串联型直流稳压电源基本原理

串联型直流稳压电源基本原理

一、 交流电和直流电：

1、两种电流的特点：大小和方向随时间变化的电流叫做交流电流；大小和方向恒定的电流叫做直流电流。

2、两种电流的应用：从发电厂输出的电流极大多数是交流电，这主要因为交流电到达用户端后其电压的大小容易通过变压器进行变换，以适应各种不同电器的需要。但是，有相当多的电器用的是直流电，所以我们又必须把交流电变换成直流电。这一过程就是变压、整流、滤波和稳压电路的任务。

历史上曾发生过一次交流电和直流电的激烈争论，在这场争论中败下阵来的是当时名声显赫的伟大发明家——爱迪生。（附录）

二、电源变压器：（略）

1、变压器的功能和种类

2、电源变压器的基本结构

3、使用电源变压器要注意的事项

三、整流电路和滤波电路：（略）

1、二极管的单向导电功能

2、半波整流、全波整流和桥式整流

3、注意事项

四、滤波电路：（略）

1、电容滤波

2、电感滤波

3、Γ型滤波

4、Π型滤波

五、直流稳压电路：

（一）基本原理：利用三极管工作在放大区时，其集电极与发射极之间电压Uce受到基极电流Ib控制的特性。以NPN型三极管为例，如图1：

IcIbbcUcee 图1

当Ib↑→Ic↑→Uce↓；反之，Ib↓→Ic↓→Uce↑

现在我们来分析串联型稳压电路的工作原理，图2：

Uce+RUiD-++Uz-RLUo-+- 图2

Ui—输入电压

Uo－输出电压

Uce－三极管C、E极电压降

Uz－基准电压

RL－负载电阻

分两种情况分析稳压过程：

（1）当输入电压Ui波动而负载不变时：

Ui↑→Uo↑→Ube（＝Uz－Uo）↓→Ic↓→Uce↑→Uo↓

如果输入电压Ui下降，可以同样分析。但最后结论时一样的：得到反相补賞，使输出电压稳定。

（2）当输入电压Ui不变而负载变化时：

RL↓→Uo↓→Ib↑→Uce↓→Uo↑

反之，当负载电阻RL变大时，也会使输出电压因反相补賞而稳定。

（二）串联型稳压电源的改进：

上述的简单串联型稳压电路虽能在一定程度上稳定输出电压，但是当输出电压变化较小时，如果用它直接去控制调整管的基极，对调整管的控制作用就不明显，稳压效果也不理想。为了提高稳压效果，通常采用具有放大环节的串联型稳压电路，组成框图如图3：

调整管交流输入整流滤波比较放大取样电路RL基准电压 图3

图4是我们制作的稳压电路原理图

R15.1BG2 8050R3330R2D1～D41K WBG19014LEDC1470uF/16V1KC2220uF稳 压 电 源 电 路 图 图4

T－电源变压器

D1～D4－桥式整流电路

R1－输出短路保护电阻

R2－基准电压限流电阻兼调整管偏流电阻和放大三极管BG1集电极负载电阻

BG1－取样电压放大

BG2－调整管

W－取样电位器

C1、C2－滤波电容

现在看一个稳压电路工作的例子：

如果输入电压变小，即Ui↓，这时输出电压Uo也会下降；电位器W取得的电压也下降，导致BG1基极电位下降，而BG1的发射极E因为LED关系有一个比较稳定的电位，这样Ube变小，Ib也变小。Ib变小的结果使R2两端电压降变小，使BG1的集电极电位升高，也就是使BG2的基极电位升高，导致BG2的集电极电流增加，使Uce电压变小，从而使输出电压升高，补賞下降的趋势，维持输出电压稳定。

文中黑体字显示了分析稳压过程的关键词，抓住这几个关键点，就容易分析其它情况。

附录

直流电与交流电的交锋

——爱迪生反对过交流电，但他永远不失为一位伟大的发明家

在1880与1890年之间，爱迪生从名人成了名家，在80年代中期以前，爱迪生处于将电力设想化为现实的领导人物地位没有受到任何挑战。在爱迪生年满40，即1887年，有人提出了以交流电取代直流电的设想，而在交流电是否可行的问题上，爱迪生倾向于采用直流电，固执己见，他所表现出的保守和顽固，不亚于那些讥笑电灯可以取代煤气灯的人们。

但是，直流系统从诞生那天起就存在着它的缺点。爱迪生的第一批发电厂是用直流电输送电力的，由于功率在电线摩擦中迅速损耗掉，以致发电厂输送电力的距离最远不超过一英里。如果这种状况继续下去，那

么除了大城市外，别的地方也许就得不到电力。此外，采用直流电输送的电力得把电压局限在250伏之内，如果超过这一标准就会烧毁灯丝，或危及用户的安全。于是人们设想：能不能将电压提高，以利于远距离输电，然后在输入用户或工厂之前，再将电压降下来。

