1.2 任务资讯

1.2.1 直流稳压电源简介

1．直流稳压电源的组成原理

直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成，其原理方框图如图1-1所示。

（1）电源变压器：一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网220V工频50Hz电压相差较大，为了得到合适的输出电压，经常采用电源变压器将电网电压转换成符合整流需要的电压值。所以，电源变压器的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与交流电网的隔离作用。

（2）整流电路：就是将交流电压变换成直流脉动电压，它的工作原理就是利用二极管的单向导电特性。利用二极管可组成单相和三相整流电路，由于它们的工作原理相同，这里只介绍单相整流电路的组成及工作原理。单相整流电路又可分为半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流电路。

利用半导体二极管的单向导电性将正负交替的交流电压变换成单向脉动的直流电压。由于这种电压存在着很大的脉动成分输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化变化量之比。这个指标反映了电网电压波动的影响，表示稳压电路保持输出电压稳定的能力。越小，输出电压越稳定。由于工程上常常把电网电压波动±10%作为极限条件，因此也有将此时的输出电压的相对变化作为衡量的指标，称为电压调整率。

2．输出电阻

定义为在整流滤波后输入到稳压电路的直流电压不变时，稳压电路的输出电压变化量与输出电流变化量之比。反映了当负载变化时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。显然，越小，输出电压越稳定。

3．温度系数

它定义为输入电压和负载电流保持不变时，并且在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比。它反映输出受温度影响的温度系数。

4．纹波电压及纹波系数。

反映输出电压脉动的最大纹波电压，通常为输出中100Hz的交流成分，常用有效值或峰值表示。

1.2.2 半导体的基础知识

1．半导体材料

根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。

半导体有以下特点：

（1）半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。

（2）半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。

（3）在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。

2．半导体的共价键结构

在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如图1-2所示。图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。

3．本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子空穴对的现象称为本征激发，如图1-3所示。

由于共价键出现了空穴，在外电场或其他的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的，如图1-4所示。

4．杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

（1）N型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

（2）P型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

杂质对半导体导电性的影响：掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下。

T=300K室温下，本征硅的电子和空穴浓度：n=p=1.4 × 1010/cm3，掺杂后N型半导体中的自由电子浓度n=5×1016/cm3，本征硅的原子浓度4.96×1022/cm3

以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

5．PN结的形成及特性

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。扩散越强，空间电荷区越宽。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。内电场促使少子漂移，阻止多子扩散，最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

PN结最基本的特性就是单向导电性，即外加正向电压时，PN结导通；外加反向电压时，PN结截止。如图1-5所示。

（1）外加正向电压。当PN结加上正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极。此时称PN结加正向偏置电压，简称“正偏”，在正向电压的作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。势垒降低使P区和N区中能越过这个势垒的多数载流子大大增加，形成扩散电流。在这种情况下，有少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流IF。当外加电压VF稍有变化（如0.1V），便能引起电流的显著变化，因此电流IF是随外加电压急速上升的。这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

（2）外加反向电压。P区接电源的负极，N区接电源的正极，称为PN结外加反向电压，又称为PN结反向偏置，简称“反偏”，在反向电压的作用下，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，PN结的内电场加强。这一结果，一方面使P区和N区中的多数载流子很难越过势垒，扩散电流趋近于零。另一方面，由于内电场的加强，使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动。这样，此时流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很小，所以IR是很微弱的，一般为微安数量级。当管子制成后，IR数值决定于温度，而几乎与外加电压VR无关。IR受温度的影响较大，在某些实际应用中，还必须予以考虑。PN结在反向偏置时，IR很小，PN结呈现一个很大的电阻，可认为它基本是不导电的。这时，反向的PN结表现为一个很大的电阻。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。在常温下，由于少数载流子有限，因而反向电流十分微弱，近似为零，所以称为反向截止。PN结的伏安特性如图1-6所示。

（3）PN结的电容效应。势垒电容CB为用来描述二极管势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应的。PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化，当外加正向电压升高时，N区的电子和P区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电”。当外加电压降低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB“放电”, CB是非线性电容，电路上CB与结电阻并联，在PN结反偏时其作用不能忽视，特别是在高频时，对电路的影响更大。

扩散电容CD：二极管正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，就相应地要有载流子的“充入”和“放出”。因此，积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就可用PN结的扩散电容CD描述。扩散电容反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况。

1.2.3 二极管

1．二极管的结构及其在电路中的符号

半导体二极管是在一个PN结的两个区引出两个电极引线，并用一定的外壳封装，制成二极管，其结构示意图如图1-7（a）。其中从P区引出的电极称为正极（或阳极），从N区引出的电极称为负极（或阴极）。二极管的电路符号如图1-7（b）所示，箭头所指方向代表正向电流方向。图1-7（c）所示是几种常用二极管的外形图。

二极管按其材料、功率大小、用途及结构等可以分成多种类型。

二极管按所用材料可分为锗二极管、硅二极管，其中硅二极管的热稳定性比锗二极管的热稳定性要好得多。

二极管按用途可分为普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管等。

二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触和平面型三类。分别如图1-8（a）、（b）和（c）所示。

点接触型二极管是由一根很细的金属丝和一块N型（或P型）硅片（或锗片）表面接触，然后正方向通以很大的瞬时电流，使触丝和晶片熔接在一起，从而形成PN结。其特点是结面积小，因而结电容很小，适用于较高频率（如几百兆赫兹）下工作，但不能承受高的反向电压和大的电流。主要用于高频时的检波器、混频器和脉冲数字电路里的开关元件，也可于小电流整流。

面接触型二极管是采用合金法将合金小球经高温熔化在晶片上，从而形成PN结。其特点是结面积较大，可以承受较大的电流，因其极间电容较大，只能在较低频率下工作。主要用于电源整流。

硅工艺平面型二极管，采用高温扩散工艺形成PN结，是集成电路中常见的一种形式。根据工艺方法的不同，结面积可以做的较大，也可以做的较小。结面积大的二极管，可以通过较大的电流，适用于低频大功率整流电路；结面积小的二极管，适用于在数字电路中作开关管或高频整流电路。

半导体二极管的核心部分是PN结，其特性就是PN结的单向导电性。二极管的单向导电性可以用伏安特性来表示，所谓伏安特性曲线，就是指二极管两端的电压与流过二极管电流的关系曲线，它能全面反映二极管的主要特点和性能，它是使用和选择二极管的重要依据。

（1）正向特性。是指二极管两端外加正向电压时的特性，即二极管的阳极（或P区）接电源正极，阴极（或N区）接电源负极时的特性，如图1-9中曲线A所示。当二极管外加正向电压很小时，外电场还不足以克服内电场的作用，因此正向电流十分微弱，几乎为零，二极管呈现很大的电阻。但是，当正向电压超过某一值后，内电场大为削弱，正向电流迅速增大，此时管子呈现很小的电阻，这一电压值称为死区电压或门限电压（也称阈值电压），硅管的死区电压约为0.5V，锗管的约为0.1V。

