1.1 直流稳压电源

在许多电子设备和装置中，如手机、电视机、计算机等，都要求提供电压稳压性能良好的直流稳压电源，它可以在电网电压变化或负载发生变化时，提供基本稳定的直流输出电压，是电子设备必不可少的组成部分。而低电压小功率直流电源是由单相交流电压经电源变压器降压后，再经过整流和滤波电路获得的。然而，按照国家标准（GB 50052—2009），电网电压允许有－10%～+5%的变化，另外，负载变化引起直流电源内阻上压降变化，均会导致整流滤波后输出的直流电压发生变化。为此，必须将整流滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再供给负载，使负载上的直流电压受上述因素的影响达到最小，以保证电子装置正常工作。

1.1.1 直流稳压电源的组成

常用小功率直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等4部分组成，如图1-1所示。其中，变压器把220V交流电压变为所需要的低压交流电；整流电路将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

1.单相整流电路

利用二极管的单相导电性，将交流电变换成单方向的脉动直流电，分为半波整流、全波整流和桥式整流三种。单相半波、桥式整流电路如图1-2所示，对应的输入/输出波形如图1-3所示。

由图1-3（a）可见，负载上得到单方向的脉动电压，由于电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，缺点是交流电压中只有半个周期得以利用，输出直流电压低，UO≈0.45U2，一般使用在对直流电压要求不高的场合。由图1-3（b）可见，在整个周期内，始终有同方向的电流流过负载RL，故在RL上得到单方向全波脉动的直流电压。可见，桥式全波整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，即UO≈0.9U2。

在全波整流电路中，很多时候采用整流桥堆，如图1-4所示，给出了整流全桥的符号及外形。其中，标有“～”或“AC”符号的引脚表示接变压器二次绕组或交流电源；标有“+”与“－”的符号引脚表示整流后输出电压的正负极，与滤波稳压电路的输入端相连。

2.滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分，称为纹波电压。为了滤去交流成分，应在整流电路的后面加接滤波电路。常用滤波电路主要有电容滤波器、电感滤波器及电感、电容组合构成的复式滤波器。对于电容滤波，为了获得良好的滤波效果，工程上一般要求滤波电容满足

C≥（3～5）T/（2RL） （1-1）

式中，T为输入交流电压的周期；RL为负载电阻。

此时输出直流电压为

UO=（1.1～1.2）U2 （1-2）

式中，U2为输入交流电压的有效值。

如表1-1所示，给出了常用滤波电路及其特点。

表1-1 常用滤波电路的性能简介

3.稳压电路

稳压电路根据调整元件类型可分为硅稳压二极管稳压电路、三极管稳压电路、晶闸管稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与负载连接方法，可分为并联型和串联型稳压电路。根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关型稳压电路。以下主要介绍硅稳压二极管稳压电路、串联型稳压电路、集成三端式稳压电路。

1.1.2 硅稳压二极管稳压电路

1.硅稳压二极管稳压电路的组成及工作原理

硅稳压二极管稳压电路如图1-5所示。稳压二极管与负载并联，属于并联型稳压电路。这种电路主要用于对稳压要求不高的场合，有时也作为基准电压源。

在图1-5中，在输入电压UI与负载RL之间串联一个起调节作用的稳压电阻R，该电阻起限流保护稳压二极管的作用，称限流电阻。稳压管的稳压原理在于稳压管具有很强的电流控制能力，电流有很大增量时只引起很小的电压变化。反向击穿曲线越陡，动态电阻越小，稳压管的稳压性能越好。当电网电压UI或负载RL变化时，假如输出电压UO下降，则稳压二极管内反向电流IZ也减小，导致通过限流电阻R上的电流也减小，这样使压降UR也下降，由于UO=UI－UR，使UO值的下降受到限制。上述过程为：

UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑

由此可以看出，稳压管起着电流的自动调节作用，而限流电阻起着电压调整作用。

2.稳压管及限流电阻的选择

在图1-5的稳压电路中，为了保证稳压管正常工作，就必须根据电网电压和RL的变化范围合适地选择限流电阻R及稳压管。

1）限流电阻的选择

（1）当UI达到最大值和IL达到最小值时，此时UI=UImax，则IR=（UImax－UZ）/R达到最大值，而IL=ILmin，则IZ=IR－IL达到最大值。为了保证稳压管正常工作，此时的IZ值应小于管子的IZmax。

即

（2）当UI达到最小值和IL达到最大值时，此时UI=UImin，则流过R的电流IR=（UImin－UZ）/R达到最小值，而IL=ILmax，则流过稳压管的电流IZ=IR－IL达到最小值。此时稳压管的IZ值应大于管子的稳定电流IZmin。