如果用直流电，这一点就无法实现。但是用交流电，它就可以沿一个方向前进，达到高峰时就调转方向，再达到高峰时，又调转方向，每秒钟调换多次方向，就为改变电压提供了条件。自19世纪80年代初期，人们就在这方面做过多次尝试，但都遇到了障碍。1885年由英国工程师C．H．菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建造在离伦敦12公里的捷伯特弗尔得。发电机的功率为1000瓦，电压高达2500伏。俄罗斯最大的交流单相发电站是1894年建成的，功率为800千瓦。单相交流发电站同直流电站相比，功率得到提高，供电范围是扩大了，但它使输电工程变得复杂化，因而阻碍了此类电站的进一步发展。爱迪生在采用交流电的问题上，持顽固保守态度，并不是他预见到将要遇上什么困难，而是因为他已经建立起了自己的直流系统而不愿意再改变它，而且他也没有发现交流电系统为输电带来的节约因素。

除此之外，还有人的因素。乔治·威斯汀豪斯系统是依据出生在奥匈帝国克罗地亚的尼古拉·蒂斯拉的技术原理研制问世的。巴切勒在法国“发现”了蒂斯拉，说服他到美国为爱迪生工作。蒂斯拉和爱迪生见面时，爱迪生已是世界上出名的伟人了，而小爱迪生几岁的蒂斯拉还是默默无闻。他们两人之间存在分歧，爱迪生注重实践，是位凭经验在摸索中进行发明的人，蒂斯拉是那种注重理论的人；蒂斯拉坚信：交流电终有一天会使供电范围更广，成本更低。爱迪生对这种设想则不屑一顾，不愿做认真考虑。如果这两人能友好合作坦诚相见的话，那么历史恐怕要改写了。但史实却是，不久他俩就分道扬镳了。事情起源于一件小事。

有一次，蒂斯拉同爱迪生谈论起发电机的几种潜在的改革可能，爱迪生无意中说：“如果你能做成，付你5万美元。”蒂斯拉用几个月的时间对发电机进行改革试验，他把改革后的附件装入发电机，试车完全成功。当他向爱迪生索取5万美元时，爱迪生却回答说： “蒂斯拉，你不知道我们美国人爱开玩笑吗？”

蒂斯拉认为自己受骗了，于是当场辞职。一般来说，爱迪生说话是算数的。这次爱迪生拒绝付钱给蒂斯拉，并非爱迪生吝啬，而是因为两人之间很少交流思想所致。这一事件后来影响到爱迪生的事业。由于此事，蒂斯拉一直对爱迪生耿耿于怀。1912年，蒂斯拉被授予诺贝尔物理学奖金。但是，当他得知将与爱迪生一起分享这一荣誉时，他表示不接受授奖，这样奖金便转发给了瑞典物理学家尼尔斯·古斯塔夫·达伦。

离开爱迪生之后，蒂斯拉得到了乔治·威斯汀豪斯的支持，终于将交流电引向实际应用。乔治·威斯汀豪斯(GeorgeWestinghouse ．Jr ．)靠发明了火车使用的气闸(1869年)和铁路信号系统(1882年)发财之后，在匹兹堡的住宅区买下一座大房子，又碰巧在这份地产内部发现了天然气。他设法安全地控制这种气体并利用它取暖和照明，由之创造出来约30个专利项目。威斯汀豪斯随后又投身于研究电的潜力。在这问题上他与爱迪生发生了冲突。

威斯汀豪斯精通电流知识，懂得利用电流强度和电压的不同组合可以提供一定的功率，而且某几个组合方法能使功率在一定距离内的损耗比另一些组合方法少得多。利用新近在欧洲发明的变压器，他调节电线上的电流以减少功率损耗，而在供应生产用电或家庭用电时，保持适当的电压。这个系统节约了大量电流，因此相应地节约了它生产电流所需要的大量基本设备。但是为了使变压器起作用，需要由直流电变为交流电的转换器。于是爱迪生系统和威斯汀豪斯系统之间爆发了一场“电流战”。

1888年，蒂斯拉成功地建成了一个交流电电力传送系统。他设计的发电机比直流发电机简单、灵便，而他的变压器又解决了长途送电中的固有问题。利用变压器，可将输入线路的电压提高，在送入家庭用户或工厂之前，再把电压降下来。

爱迪生未能及时意识到面临的危机。当他发现了这一点时，双方已经开始交锋了。爱迪生意识到，交流电可以降低成本，这是无疑的，从经济角度来攻击交流电，势必要以失败告终。于是，他就在交流电的其他

方面做文章。他认识到，在19世纪的最后一段时间里，公众对电力怀有畏惧之感：电力虽然可为人类带来利益，但它也是杀人犯。所以，宣传高压的危险，是搅乱公众头脑最有效的办法。