当正向电压大于死区电压时，内电场大为削弱，正向电流因而急剧地增大，二极管呈现很小的电阻而处于导通状态。在室温下，这时硅管的正向导通电压为0.6～0.7V，锗管的导通电压为0.2～0.3V。

经过理论分析与实测表明，二极管电流i与电压u近似满足下式

式中，U T与温度有关，称为温度的电压当量，在室温下U T=26 m V, IS为反向饱和电流。该式也称为二极管的伏安特性方程。

（2）反向特性。是指二极管两端外加反向电压时，即二极管的阳极（或P区）接电源负极，阴极（或N区）接电源正极时的特性，如图1-7中曲线B所示。当二极管外加反向电压时，P区的少数载流子——电子和N区的少数载流子——空穴，在电场力的作用下，很容易通过PN结，形成微弱的反向电流。由于少数载流子的数目很小，因此反向电流十分微弱。在温度一定时，反向电流基本不变，所以又称之为反向饱和电流，记作IS。一般硅管的反向饱和电流比锗管的小得多。小功率硅管的IS一般小于0.1A，而锗管约为几微安。

在温度一定条件下，当反向电压增加到一定大小时，反向电流急剧增加，这种现象叫做二极管的反向击穿，对应于图1-9中曲线C段所示。

此外，温度对特性曲线有较大影响。温度升高时，正向特性部分曲线左移，导通电压Uth下降；温度升高时，由于少数载流子增加，反向饱和电流随之急剧增加，反向特性曲线下移。一般温度每升高10℃，反向饱和电流增大一倍。

（3）二极管的等效电路模型。二极管是一种非线性器件，为了分析计算方便，常以下几种等效模型近似分析计算。

1）理想电路模型。图1-10表示理想二极管的伏安特性及其等效电路。由图1-10（a）可见，在正向偏置时，其管压降为0V，相当于开关闭合（短路）；反偏时，反向电流为零，相当于开关断开（开路）。通常把这种特性称为二极管的开关特性。其等效电路如图1-10（b）所示。在实际电路中，当二极管的正向压降远小于与之串联电阻的电压时，可用此模型来近似分析。

2）恒压降模型。当二极管正向导通时的压降不能忽略时，其理想化伏安特性如图1-11（a）所示。二极管正向导通后，其导通后的管压降认为是恒定的，且不随电流而变化。通常硅管的正向导通电压取0.7V，锗管的正向导通电压取0.3V。当二极管两端的正向电压超过其导通电压时，二极管导通，相当于短路；当二极管两端的正向电压小于其导通电压时，二极管截止，相当于开路。图1-11（b）是其等效电路。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1mA时，才更接近于实际二极管的特性。

3）二极管的小信号模型。在二极管电路中，若已知加在二极管两端的直流电压和流过它的直流电流，则在该二极管的伏安特性曲线上可以相应找到一点Q点，这一点称为静态工作点，简称Q点，该Q点所对应的电压、电流值称为静态值。如果二极管工作在静态工作点附近很小的范围内，则可以把在Q点附近的伏安特性曲线看成一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变等效电阻rd。如图1-12（a）所示。

如果二极管的工作频率较高，结电容不能忽略时，其交流等效电路如图1-12（b）所示。必须注意，rd和Cj均与工作点有关。

2．二极管的主要参数

器件的参数是对其特性的定量描述。这些参数可以从手册上得到，或通过测量得到，是正确使用和合理选择器件的依据。二极管的主要参数包括直流参数和交流参数。普通二极管的主要参数有以下几个。

（1）二极管的直流参数。

1）最大整流电流IF M。最大整流电流IF M是指二极管长时间连续安全工作时，允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值，否则因为通过PN结的电流过大，引起PN结过热，而使PN结烧坏。

2）最高反向工作电压URM。最高反向工作电压URM是指二极管在使用时所允许加的最大反向电压。反向电压增大到一定值时，二极管反向电流急剧增大，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。反向电流剧增时所对应的电压称为击穿电压，一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子的安全运行。

3）反向电流IR。反向电流IR是指二极管未击穿时的反向电流值，此值越小，二极管的单向导电性能越好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。

（4）直流电阻RD。直流电阻RD是二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比，如图1-13（a）所示。

二极管处于不同的工作点，对应的直流电阻也不同，Q点越高，即电流I越大，OQ直线的斜率越大，斜率的倒数值（即RD值）越小。由于反向电流很小，因而反向直流电阻很大。如果正反向电阻差别越大，则说明二极管的单向导电性越好。

2．二极管的交流参数

（1）交流电阻rd。交流电阻rd是工作点Q附近电压与电流的变化量之比，即：

rd的值可以通过Q点作切线，由切线的斜率倒数来确定，如图1-13（b）所示。

二极管处于不同的工作点，对应的交流电阻也不同，Q点越高，即电流i越大，Q点处的切线斜率越大，rd值越小。利用式（1-2）表达式中二极管电压、电流关系式，通过数学推导可以求得rd的计算式为：

式中，IQ表示Q点处二极管的静态电流值。

比较图1-13中（a）与（b）可以看到：在同一静态工作点处，二极管的交流电阻rd远小于其对应的直流电阻RD。

（2）结电容Cj。PN结的结电容Cj由两部分组成，即由PN结的势垒电容C B和扩散电容CD所组成。

1）势垒电容CB。在讨论PN结的形成时我们已经了解到PN结的空间电荷区（或势垒区）的宽窄会随外加电压的变化而改变，从而显示PN结的电容效应。因此，PN结的势垒电容是用来描述空间电荷区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应的。当外加电压值升高时，N区的电子和P区的空穴便进入空间电荷区而被中和掉，这就好像有一部分电子和一部分空穴“存入”PN结，相当于电子和空穴分别向势垒电容“充电”。而当外加电压降低时，又有一部分电子和空穴离开空间电荷区，又好像电子和空穴分别从势垒电容“放电”。这种充电效应与普通电容在外加电压作用下进行充放电的过程相似，可以用电容来等效。由于这个等效电容是势垒区宽度随外加电压变化而引起的，所以称为势垒电容。可以证明，势垒电容CB的大小与PN结的面积S成正比，与空间电荷区的宽度δ成反比，还和半导体材料的介电系数ε有关。这和普通平行板电容器相似，所不同是平行板电容器的电容量与外加电压无关，是一个线性电容。而势垒电容是随外加电压改变的，是一个非线性电容。

当外加电压保持不变时，空间电荷区中的空间电荷数目保持不变，势垒电容充放电就停止，因此，势垒电容只在外加电压改变时才起作用。而且，当外加电压频率越高时，每秒钟充放电次数越多，势垒电容的作用越显著。从电路上来看，势垒电容和结电阻是并联的。由于反偏时结电阻很大，尽管势垒电容很小，它的影响还是不能忽视。正偏时结电阻小，虽然势垒电容较大，其影响相对很小。所以势垒电容的影响主要表现在反向偏置状态。