即

可用下式选择限流电阻R的功率

P=（UImax－UZ）2/R

从上述可知，选择合适的限流电阻既要保证稳压管反向击穿，又要保证流过稳压管的电流不超过额定值，同时还要考虑到限流电阻的功率。

2）确定稳压管的参数

稳压管的参数一般取UZ=UO，IZmax=（1.5～3）ILmax，UI=（1.5～2）UO。

如图1-6所示是一种实际提供6V的直流稳压电源。从稳压管的特性可知，若能使稳压管始终工作在它的稳压区内，则输出基本稳定在稳压值UZ左右，输出电流在十几毫安以内。

1.1.3 串联型稳压电路

具有放大环节的串联型稳压电路不但其输出电压在一定范围内可调，而且稳压性能较好，所以应用较广。串联型稳压电路，除了变压、整流和滤波外，稳压部分一般有调整、基准电压、比较放大器和取样电路4个环节，如图1-7所示。当电网电压或负载变动引起输出电压UO变化时，取样电路将输出电压UO的一部分馈送回比较放大器和基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管集—射极间电压，补偿UO的变化，从而维持输出电压基本不变。

1.串联型稳压电路的组成及工作原理

稳压二极管虽然起到稳压的作用，但缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。为了加大输出电流，使输出电压可调节，常用串联型晶体管稳压电路，如图1-8所示是一种串联型稳压电路，由取样电路、基准电路、比较放大和调整电路等部分组成。其中，R1、R2、RP为取样电路；R3和VDZ组成基准电路，R3是VDZ的限流电阻，VDZ给VT2发射极提供一个稳压二极管稳压电路具有电路简单、调试方便等优点，但是输出电流较小，仅有几十毫安，输出电压不能调节，稳压性能较差，只适用于对稳压要求不高的小型电子设备。对于稳压性能要求较高或者输出电流较大的场合，就不能由简单的硅稳压管稳压电路来供给。基准电压；VT2为比较放大管，其作用是将稳压电路输出的电压变化量与VT2的发射极基准电压相比较，它们的电压差经过VT2放大后，送到调整管VT1的基极，控制调整管工作。调整管VT1是串联型稳压电路的核心元件，必须选择大功率三极管。

在图1-8中，采样电路中有一个电位器RP串接在R1和R2之间，可以通过调节RP的阻值大小来改变输出电压UO。

输出电压为

输出电压调节范围为

为提高输出电压的稳定性，应尽可能把输出电压的变化量全部放到比较放大管的基极，也就是说分压比n=R2/（R1+R2）应取得大一些，但是n取值太大接近于1时，会使比较放大管的集—射极间压降过小，影响稳压范围，因此通常取n=0.5～0.8。同时，要求输入电压至少比最大输出电压高3V。

（1）输入电压变化时的稳压过程。当输入电压UI下降时，通过R1、R2组成的分压电路的作用，VT2的基极电位Ub2也下降了，由于基准电压UZ使VT2发射极电位保持不变，Ube2随之减小。于是VT2集电极电流减小，Uc2增高，即VT1的基极电位增高，使Ic1增加，管压降Uce1减小，从而使得输出电压UO保持基本稳定。VT2的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。

如果输入电压UI增高，同样道理，又会通过反馈作用使UO减小，保持输出电压基本不变。

（2）输出电压变化时的稳压过程。当输出电压UO发生变化时，通过取样电路把UO的变化量取样加到放大管VT2的基极。由VT2把取样电压和基准电压进行比较放大后，输出调整信号送到调整管VT1的基极，以维持输出电压UO基本不变。

2.性能改进的串联型稳压电路

在图1-8所示的稳压电路中，起调节作用的三极管必须工作于线性放大状态，故称为线性串联型稳压电路，但存在以下问题：

（1）对电网电压的波动抑制能力较差。

（2）流过稳压管的电流随UI波动，使UZ不稳定，降低了稳压精度。

（3）温度变化时，VT2组成的放大电路产生零点漂移，使输出电压的稳定度变差。

针对这些问题，可采取多种措施，使其性能大为提高。例如，采用差分放大器作为比较放大器，以抑制零点漂移，提高稳压电路的温度稳定性；采用辅助电源构成基准电压源电路，提高电源的稳压系数；采用限流保护电路防止调整管电流过大或电压过高超过管耗而损坏等。

1）差动放大器作比较器的串联型稳压电路

选用差动放大器构成的比较放大器，能解决稳压电路的零点漂移问题，具体应用电路如图1-9所示。其工作原理和图1-8相同，输出电压按式（1-5）计算。

2）复合三极管作为调整管的串联型稳压电路

在串联型稳压电源中，负载电流要流过调整管，要求输出大电流的稳压电源必须使用大功率的调整管，这就要求有足够大的电流供给调整管的基极，而比较放大电路无法提供所需要的大电流；另外，调整管需要有较高的电流放大倍数，才能有效地提高稳压性能，但是大功率管一般电流放大倍数都不高。解决这些矛盾的办法，是采用复合三极管作为调整管。用复合管作为调整管的稳压电源电路如图1-10所示。

在图1-10中，VT1、VT2组成复合管，起到稳压调整作用，VT3为比较放大管，VDZ提供基准电压。当电网电压或负载变化而引起输出电压UO变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器VT3，与基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制由VT1、VT2组成的调整电路的集—射间电压，补偿UO的变化，从而稳定输出电压。R5为输出电流取样电阻，R5和VT4组成过流保护电路。当负载电流正常时，VT4截止不起保护作用；当负载电流过大时，在R5上电压降使VT4导通，吸取了VT2的一部分基极电流，进而使VT1输出电流下降，起到过流保护作用。

