这一章在干嘛?

把第 2 章的整流电路升级成真正的电源:整流 → 滤波 → 稳压三步走,分别讲电容/RC 滤波、串联/并联稳压、三端稳压器(78xx/317)以及开关电源雏形。学完你就能看懂实验室电源和充电器里的电路套路。

15.1 电源三步曲:整流 → 滤波 → 稳压

15.2 电容滤波与 RC 滤波

15.3 串联稳压:负反馈锁电压

15.4 三端稳压器:电源界的乐高

15.5 开关电源雏形

15.1 电源三步曲:整流 → 滤波 → 稳压

一个完整直流电源的流水线:

原书图 15.1 原书图 15.1:电源框图:变压器 → 整流 → 滤波 → 稳压 → 负载

原书图 15.2 原书图 15.2:滤波后的电压:直流分量 + 波动的纹波

纹波(ripple):

滤波只能把「馒头波」压平成小波浪,不能全平。纹波系数 r = V r(rms) /V dc ,是电源好坏的关键指标之一。

15.2 电容滤波与 RC 滤波

最简单的滤波:整流输出并联一颗大电容。峰值时充电,回落时放电给负载,把「坑」填平:

原书图 15.3 原书图 15.3:电容滤波:负载并联大电容,削谷填峰

V

dc

≈ V

m

− V

r(pp)

/2 纹波 V

r(pp)

≈ I

L

·T/(2C)(全波)——C 越大、电流越小,纹波越小

要求更高时加 RC 滤波级,纹波再除以一个量级:

原书图 15.9 原书图 15.9:RC 滤波级:R_C 把交流纹波分压掉,直流尽量保留

15.3 串联稳压:负反馈锁电压

串联稳压 = 调整管(射随器)+ 基准 + 采样反馈:输出想漂,管子就「拧紧/拧松」把它拽回来:

原书图 15.12 原书图 15.12:串联稳压框图:调整管串在电源与负载之间

原书图 15.13 原书图 15.13:串联稳压电路:Zener 基准 + 取样分压 + 调整管

用运放做误差放大器,精度大增;再加限流保护防短路烧管:

原书图 15.16 原书图 15.16:运放串联稳压:误差放大增益高,负载调整率极好

原书图 15.18 原书图 15.18:限流保护:短路时电流被钳住,管子不烧

并联稳压:调整元件与负载并联(如稳压管+电阻),简单但效率低,适合小电流:

原书图 15.21 原书图 15.21:晶体管并联稳压

15.4 三端稳压器:电源界的乐高

把基准、误差放大、调整管、保护电路全部集成,就是三端稳压器:输入、输出、地三根脚,即插即用:

原书图 15.25 原书图 15.25:三端稳压器框图:一片集成全部稳压要素

原书图 15.26 原书图 15.26:7812 典型接法:输入 ≥15 V,输出稳定 12 V

78xx 系列固定电压(7805/7812…),LM317 可调(输出 1.25 V 基准 + 两颗电阻任意设定):

原书图 15.30 原书图 15.30:LM317 可调稳压:V_out = 1.25·(1 + R_2/R_1)

使用须知:

输入输出压差要 ≥2 V(dropout),压差×电流=发热功率——1 A 降 7 V 就要散 7 W,散热器跑不掉。78xx 输入端加 0.33 μF、输出加 0.1 μF 电容防自激。

15.5 开关电源雏形

线性稳压的效率天花板 = Vout/Vin(压差全变成热)。开关电源让管子在高频下开关(每秒几万到几百万次),通过占空比控制能量传递,效率可达 85~95%:

原书图 15.35 原书图 15.35:斩波(开关)电源框图:开关管 + 滤波储能 + 反馈调占空比

对比速记:

线性=安静、纹波小、简单,但效率低发热大;开关=效率高体积小,但纹波/噪声大、设计复杂。给运放供电偏爱线性(或 LDO),给数字系统供电偏爱开关。