2）扩散电容CD。当PN结正向偏置时，P区的空穴和N区的电子相互向对方扩散形成正向电流。要使P区内形成扩散电流，注入P区的少数载流子——电子沿P区必须有浓度差，即在结的边缘处浓度大，离结远的地方浓度小，所以在P区有电子的积累。同理，在N区也有空穴的积累。如果加大正向偏置电压，正向电流随之加大，注入P区的电子和N区的空穴浓度就会增加；如果减小正向偏置电压，正向电流减小，注入P区的电子和N区的空穴浓度就会相对减小。这分别相当于在扩散区的少数载流子的“充入”和“放出”。这也和普通电容器的充放电过程相似，也可以用电容器来等效。由于这个等效电容是由载流子的扩散运动随外加电压的变化引起的，所以称为扩散电容，用CD表示。可以证明，扩散电容的大小与正向电流成正比，它也是一个非线性电容。

如果外加电压发生变化，上述两种充、放电过程所引起的电流变化在外电路上是叠加的，因此可以认为C B与C D二者是并联关系。PN结总的结电容Cj为：

PN结正向偏置时，由于积累在P区的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，所以扩散电容较大，结电容主要取决于扩散电容，即Cj≈CD。而反向偏置时，载流子的数目很少，因此反向时扩散电容数目很小，一般可以忽略，结电容主要取决于势垒电容，即有：Cj≈CB。

（3）最高工作频率fM。二极管的最高工作频率fM主要由结电容的大小来决定。点接触型二极管结电容较小，fM可达几百兆赫兹，面接触型二极管的结电容较大，fM只能达到几十千赫兹。若工作频率超过了最高工作频率fM，则二极管的单向导电性变坏。

必须注意的是，由于器件的分散性很大，手册上所给的参数也是在一定条件下测得得数值。如果使用条件发生变化，相应的参数也会发生变化。因此，选择二极管时要注意留有余量。

3．二极管的命名与分类

（1）半导体二极管的命名方法。二极管的种类繁多，国内外都采用各自的命名方法加以区别。我国国产半导体器件的命名方法采用国家GB249-74标准。

半导体的型号由五部分组成，其型号组成部分、各部分表示符号及其意义见附录一。如2AP6:“2”表示电极数为2, “A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“6”表示序号。

（2）半导体二极管的分类。

1）按材料分：有硅、锗二极管和砷化镓二极管等。

2）按结构分：有点接触型、面接触型二极管。

3）按用途分：有整流、稳压、开关、检波、变容等二极管。

4）按封装分：有塑料封及金属封等二极管。

5）按功率分：有大功率、小功率等二极管。

4．特殊二极管

除前面所介绍的普通二极管外，还有若干种特殊用途的二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，现分别介绍如下。

（1）硅稳压二极管。稳压二极管是一种特殊工艺制造的结面型硅二极管。它是利用PN结反向击穿时，流过PN结的电流在很大的范围内变化，而管子两端的电压基本不变的特点来实现稳压的。

1）稳压管及其伏安特性。稳压二极管简称稳压管，它的伏安特性曲线及其电路符号如图1-12所示。由图中可以看出，稳压管的正向伏安特性与普通二极管相同，不同的是其反向击穿特性很陡峭，只要在外接电路上采取适当的限制电流措施，就能保证管子在击穿区内安全工作。

2）稳压管的主要参数。

（a）稳定电压UZ。稳定电压实际上就是稳压二极管的击穿电压。通常是指在规定的测试电流下，管子两端的电压值，不同型号的管子有不同的稳定电压值，从几伏到几百伏之间，以适应不同的使用要求。即使是同一型号的管子，由于制造工艺的分散性也不尽相同。但对每一个稳压管来说，对应一定的工作电流都有一个确定的稳定电压值。

（b）最小稳定电流IZ m in。通常是指稳压二极管工作于击穿区的最小工作电流，当稳压二极管的工作电流小于IZmin时，则不能稳压。

（c）最大稳定电流IZ max。当流过管子的电流超过最大稳定电流IZ m ax时，管子的功耗增加，结温升高，稳压管会造成永久性损坏，使用时不允许超过此值。

（d）额定功耗PZ。它是由管子的温度所限制的参数。它与PN结的材料、结构及工艺有关。为保证管子不致因电流过大而造成永久性损坏，所限定的稳压管的功耗为额定功耗PZ，即：

（e）动态电阻rZ。动态电阻rZ是指在稳定电压范围内，管子两端电压的变化量与电流的变化量之比，即

显然，当电流变化ΔIZ一定时，动态电阻rZ越小，则稳定电压的变化量ΔUZ越小，稳定性能越好。rZ一般在几欧到几十欧之间，它与工作电流大小有关，电流越大，rZ越小。

（f）温度系数αZ。它是反映稳定电压UZ受温度影响的参数。当温度改变时，稳定电压也将发生微小变化。通常用温度每升高1℃，稳定电压值的相对变化量（ΔUZ/UZ）来表示稳压管的温度稳定性，并称为温度系数αZ，且。其中，αZ越小，稳压性能受温度的影响越小。

3）稳压管的应用。最常用的并联型稳压电路如图1-15所示。图中ui为输入电压，一般来自整流滤波电路输出的直流电压，要求输入电压满足ui＞UZ。R为限流电阻，R必须串联在电路中，限制稳压管的电流不超过IZmax。稳压管VD与负载RL并联，输出电压为uo，且有uo=UZ。

所谓稳压，就是当输入电压ui或负载电阻RL发生变化时，输出电压uo要保持不变。该电路的稳压原理是，当ui或RL发生变化时，稳压二极管VD的电流发生相应的变化，使uo基本保持不变。例如，当RL一定，而ui发生变化时，其稳压过程可简单表示如下：

若ui↑→uo↑→IZ↑↑→I↑（=IZ+IL）→uR↑→uo（=ui-uR）基本不变

当ui下降时，稳压过程相同，但各电量变化趋势相反。

同理，当ui一定，RL发生变化时，稳压管两端的电压仍基本保持不变。

总之，在稳压过程中，是依靠稳压管在击穿区工作时电流急剧变化而电压基本不变来实现稳压的，稳压管起着电流的自动调节作用。限流电阻也必不可少，而且必须合理取值，以保证在ui、R L变化时，稳压管中的电流IZ满足条件I Zmin＜IZ＜IZmax，即保证稳压管能安全有效地实现稳压。

（2）光电二极管和光电池。光电二极管又称光敏二极管，是一种将光信号转换成电信号的特殊二极管，可用来作为光的检测。它的结构与普通二极管类似，但和普通二极管不同的是，它的PN结是在反向偏置状态下运行。

