1、直流稳压电源技术稳压电源基础第二章 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
2、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，在两极间所产生的电压降。最大整流电流（平均值）I OM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
3、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，I F在 1 安以上的二
4、极管采用金属壳封装，以利于散热；I F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
5、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）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
6、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；一般小功率管的额定功耗在 1W 以下，而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上
7、。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 I c与基极电流的变化量 I b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定反向电压时的集电极电流Icbo与 Iceo
8、的关系为：I ceo（1）I cboIcbo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 0.707 O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 f f T的范围内， 值与 f 几乎成线性关系，f 越高， 越小，当工作频率 ff T，时，三极管便失去了放大能力。最大允许集电极耗散功率 PCMPCM 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
9、际功耗 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 ICI CM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 BVCEOBVCEO是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。B VCBO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
10、发射极之间相当于开关的断开状态，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
11、效应管场效应晶体管（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（10 810 9）、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
12、道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和 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
13、范围符合直流稳压电源工作条件情况下，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
14、压电源稳压性能的优劣的重要指标，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
15、引入的市电电压的抑制能力，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（T minTiT max）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、
16、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，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，
17、需要转换为直流电才能提供给后级电路，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
18、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“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
19、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。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
20、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
21、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 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
22、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，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
23、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
24、，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
25、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
26、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（U CE）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
27、流 3.14U I 2.221Ue 1.571I全波整流 3.14U 0.5I 1.111Ue 0.786I桥式整流 1.571U 0.5I 1.111U2e 1.111I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。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
28、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）2 1 0.51 0.10.5 0.051 0.05电容量（F）4000 2000 1000 500 200500 200（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 E 1.414E E 2.828E I 1全波整流 2E 1.414E 1.2E 2.828E 0.5I 2桥式整流 E 1.414E 1.2E 1.414E 0.5I 4二倍压 E 2.828E 2E 2.828E I 2