图1-10的工作原理和图1-8相似，其输出电压为UO= (R2+R3+RP)UZ/ (R'P+R3)。为了取得较好的稳压效果，输入电压至少比最大输出电压高3V。

3）大功率可调串联型稳压电路

精密基准电压源TL431有阴极K（CATHODE）、阳极A（ANODE）和参考电极REF，其引脚封装和电路符号如图1-11所示。TL431的输出电压UKA范围为2.5～36V连续可调，工作电流IKA为10～100mA，基准电压URA为2.5V±2%，输出动态电阻典型值为0.22Ω。

利用TL431作为基准电压的大功率可调稳压电源，输出电压为2.5～24V，最大输出电流为6A，如图1-12所示。AC 220V电压经变压器B降压、VD1～VD4整流、C1滤波，得到30V电压。此外，VD5、VD6、C2、C3组成倍压整流电路，d点电位Ud=60V；RW、R3组成分压电路，与TL431构成取样放大电路；VT1、R2组成限流保护电路，场效应管K790作为调整管，C5是输出滤波电容。稳压过程是：当输出电压降低时，f点电位降低，经TL431内部放大使e点电压增高，经K790调整后，b点电位升高；反之，当输出电压增高时，f点电位升高，e点电位降低，经K790调整后，b点电位降低。从而使输出电压稳定。当输出电流大于6A时，在R2上产生的压降达0.6V，足以使三极管VT1得到偏置而导通，e点电位将大大降低，从而使输出电压很低。这样，使输出电流被限制在6A以内，从而防止因过流而损坏调整管。在电路中除电阻R1选用2W、R2选用5W外，其他元件无特殊要求。RW用来调节输出电压大小，输出电压为UO= 2.5(R3+R'P)/R3。其中，R'P为电位器的有效电阻。

1.1.4 集成稳压电源

分立元件组装的稳压电源，虽然具有输出功率大、适应性较广等优点，但因其体积大、功能单一、使用不方便而使其应用范围受到限制。集成稳压电源由于体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点而得到广泛应用，其中小功率的三端串联型稳压器的使用最为普遍。

1.三端固定式集成稳压器

三端固定式集成稳压器外形及封装图如图1-13所示。它有3个接线端，即输入端IN、输出端OUT和公共端GND。这种三端稳压器属于串联型稳压电路，除了取样、基准、比较放大和调整等环节外，还有比较完善的保护电路。

CW78××系列是三端固定式输出正电压的集成稳压器，它的输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档次。它们型号的后两个数字就是输出电压的值。例如，CW7805的输出电压为+5V，以此类推。CW78××系列产品的最大输出电流为1.5A；CW78M××系列最大输出电流为0.5A；CW78L××系列最大输出电流为0.1A；CW78T××系列最大输出电流为3A；CW78H××系列最大输出电流为5A。与CW78××系列产品对应的输出负电压集成稳压器是CW79××系列。

应该注意，CW78××系列产品的金属外壳为GND端，所安装的散热器接地；而CW79××系列的金属外壳为电压输入端（IN端），所安装的散热器不接地而接输入电压。

2.三端可调式集成稳压器

三端可调式集成稳压器不仅输出电压可调，而且稳压性能指标均优于固定式集成稳压器，其外形和封装图如图1-14所示。其中，CW317为三端可调式正输出稳压器，它有调整端ADJ、输入端IN和输出端OUT，输出端与调整端之间电压固定为1.25V，调整端的输出电流很小且十分稳定（50μA）。CW317L的最大输出电流为0.1A，CW317M的最大输出电流为0.5A，CW317的最大输出电流为1.5A。与CW317系列产品对应的输出负电压可调集成稳压器是CW337系列。图1-15（a）所示的应用电路，其输出电压为UO=1.25(R1+R2)/R1，调节范围为1.25～37V，要求输入电压至少为40V。图1-15（b）所示的应用电路，其输出电压为UO= －1.25(R1+R2) /R2，调节范围为－1.25～－37V，要求输入电压至少为－40V。

应该注意，CW317的金属外壳为输出端（OUT端），所安装的散热器接输出电压；而CW337的金属外壳为电压输入端（IN端），所安装的散热器接输入电压。

3.LM317应用例子

LM117/LM217/LM317是美国国家半导体公司生产的三端可调正稳压器集成电路，我国生产的集成电路的对应型号为CW117/CW217/CW317，分别对应军用品、工业品和商用品，是使用极为广泛的一类串联可调式集成稳压器。图1-16所示为LM317应用电路，输出电压为2.8～7V。220V交流电从插头经熔断器送到变压器的初级线圈，经过变压器降压、电容滤波后得到比较稳定的直流电压，送到三端稳压集成电路LM317的Vin端（3脚）。调节可变电阻RP的阻值，便可从LM317的输出端获得可变的输出电压（2.8～7V）。