光电二极管在结构上与普通二极管相比，具有两方面的特点。一是外形上，光电二极管管壳上有一个能射入光线的窗口，管芯通过管壳上的玻璃窗口接收外部的光照；二是它的PN结面积做得较大，管芯上电极的面积做得较小，目的是为了提高光电转换效率。

图1-16中，图（a）是光电二极管的代表符号，图（b）是它的特性曲线。其主要特点是它的反向电流与照度成正比。

图1-17所示的电路为光电二极管的简单使用例子。图1-17（a）中直流电压US是给光电二极管外加的反向偏置电压，光照射时，光电二极管导通，有电流流过负载电阻RL，光照射越强，光电流在RL上产生的电压u o越大。图1-17（a）所示电路是一光控开关电路，K为高灵敏度的继电器，有光照射时，光电二极管产生的光电流通过二极管线圈，继电器的常开触头闭合。

硅光电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，又叫太阳能电池。PN结光电池的工作原理与PN结光电二极管一样，但由于其用途较特殊，在设计与制造方面尽量考虑其光电转换效率，因此需要增大受光面积和减小内部损耗，此外还需降低成本以获得广泛的应用。

图1-18所示电路是由光电池控制的直流电源开关电路。当光电池PC1、PC2受到光照射而产生电势时，单向晶闸管SK导通，若开关K1闭合，则此时便有9V直流电压加于负载上。UA可以接收音机、灯泡或其他用直流电源的装置。

发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管，简写成LED（英文Light emitting diode的缩写）。其代表符号如图1-19所示。

发光二极管是一种电流控制器件。发光二极管常用作显示器件，除了单个使用外，也常作成七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几毫安至十几毫安之间。发光二极管的发光颜色（即发光波长）主要决定于制作该管子所用材料，并与制造PN结所掺入的杂质有关。发光二极管的另一重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现信号。

在图1-20中，图（a）表示一个LED作电源通断指示用的实用电路，图（b）表示一个LED发射电路通过光缆驱动一个光电二极管电路。在图（a）中，LED与稳压二极管串联，它的正向电压作为稳定输出电压的一部分，其工作电流受电阻R的限制，它所发出的光作为电源指示灯。在图（b）中，发射端的脉冲信号通过电阻R作用于LED，使LED产生一串数字光信号，并作用于光缆，由LED发出的光信号约有20%耦合到光缆。在接收端传送的光中，约有80%耦合到光电二极管，以致在接收电路的输出端复原为原来的数字信号。

光电耦合器是由发光二极管器件与光敏器件组成的，故其结构中的两大部分就是发光二极管和光敏器件。光电耦合的结构如图1-21（a）所示。实际光电耦合器中的发光器件一般为砷化镓发光二极管，有时也用氖泡代替；光敏器件则一般为硅光电器件（如硅光敏二极管、硅光敏三极管、光控晶闸管、硅光电池等等）和光敏电阻，它们各有特点。

图1-21（b）所示，是一电流、电压分别为10A、25V的直流固态继电器电路。当控制电压（+3V～+5V）加在光电耦合输入端后，光敏三极管导通，经过放大后（放大器的工作原理后面章节将介绍）就可以控制高压直流端负载与电源接通。光电耦合控制电路与无触点功率开关相比较具有无触点、无火花、切换频率高和寿命长的优点。

5．半导体二极管的应用

普通二极管具有单向导电性，是整流、检波、限幅、钳位等应用中的主要器件，实际应用时，应根据功能要求选择合适的二极管。下面分析几种常见的二极管应用电路。

（1）整流电路。将交流电变换成单向脉动直流电的过程称为整流。简单的半波整流电路如图1-22（a）所示。为简化分析，将二极管视为理想二极管，即二极管正向导通时，作短路处理；反向截止时，作开路处理。假设输入电压ui为一正弦波，在ui的正半周（即ui＞0）时，二极管因正向偏置而导通，输出电压uo=ui；在ui的负半周（即ui＜0）时，二极管因反向偏置而截止，输出电压uo=0。其输入、输出电压波形如图1-22（b）所示。

（2）检波电路。在接收机中，将低频信号从高频调制信号中检取出来的过程，称为检波，实现检波的电路称为检波电路。最简单的检波电路由一个二极管和RC低通滤波器串联而构成。其基本工作原理就是利用二极管的单向导电性和电容两端的电压不能突变的特性。图1-23所示是一简单包络检波电路。

为简化分析过程并能说明电路的工作原理，假设电容的初始电压为零，输入信号足够大且为单一频率正弦波信号。在电路接通电源时，输入信号ui由零开始上升，二极管VD正偏导通，电容C充电，因二极管的正向电阻rd很小，故充电时间常数τ充=rd C很小，充电速度很快，电容两端的电压uo=ui。当uo达到输入信号峰值后，又因输入信号ui下降很快，会有ui＜uo这时二极管因反向偏置而截止，电容通过电阻R放电，因其放电时间常数τ放=RC较大，uo缓慢下降。直至输入信号下一个周期的正半周到来且ui＞uo时，二极管正偏导通，输入信号又向电容充电，如此循环往复地充放电，得到如图1-23（b）所示波形。

（3）限幅电路。将输出电压的电平限制在预置的电平范围内，用于限制输入信号的峰值，有选择地传输一部分电压的电路，称为限幅电路。如图1-24所示。若图中硅二极管VD采用具有恒压降的理想电路模型，则当输入电压ui＞UREF+Uth=5.7V时，二极管V D导通，管压降为0.7V，输出电压uo保持在5.7V的限幅电平上；当输入电压ui＜UREF+Uth=5.7V时，二极管VD截止，二极管相当于开路，则输出电压uo=ui。输入、输出波形如图1-24（b）所示。

（4）钳位电路。将输入信号的顶部或底部钳位于某一直流电平上的电路，称为钳位电路。

图1-25（a）所示为二极管钳位电路。当输入信号为高电平（+5V）时，二极管导通，输入信号对电容充电，充电时间常数τ充=rdC很小，电容充电很快，电容C上的充电电压uC=ui+2.5V=7.5V，这时输出电压uo=-2.5V，即输入脉冲信号的顶部钳位于-2.5V；当输入信号为低电平（0V）时，二极管截止，C通过R放电，由于放电时间常数τ放=RC=20ms＞＞，放电十分缓慢，所以输出电压几乎等于电容充电最高电压，即uo=-7.5V。由于脉冲信号要求器件的响应速度快，所以，应选用开关二极管。

1.2.4 电源整流电路

所谓整流电路，就是将交流电压变换成直流脉动电压。它是利用二极管的单向导电特性来工作的，由二极管可组成单相和三相整流电路，由于它们的工作原理相同，这里只要介绍单相整流电路的组成及工作原理。单相整流电路又可分为半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流电路。

1．单相半波整流电路

（1）电路的组成与工作原理。图1-26所示电路是单相半波整流电路。为了突出讲解其工作原理，设该电路中的负载为纯电阻负载，二极管为理想二极管，且忽略变压器的损耗内阻。设变压器次级线圈绕组电压为

