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
一个完整直流电源的流水线:
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: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: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: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:串联稳压框图:调整管串在电源与负载之间
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: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: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: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 15.25:三端稳压器框图:一片集成全部稳压要素
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: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: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。
1. 电容滤波的纹波大小与什么有关?
全波整流下 V_r(pp) ≈ I_L·T/(2C):负载电流越大、电容越小,纹波越大;频率翻倍(全波 vs 半波)纹波减半。想纹波小:加大电容、提高整流频率、或后面再加稳压。
2. 串联稳压和并联稳压各适合什么场合?
串联:调整管与负载串联,效率较高、电流范围大,是绝大多数电源的选择;并联:元件与负载并联,天然短路保护、电路极简,但静态电流大、效率低,只适合小电流基准/负载。
3. LM317 的输出电压怎么算?为什么基准是 1.25 V?
V_out = 1.25·(1 + R_2/R_1) + I_adj·R_2(后项常忽略)。1.25 V 是芯片内部基准源接在输出与调整端之间,通过 R_1 产生恒流,再由 R_2 抬高电位实现可调。