于是，他发行了一本题为《当心》的小册子，书中详细地列举了交流电的所谓种种危险，并把交流电的使用令人难以置信地描述为“枉费心机”。

爱迪生还在《北美周刊》发表了一篇题为《电灯之危险》的文章，攻击交流电的使用。他说：“与我保持联系的一家电灯公司前些时候购下了一整套交流电系统的专利。对此，我表示抗议，内容都记在了公司的备忘录上。迄今，我已成功地说服他们不向公众推广这种系统，今天即使是我同意推广，他们也不会这样做。”

除了在舆论上压倒对方以外，为了证明他的论点，他用交流电杀死了一些无主的猫狗，并在纽约市装置电椅时鼓励采用交流电。威斯汀豪斯针锋相对，撰文捍卫交流电的长处。除了在杂志、刊物上进行论战以外，双方都进行了大量的政治游说。爱迪生利益集团支持一项动议，将电压限制在800伏特之内，以此束缚交流电的有效使用，并且又不妨碍他们自己的利益。为此，1888年夏，威斯汀豪斯准备起诉。他在7月11日写道：“我们是否要起诉爱迪生、约翰逊和其他几个人——指控他们在纽约法律上搞阴谋，这是个值得严肃考虑的问题。对于他们这种肆无忌惮的行为，必须追究法律责任，事情才能在某种程度上了结。”

爱迪生听说威斯汀豪斯准备起诉他，气愤之极。这时他们两人的朋友维拉德劝爱迪生去拜访威斯汀豪斯，爱迪生回答道：“我对他的经济实力十分清楚，他最近的经营方法如此猖狂，我认为他不是发了横财，就是被我所不知道的什么东西冲昏了头脑。岂不知他是乘着风筝飘摇，早晚会一头就到泥潭中去。”

交流电最终取得了胜利。但在斗争过程中交流电利益集团也受到了对方的沉重打击。爱迪生和他的几个帮手英索尔、约翰逊、哈罗德、P．布朗通过推销电刑椅来破坏交流电的声誉。1889年5月布朗购下了3台威斯汀豪斯交流发电机，未告诉卖方他将把这几台发电机转卖给监狱方面。一年之后，奥本州立监狱、星星

监狱和克林顿监狱决定使用电椅执行死刑。1890年8月6日，威廉·凯姆勒以杀人罪在奥本坐上交流电椅死去。从此，交流电在许多人的心目中引起了恐惧，便成了死神的同义语。

他的这种实验倒是十分有力的。但交流电一方所遭受的挫折只是暂时的，在其后的几年里，交流电的发展和应用迅速扩大，它逐渐地占领了用户市场。虽然到1903年，爱迪生本人还在愤愤不平地说：“为什么大家都争先恐后地使用交流电”，可是在此之前，爱迪生公司的中心发电站和长途送电系统使用的也是交流电，而直流电系统只保留在局部输电网的供电装置上。

实践证明，交流电具备很多优点。交流电动机结构比较简单，重量较轻，而且供电稳定，还可以调离或调低，能够实行远距离送电。十几年后法国的斯泰因梅茨在坚实的数学基础上创立了交流电理论，使交流电成为主要输电方式。远距离输电方法的产生和运用，为工业电气化解决了电力的供应问题。从此，从城市到农村，从平原到山区，都可以得到电的供应，电气化的时代开始。

从19世纪80年代初到该世纪末，爱迪生完成了自己公司的改组，这为他的事业带来了新的变化。1881和1882年两年建起的一系列独立经营的公司，为珍珠街电厂和其后建立的电厂提供了各种设备。此后，在一次运动中，爱迪生终于再次控制了爱迪生电灯公司。1883年8月4日《电力世界》发表了他的看法，有了控制权以后，我就能“把住这一系统，比任何人都更有效地将它向前推进”。但是，成功的迹象还未及显露出来，这一“系统”就已经扩展成一项巨大的工业，它的财政、管理问题之复杂，单靠发明家已不能胜任，还要依靠律师、金融家和推销商们的共同努力。爱迪生十分清楚地看到了这种重点的转移，于是在他的倡导下，各公司进行了合并，最后于1888年建起了一个统一的爱迪生通用电气公司。

随着爱迪生通用电气公司的成立，爱迪生将由他资助创建的新型工业的控制权大部都移交给了他人。他所得到的报酬就是现金和时间，这些金钱和时间就可用来进行各类发明和试验。特别是他想在留声机的改进、

“有声电影”的研究以及将使他大大亏本的完善粉矿厂等方面再作些探索。

在试验工作进行的过程中，他得到了一伙能干的助手们的帮助，并从这些领域里获得了他人的经验。因此他成为发明行列中的一员，而不是单枪匹马的发明家。这位发明家的早期作用，已经由于技术的迅猛发展而变为过去。今天必须以多种技艺的相互配合和不同的甚至是互不联系的研究手段的开发作为成功的基础，这也正是爱迪生创建“发明工厂”的原因。因此与早期从事电报研究时期相比，爱迪生此时的地位，已由一个单枪匹马的吹鼓手，转变为一个乐队的总指挥了。他这个乐队指挥的才能在探索电影中得到了充分的发挥。