工作原理为下列两点。

1）当u2为正半周，二极管VD因正向偏置而导通，电流经过二极管流向负载，在负载电阻RL上得到一个大小、极性与u2相同的电压，即uo=u2。此时，理想二极管两端的电压uD=0，负载电流。

2）当u2为负半周，二极管VD因反向偏置而截止，负载电阻RL上的电流io=0，即uo=0。此时，二极管因反偏截止，根据KVL有uD=u2。

由上分析，根据变压器次级线圈电压u2的波形，得到负载上的半波整流波形即二极管上的电压波形，如图1-26所示。

（2）直流输出电压Uo与输出电流Io的计算。直流电压Uo是指输出瞬时电压uo在一个周期内的平均值，即

在半波整流情况下，由前面工作原理的分析可知：输出电压uo的数学表达式可写成如下形式。

将uo代入式（1-8）中得

上式说明，在半波整流情况下，负载所得的直流电压只有变压器次级绕组电压有效值的45 %。如果考虑二极管的正向电阻和变压器等效电阻上的电压，则Uo数值还要低。

在半波整流电路中，负载上的输出电流与二极管的电流相同，即

（3）整流元件的选择。我们知道，若二极管的工作电流超过某一极限值时，容易使二极管因过热烧毁；若二极管承受的反向电压过高时，其反向电流会急剧增大，单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。因此，在选用二极管时要考虑两个极限参数：最大整流电流IFM和最高反向工作电压URM。

在半波整流电路中，二极管的电流任何时候都等于输出电流，所以在选用二极管时，二极管的最大正向电流IFM不能小于负载电流Io，即IFM≥Io；二极管的实际承受的最高反向电压就是变压器次级绕组的最大值，因此。

半波整流电路的优点是结构简单，使用元件少。但是它也存在明显的缺点：只利用了电源的半个周期，输出直流分量较低，且输出电压波动较大，电源变压器的利用率也比较低。所以半波整流电路只能用在输出电流较小，性能要求不高的场合，如电池充电器、电褥子温控电路等。

2．单相全波整流电路

（1）电路的组成与工作原理。为了提高电源的利用率，可将两个半波整流电路组合起来构成一个全波整流电路，电路组成如图1-27所示，o点为变压器次级线圈绕组的中心抽头。设。

工作原理如下。

1）当u2a、u2b为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，流过二极管VD1的电流iD1同时经过负载。回路中电流的流通路径为由a点从发经VD1、负载电阻RL，然后回到o点。且有

2）当u2a、u2b为负半周时，二极管VD1截止、VD2导通，流过二极管VD2的电流iD2同时经过负载，而且流过负载的电流方向依然是从上至下。电流iD2的流通路径为由b点从发经VD2、负载电阻RL，然后回到o点。同样有uo=u2b=u2

从以上分析可以得到整流后的电压、电流波形，从波形上分析可知，负载在变压器次级绕组电压的正、负半周都有电压输出，且电压极性相同。因此，称之为全波整流。

（2）直流输出电压Uo与输出电流Io的计算。

由输出波形可以看出，全波整流输出波形是半波整流时的2倍，所以输出直流电压也为半波时的2倍，即

（3）整流元件的选择。由于VD1、VD2轮流导通，故流过每个二极管的电流是负载电流的一半，即

那么，选管时要求

二极管因承受反向偏置电压而截止。在全波整流电路中，每个二极管截止时所承受的最高反向电压为变压器整个次级线圈绕组a、b两端电压的最大值。那么，在选管时要求

例1-1电路如图1-28所示，设变压器及二极管均为理想，RL 1=3RL 2, U 2=20 V, U 3=U4=10 V。

求：1）RL1和RL2两端的电压平均值Uo1、Uo2，并指出各自的极性。

2）每个二极管所承受的最高反向电压。

解：1）分析图1-28所示电路可知：

Uo1是u2和u3串联电压经V D1半波整流后在RL 1上的输出电压，其电压平均为

Uo 1=-0.45（U 2+U 3）=-0.45（20+30）=-13.5V

式中：负号表示Uo1相对于地为负电压。

Uo2是经VD2、、VD3全波整流后在负载RL2上得到电压，其平均值为Uo2=0.9U3=0.9×10=9V且Uo2对地极性为正。

（2）分析可知：二极管VD1、、VD2及VD3所承受的最高反向电压分别为

全波整流电路的优点是电源利用率高，输出电压波动小，输出电压比半波整流提高了一倍，且每个管子通过的电流仅为负载电流的二分之一。但是，该电路要求管子的耐压值比半波整流的提高了一倍，且需要有中心抽头的变压器，工艺复杂，成本高。为此常采用全波整流的另一种形式——桥式整流电路。

3．单相桥式整流电路

（1）电路的组成与工作原理。桥式整流电路克服了全波整流电路的缺点。它只用一个无中心抽头的次级线圈绕组同样可以达到全波整流的目的。桥式整流电路如图1-29所示。图1-29（a）所示电路中，采用四只二极管接成电桥形式。桥式整流电路中的二极管可以是四只分立的二极管，也可以是一个内部装有四个二极管的桥式整流器（桥堆），因此桥式整流电流通常可画成图1-29（b）所示的简化形式。

工作原理：

1）当u2为正半周时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止。输出端电流io的流经路径为从a点→VD1→C点→RL→d点→VD3→b点；输出电压uo=u2；两截止的二极管VD2、VD4所承受的反向电压亦为u2，承受的最高反向电压为u2的正峰值电压，即2U2。

2）当u2为负半周时，二极管VD1、VD3截止，VD2、VD4导通。输出端电流io的流经路径为从b点→VD2→C点→RL→d点→VD4→a点；输出电压uo=-u2；两截止的二极管VD1、VD3所承受的反向电压亦为-u2，承受的最高反向电压为u2的负峰值电压，也就是2U2。桥式整流电路的波形如图1-29所示。

由上述可见，除了桥式整流电路中的二极管所承受的反向电压不同于全波整流外，其他参数均与全波整流电路相同。

（2）直流输出电压Uo与输出电流Io的计算如下。

（3）整流元件的选择。由于VD1、VD3与VD2、VD4交替导通，故流过每个二极管的电流也是负载电流的一半，即：

那么，选管时要求

在桥式整流电路中，每个二极管截止时所承受的最高反向电压为变压器整个次级线圈绕组a、b两端电压的最大值。那么，在选管时要求

由上分析可见，桥式整流具有全波整流的全部优点，而且避免了全波整流电路的缺点，因此桥式整流应用最为广泛。桥式整流的缺点是需要四只性能相同的二极管，但随着电子技术的日益发展，已研制生产出桥式整流的组合器件，通常叫做桥堆，它是将四个二极管集中制作成一个整体。

