一、使用不方便而使其應用范圍受到限制。集成穩壓電源由于體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優點而得到廣泛應用，其中小功率的三端串聯型穩壓器的使用最為普遍。

1.三端固定式集成穩壓器

三端固定式集成穩壓器外形及封裝圖如圖1-13所示。它有3個接線端，即輸入端IN、輸出端OUT和公共端GND。這種三端穩壓器屬于串聯型穩壓電路，除了取樣、基準、比較放大和調整等環節外，還有比較完善的保護電路。

CW78××系列是三端固定式輸出正電壓的集成穩壓器，它的輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等檔次。它們型號的后兩個數字就是輸出電壓的值。例如，CW7805的輸出電壓為+5V，以此類推。CW78××系列產品的最大輸出電流為1.5A；CW78M××系列最大輸出電流為0.5A；CW78L××系列最大輸出電流為0.1A；CW78T××系列最大輸出電流為3A；CW78H××系列最大輸出電流為5A。與CW78××系列產品對應的輸出負電壓集成穩壓器是CW79××系列。

應該注意，CW78××系列產品的金屬外殼為GND端，所安裝的散熱器接地；而CW79××系列的金屬外殼為電壓輸入端（IN端），所安裝的散熱器不接地而接輸入電壓。

2.三端可調式集成穩壓器

三端可調式集成穩壓器不僅輸出電壓可調，而且穩壓性能指標均優于固定式集成穩壓器，其外形和封裝圖如圖1-14所示。其中，CW317為三端可調式正輸出穩壓器，它有調整端ADJ、輸入端IN和輸出端OUT，輸出端與調整端之間電壓固定為1.25V，調整端的輸出電流很小且十分穩定（50μA）。CW317L的最大輸出電流為0.1A，CW317M的最大輸出電流為0.5A，CW317的最大輸出電流為1.5A。與CW317系列產品對應的輸出負電壓可調集成穩壓器是CW337系列。圖1-15（a）所示的應用電路，其輸出電壓為UO=1.25(R1+R2)/R1，調節范圍為1.25～37V，要求輸入電壓至少為40V。圖1-15（b）所示的應用電路，其輸出電壓為UO= －1.25(R1+R2) /R2，調節范圍為－1.25～－37V，要求輸入電壓至少為－40V。

應該注意，CW317的金屬外殼為輸出端（OUT端），所安裝的散熱器接輸出電壓；而CW337的金屬外殼為電壓輸入端（IN端），所安裝的散熱器接輸入電壓。

3.LM317應用例子

LM117/LM217/LM317是美國國家半導體公司生產的三端可調正穩壓器集成電路，我國生產的集成電路的對應型號為CW117/CW217/CW317，分別對應軍用品、工業品和商用品，是使用極為廣泛的一類串聯可調式集成穩壓器。圖1-16所示為LM317應用電路，輸出電壓為2.8～7V。220V交流電從插頭經熔斷器送到變壓器的初級線圈，經過變壓器降壓、電容濾波后得到比較穩定的直流電壓，送到三端穩壓集成電路LM317的Vin端（3腳）。調節可變電阻RP的阻值，便可從LM317的輸出端獲得可變的輸出電壓（2.8～7V）。