1.2.5 滤波电路

无论哪种整流电路，它们的输出电压中都含有较大的脉动成分，除了在一些特殊场合（如电镀、电解和充电电路）可以直接应用外，一般是不能直接作为电源给电子电路供电的。因此必须采取措施，尽量降低整流输出电压中的交流成分，同时还要尽量保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近于理想的直流电压。这种措施就是采用滤波电路。

滤波电路一般由电抗元件组成，常用作滤波的电抗元件有电容器和电感器。由于电容器和电感器对交流电和直流电呈现的电抗不同，如果把它们合理地连接在电路中，就可以达到减小交流成分、保留直流成分的目的，从而实现滤波的作用。如在负载两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图1-30所示。

由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压较平滑，即电容具有平波作用（利用电容上的电压不能突变特点）。与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它能把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用（利用电感上的电流不能突变的特点）。

1．电容滤波电路

图1-29所示电路为单相桥式整流电容滤波电路。

（1）工作原理。设电容C上的初始电压uC=0, u1为正弦交流电源。

刚接通电源时，u2处于正半周，且u2由零逐渐增大，二极管VD1、VD3正偏导通，而二极管VD2、VD4则反偏截止，此时u2经二极管VD1、VD3向负载提供电流，同时向电容器充电，因充电时间常数很小（τ充=rC, r是由变压器次级线圈内阻、二极管的正向导通电阻构成的总的等效电阻），电容很快充电到达u2峰值。u2到达峰值以后，按正弦规律下降，当u2＜uC=uo时，二极管V D1、V D3因反偏而截止，且在u2的正半周二极管V D2、V D4仍因反偏而截止，这时C只能通过负载RL放电。放电时间常数τ放=RLC，放电时间常数越大，放电就越慢，输出电压uo（也是电容电压uC）的波形就越平滑。

在u2的负半周，且当，二极管V D2、V D4因正向偏置而导通，二极管V D1、VD3反偏截止，u2通过VD2、VD4向电容充电，使电容C上的电压很快充到u2的峰值。当电容C上的电压充电逐渐增大，而u2按正弦周期下降至小于电容两端的电压时（即uc=uo），二极管V D1、V D3和V D2、V D4均反偏截止，这时C又通过负载R L放电。只要放电时间常数很大，放电就会很慢。在放电不多的情况下，下一个周期的正弦峰值的到来又对电容进行充电，而后又放电，如此周而复始。负载上得到的是脉动成分大大减小的直流电压。

桥式整流电容滤波电路的输出波形如图1-31所示。当负载开路（空载），即RL=∞时，电容一旦充电至u2的峰值电压，因没有放电回路，故理想情况下，电容两端电压将保持2U2不变。

（2）输出直流电压Uo和负载电流Io的估算。按求平均值的定义，我们知道输出电压的平均值数值上等于输出电压波形与横坐标间的面积。从波形比较可以看出，电容滤波后，其输出电压uo的平均值大于全波整流输出的平均值，即电容滤波后使整流输出电压大大提高，一般按经验公式来估算输出直流电压Uo。

桥式整流电容滤波时，计算输出电压平均值的经验公式为：

因而，负载电流为：

半波整流电容滤波时，计算输出电压平均值的经验公式为

空载时，因无放电回路，输出电压均为

需要注意的是，在上述电压的估算中，都没有考虑二极管的导通电压降及变压器次级线圈绕组的直流电阻。在设计直流电源时，当输出电压较低时，应该把上述因素考虑进去，否则实际结果与理论设计差别较大。

此外，负载的变化对输出电压uo的影响较大。RL越大，电容放电的时间常数越大，放电速度越慢，负载电压就越平滑；但当RL很小时，其输出电压的平均值就接近于电容滤波的整流输出电压值。电容的外特性如图1-31所示。该特性较软，表明电路带负载能力差，因此电容滤波电路仅适合用于负载电流较小（负载电阻RL较大），且负载不大的场合。

（3）整流元件和滤波元件的选择

1）整流元件的选择。由电容滤波的工作过程及波形可以看出，电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，导电角小于180°，使通过二极管的电流iD的峰值必然增大，称为浪涌电流或瞬时冲击电流。且电容C的容量越大，电容两端的充电电压建立越缓慢，冲击电流的瞬时峰值也越大。由于有了电容滤波后，整流滤波输出直流电压提高了，二极管的导电角却减小了，故整流管在短时间内降流过一个很大的冲击电流，这样容易损坏整流管，所以应选择IFM较大的整流二极管。一般选择二极管时使IFM满足下列条件：

桥式整流滤波电容滤波电路中，二极管所承受的最高反向电压是，因此选择二极管时，使。在半波整流电容滤波电路中，二极管承受的最大反向电压是；在全波整流电容滤波电路中，二极管承受的最大反向电压是。

2）滤波元件的选择。在负载一定的条件下，电容越大滤波效果越好，但流过二极管的冲击电流也越大。实际工作中，一般取电容的放电时间常数，式中：T为正弦交流电压周期。

则：

一般滤波电容取值较大（为几十至几千微法），故选用电解电容器，其耐压值一般应大于空载时输出电压的最大值，若再考虑电网电压的波动，电容的耐压值一般按下式取值：

例1-2某负载要求工作电压为30V，额定电流为200mA，采用单相桥式整流电容滤波电路供电。已知交流电源频率f=50Hz，试选择整流二极管和滤波电容。

解：（1）整流元件的选择：设桥式整流滤波电路输入变压器的次级线圈电压有效值为U2，桥式整流滤波输出电压为Uo，因为Uo=1.2U2

则

桥式整流滤波电路中，整流二极管的最大反向电压取值

又已知输出电流为Io=200 m A，则根据式（1-18），每个二极管的平均电流取值

根据以上计算，可选择四只2CZ54B型二极管，其IFM=0.5A, URM=50V。

（2）滤波元件的选择

根据式（1-19）取。

耐压值为：UCM=2×U2=2×25=50V。

2．电感滤波电路

在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感器L，如图1-32所示。利用电感对交流呈现较大的阻抗而对直流没有阻碍作用，从而在负载上得到比较平滑的直流。当忽略电感器L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻（不加电感）负载相同，即Uo=0.9U2。

电感滤波的特点是：整流管的导电角大（电感L上的自感电动势使整流管导电角增大），峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。

此外，为了进一步提高滤波效果，减小负载电压中的交流谐波分量（又称纹波），可在输出端再并接一个电容，组成LC型滤波电路或LC-Π型滤波电路，如图1-32所示。它在负载电流较大时或较小时均有较好的滤波特性，故LC型对负载的适应能力较强，特别适合用于电流变化较大的场合。LC型滤波电路的直流输出电压，如果忽略电感上的压降，其值也与纯电阻（不加电感）负载相同，即Uo=0.9U2。

1.2.6 串联型直流稳压电路

交流电通过整流滤波电路可以变换成平滑的直流电。但从各种整流滤波电路的外特性可知，当负载电流变动时，输出电压也随之有不同程度的变动。此外，当电网电压波动时，输出电压也随着波动。因此，为了使输出电压在电网电压波动、负载发生变化时基本保持稳定，必须在整流滤波之后加入稳压电路，才能组成直流稳压电源。

1．稳压电源的技术指标

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括电源的容量、电路允许的输入电压和输入电流、电路允许的输出电压及输出电流的等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些质量指标的定义可简述如下。

（1）稳压系数SV。稳压系数SV定义为在环境温度T（℃）与负载恒定条件下，输出电压Uo的相对变化量与输入电压Ui的相对变化量之比，即

稳压系数SV是衡量稳压电源质量的重要指标，在相同的输入电压变化和负载电流变化的条件下，电路的稳压系数SV越小，则电路的输出电压波动越小。

（2）输出电阻ro。输出电阻ro定义为在输入电压与环境温度恒定条件下，输出电压的变化量与输出电流变化量之比，即：

输出电阻是衡量直流稳压源当输出电流变化时输出电压稳定程度的重要指标。输出电阻越小，则负载变化时，电路的输出电压波动就越小。

（3）温度系数ST。温度系数ST为在规定温度范围内及输入电压、负载电阻均不发生变化时，单位温度变化引起的输出电压的变化量，即

温度系数ST是衡量电路在环境温度变化时电源的输出电压波动的程度，温度系数越小，则电源的质量越高。

（4）纹波电压Uoγ及纹波系数Sγ。

纹波电压Uoγ是叠加在直流电压之上的交流分量电压（即各次谐波电压）总的有效值。

纹波系数Sγ用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

纹波电压系数是用来衡量电源中交流成分的大小质量指标。纹波系数越小，则电源电压越平滑。

2．电路原理框图及工作原理

前面我们介绍了硅稳压管并联型稳压电路的工作原理，该电路结构简单，只能在一定负载范围内稳压，输出电流小，稳压性能较差，若要改变稳压值，必须更换稳压管。它只适用于小电流的局部电路中。如果要求输出电流大，稳压性能好，可以采用串联型稳压电路。

串联型稳压电路通常由调整元件、基准电压、取样网络、比较放大以及过载或短路保护、辅助电源等辅助环节组成，基本的原理框图如图1-33所示。

一般情况下，取样网络及过载或短路保护电路的电流比负载电流小得多，所以调整元件V的电流与负载电流Io近似相等，可将输入电压、调整管V与负载电阻RL看成串联连接关系，故称为串联型稳压电路。

（1）取样电路。取样电路通常由一个电阻分压器组成。通过取样电路获取输出电压的变化量，并将取样电压（FUo）信号反馈给比较放大器。为了使取样网络所流过的电流远小于额定负载电流，取样电路的电阻值应远远大于额定负载阻值。同时，为了使取样分压比F与比较电路无关，要求取样电阻远小于比较放大电路的输入电阻。因此，选择取样电阻时，应该考虑上述因素。

（2）基准电路。基准电压UREF通常由硅稳压管提供。如果基准电压本身不稳定，将直接影响稳压性能。

（3）比较放大电路。比较放大器可以是单管放大电路、差动放大电路或集成运算放大电路，要求有尽可能小的零点漂移和足够的放大倍数，出于此考虑，后两种放大电路组成的稳压电路性能比较好。

比较放大器的作用是将取样电压FUo与基准电压UREF的差值进行放大，然后用放大了的差值信号去控制调整管，使调整管的输出电压UCE作相应的变化，从而阻碍输出电压的变化趋势，使输出电压维持在变化前的数值。可见这是一个环路增益足够大的自动控制系统。

（4）调整管。串联型稳压电路的核心部分是调整管V组成的发射极输出器，负载作为发射极电阻，整流滤波电路的输出电压作为电源。射极输出器是电压串联负反馈电路，它本身就具有稳定输出电压的特点。调整管的工作点必须设置在放大区，才能使之起到电压调节作用。

串联型稳压电路的输出电压Uo是输入电压Ui与管压降UCE之差，即Uo=Ui-UCE。稳压电路的稳压过程为：由于输入电压或负载变化等原因而使输出电压Uo发生变化，这时通过取样电路获得取样电压FUo，取样电压FUo与基准电压U R E F比较后，由放大电路对其差值进行放大，所放大的差值信号对调整管进行负反馈控制，使其管压降UCE作相应的变化，从而将输出电压Uo拉回到接近变化前的数值。假设电网电压一定，负载电阻变化使输出电压Uo有增加趋势。

（5）保护电路。为了防止短路和长期过载，电路中一般设有能迅速反应的短路保护和限流保护电路。

3．串联型直流稳压电路

按图1-33所示的框图，可画出如图1-34所示的两种串联型稳压电路。

在图1-34（a）、（b）两个稳压电路中，基准电压都是由硅稳压电路提供，取样电路由分压电阻R1、R2、RP组成，调整管都是由三极管担任，所不同的是比较放大环节分别由单级放大电路、集成运算放大电路来担任。

下面以图1-34（a）为例具体分析稳压电路。

（1）稳压工作原理。当输入电压Ui或负载RL变化时，输出电压Uo将相应变化，其变化量经过R1、R2、RP分压取样后，送至调整管V1的基极并与基准电压U Z（稳压管的稳压值）比较，得到的取样电压差值UBE 2经过V2放大管放大后去控制调整管V1的管压降UCE 1，使之发生相应的变化，从而使Uo回到原来的值，保持输出电压的稳定。

同理，当Ui减小（或RL减小）时，该电路也能自动产生调整作用，不过在稳压过程中，各电量的变化趋势与上述过程相反，而结果仍将使Uo基本保持不变。

当比较放大电路放大倍数比较大（如使用运算放大器），即使Uo有微小的变化也能被放大并控制调整管的UCE1的变化，这样调整管的灵敏度、稳定精度更高。

（2）输出电压Uo的调节范围。调节电位器RP的滑动触头位置就可以改变输出电压Uo的大小。如果电路设计时能使比较放大器的基极电流IB2远远小于取样支路的电流，则

式中称为取样系数

则

输出电压的调节范围Uomin～Uomax为：

1）当RP的滑动触头位于最上端时：RA=R1, RB=RP+R2，取样系数F最大，等效于负反馈电压最强，则此时输出电压最小，即Uo=Uomin，且

2）当RP的滑动触头位于最下端时：RA=R1+RP, RB=R2，取样系数F最小，等效于负反馈电压最弱，则此时输出电压最大，即Uo=Uomax，且

3）最大负载电流额定值的估算。在输出电压稳定的条件下，电路可能向负载提供最大的额定电流Io m a x。在图1-34（a）中，输出电压Uo=V B 1-0.7V=（Ui-I4 R 4）-0.7V

要求输出电压稳定，意味着流过R4的电流I4必须稳定，而I4=IB1+IC1。当负载电流Io增大时，要求IB1≈Io/β1相应增大，为保持I4基本不变，V2的集电极电流IC2应相应减小。而IC2的减小是有限度的。当IC2≈0时，V2再无法控制V1管起调节作用，故IC2=0时，Io≈Io m ax，故

而

所以

从上式可以看出，输出端短路时输出电流最大，这时调整管通过的电流过大，容易烧坏调整管。为了防止短路和长期过载，电路中还应有能迅速反应的短路保护和限流保护。图1-35中是由Ro和V D组成二极管限流保护电路。选取适当的Ro值，在Io正常范围内，U B E 1+Io R o小于二极管VD的开启电压，二极管VD截止。当负载电流达到规定的限流保护整定值Ios时，Ro上的压降增加，使二极管VD导通，对IB 1产生分流，从而限制了负载电流继续增加。Io恢复正常后，VD又截止，电路也自动恢复正常。检测电阻R o的计算为

式中UD为二极管的导通电压。亦可用稳压二极管取代二极管VD。

（3）调整管的考虑。串联型稳压电路中，调整管承担了全部负载电流，为了考虑调整管的安全工作问题，一般调整管选用大功率晶体管。

1）对ICM的考虑。

调整管中流过的最大集电极电流为：

式中Io m ax为负载电流最大额定值，I＇为取样、比较放大和基准电源等环节所消耗的电流。

2）对PC M的考虑。调整管可能承受的最大集电极功耗：

PC max=U CE 1 maxIC1 max=（Ui max-Uo min）IC1 max

式中UI m a x为电网电压波动上升10 %时稳压电路的输入电压最大值，Uomin是稳压电源的最小额定输出电压，I C a m x=Io m ax+I＇，选管时要求：

PC max＞（Ui max-Uo min）（Io max+I＇）

3）对击穿电压U（BR）CEO的考虑。当输出短路时，输入最大电压Ui max全部加在调整管C、E间，所以

4）采用复合调整管。稳压电路工作时，要求调整管始终处于放大状态。通过该管的电流为负载电流，当负载电流较大时，调整管的基极电流也较大，靠放大器来推动时十分困难。与功率放大相似，可用复合管组成调整管，如图1-36所示。其中RE 2为分流电阻，用来减小穿透电流的影响。用硅管作复合管时，可不用分流电阻。

1.2.7 集成稳压电源

随着集成工艺的发展，现在已将调整管、比较放大电路、取样电路、基准电压电路、保护电路等做在一块芯片上，成为集成稳压器。它具有体积小、重量轻、安装调试方便、运行可靠和价格低廉等一系列优点，因而得到广泛的应用。目前集成稳压电源的规格种类繁多，按输出电压是否可调可分为固定式和可调式；按照输出电压的正、负极性可分为正稳压器和负稳压器；按照引出端子可分为三端和多端稳压器。

下面主要介绍几种三端集成稳压器。

1．三端固定输出集成稳压器

（1）三端固定式集成稳压器的外形及管脚排列。三端固定式集成稳压器的外形及管脚排列如图1-37所示。由于它只有输入、输出和公共地端三个端子，故称为三端稳压器。

（2）三端固定式集成稳压器的型号命名及其意义。三端固定式集成稳压器的型号命名的方法及其意义如下图1-38所示。

三端固定集成稳压器分正电压输出（78XX系列）、负电压输出（798XX系列）两大类。其输出电压有±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V。最大输出电流有8种规格：0.1A（78LXX系列）、0.25A（78DLXX系列）、0.3A（78NXX系列）、0.5A（78MXX系列）、1.5A（78XX系列）、3A（78TXX系列）、5A（78HXX系列）、10A（78PXX系列）。

（3）三端固定式集成稳压器的应用。

1）基本应用电路。三端集成稳压器的基本应用电路如图1-39所示。输出电压为稳压器固定标称值XX。正常工作时，Ui与Uo之间的电压差不得小于4V，否则稳压功能得不到保证。当稳压器与整流滤波电路之间的距离较远时，要接入电容Ci以抵消输入线路较长时所产生的电感效应，防止产生自激振荡，改善纹波输入电压。Co用于抑制电路中的高频噪声，改善输出的瞬态响应。图中C1为整流滤波电容。一般Ci和Co分别取值0.33μF和0.1μF。

2）提高输出电压电路。当所需电压高于三端集成稳压器的固定标称值电压时，可采用图1-40所示电路。在稳压器的公共端外接稳压二极管，则输出电压Uo为集成稳压器的输出电压标称值UX与稳压二极管稳压值UZ之和，即：

3）可调输出电压电路。图1-41中，调节电位器Rp就可以调节输出电压U o。因为I1=，则：

式中：UX为三端集成稳压器的标称电压，IW为三端集成稳压器的静态电流，一般为几毫安。由于实际器件的IW较大，且随负载和输入电压Ui变化，这些都影响Uo的稳定性，因此这种方法只适用于较小范围的电压调节。

4）扩大输出电流电路。当负载电流大于三端集成稳压器的输出电流时，可采用图1-42所示电路。为提高三端集成稳压器的输出电流能力，外加了一个PNP型功率管，输出电流为Io=IX+IC。其中，IX为三端集成稳压器的标称输出电流，IC为外接功率管的集电极电流，R为功率管V的基极偏置电阻。忽略稳压管的静态电流IW时。

则

可见输出电流增加了。根据式（1-37）可以计算出当扩大电流为Io时的R值。

（4）具有正、负电压输出的电路。图1-43所示电路可同时输出正、负两组大小相等、极性相反的电压，以适应大多数运算放大器需要。

2．三端输出可调式集成稳压器系列

三端输出可调式集成稳压器有输出为正电压的CW117、CW217、CW317系列和输出为负电压的CW137、CW237、CW337系列两大类。型号命名方法及其意义如下图1-44所示。

三端输出可调式集成稳压器克服了固定式稳压器输出电压不可调的缺点，继承了三端固定三端稳压器的诸多优点。

三端输出可调式集成稳压器CW117和CW137是一种悬浮式串联调整稳压器，它们的外行及管脚排列如图1-45所示。

三端输出可调式集成稳压器的主要参数如下。

输出电压连续可调范围：1.25～47V

最大输出电流：1.5A

调整端输出电流IA:50μA

输出端与调整端之间的基准电压UREF:1.25V

3．三端可调输出集成稳压器的应用电路

图1-46所示电路是其典型应用电路。图中Ci和Co的作用与在三端固定式稳压器电路中的作用相同，外接电阻R1和RP构成电压调整电路。为了保证稳压器空载时也能正常工作，要求R1上的电流不小于5 m A，故取R1=UREF/5=1.25/5=0.25k Ω，实际应用中R1取标称值240 Ω。忽略调整端的输出电流IA，则R 1与R P是串联关系，因此改变R P的大小即可调整输出电压Uo的大小。输出电压可表示如下。