电源基础知识 01
绪言
电子工程师说“电源”，通常是指为他们所设计和制造的电子设备供电的那部分电路，其实他们心目中的“电源”也是电子设备的一种。
从物理角度看，所谓“电源”，是指其它形式的能量转化成电能的装置，例如机械能转化成电能的装置(称为发电机)，化学能转化成电能的装置(称为电池)，热能转化成电能的装置(热电偶)，等等。这些其它形式的能量转化成电能的装置，往往称为一次电源。相对于一次电源，将某种形式电能转化成另一种形式电能的设备，往往称为二次电源。所以，电子工程师心目中的电源，往往是指二次电源。
对供电质量要求不太高的电子设备，为节省成本，往往直接使用发电机、电池等来为电子设备供电。例如便携式收音机通常直接用电池供电，二战时期的军用收发报机用手摇发电机直接供电。
不过，随着电子设备性能的提高，对电子设备供电的要求也在提高，直接用一次电源供电往往不能满足要求——电池用旧了两端电压就要降低，交流市电电压也不够稳定。这就必须使用二次电源，以提高对日益精密的电子设备供电的质量。这些为提高供电质量而设计的二次电源，是我们讨论的主题。本文以后所说“电源”均指为提高供电质量的二次电源。
所谓“提高供电质量”，无非是电源电压或者电流不受一次电源变化和负载变化的影响，能够保持稳定。由此立即可以分出两类：一类是稳压输出的电源，另一类是稳流输出的电源。稳压电源在电子设备中使用较多，稳流电源使用较少。我们主要讨论稳压电源，对稳流电源只是稍加介绍。
无论是稳压电源还是稳流电源，均有线性和开关两种控制方式。在集成电路发展的早期，线性稳压电源是主流。但随着集成电路技术的发展，如今开关稳压电源已经成为主流。本《电源基础知识》以讨论开关稳压电源的工作为主，对线性稳压电源只是稍加介绍。
线性稳压电源
线性稳压电源又有两种，一种是串联线性稳压电源，另一种是并联线性稳压电源。
图(01)
图(01)是串联线性稳压电源工作原理。图中与负载串联了一个可变电阻Rx。
如果我们能够在负载Rload两端电压Uo低于额定值时减小可变电阻Rx，显然负载两端电压Uo会升高；反过来负载两端电压高于额定值时增加可变电阻Rx，显然负载两端电压Uo会降低。这个调整过程应该进行到负载两端电压Uo回到额定值为止。
实际上我们当然无法手动调整可变电阻去稳定负载两端电压，和电的变化速度相比较，人的动作速度太慢了。但是我们可以用电的方法来调整。
图(02)
图(02)就是用电的方法来调整负载两端电压Uo的示意图。我们看到：负载Rload两端电压Uo经电阻R1和R2分压后接到放大器A的反相输入端，而放大器的同相输入端接了一个电压基准Us。负载两端电压Uo经分压后为UoR2/(R1+R2)。如果UoR2/(R1+R2)大于Us，放大器输出降低，三极管(或者场效应管)T趋于截止(也就相当于前图中可变电阻Rx变大)，这将使负载两端电压Uo降低。如果UoR2/(R1+R2)小于Us，放大器输出升高，三极管T趋于导通(也就相当于前图中可变电阻Rx变小)，这将使负载两端电压Uo降低。无论是哪一种情况，最终都将使负载两端电压恢复到稳定值，即UoR2/(R1+R2)等于Us的状态。
三极管T与负载串联，所以这种电路称为串联线性稳压电源。
这类串联线性稳压电源已经集成化，比较典型的芯片型号是78XX系列和79XX系列。
如果电阻R1和R2分压比可调，或者基准电压Us可调，那么这就是一个可调输出的线性稳压电源。这类可调输出电压的线性稳压电源也已经集成化，典型型号是LM317和LM337。
图(03)
我们把图(02)改画成图(03)，两图仅放大器符号左右相反。对负反馈放大电路比较熟悉的网友能够看出图(03)电路实际上就是一个负反馈放大器，其输入信号就是基准电压Us，其输出是Uo。这个负反馈放大器是由放大器A和三极管T级联而成，级联后仍然是一个放大器。但和普通负反馈放大器稍有不一样的地方是：这种线性稳压电源只需要输出单向电流，而普通负反馈放大器则往往要求输出端两个方向上都可以输出电流(输出端可以流出电流，也可以流入电流)。在图(02)或者图(03)中，由于正常工作时电流必定是从三极管T的发射极流出而不能流入，所以是个输出为单向的负反馈放大器。其输出电压可以对电源电压Ui变化和负载Rload变化均实现稳定，完全是由于负反馈的作用。
图(04)
图(04) 是并联线性稳压电源工作原理。图中与负载并联了一个可变电阻Rx，同时在输入电路中又串联了一个电阻R。
如果我们能够在负载Rload两端电压Uo低于额定值时增加可变电阻Rx，因为Rx分去的电流减小，显然负载两端电压Uo会升高；反过来负载两端电压高于额定值时减少可变电阻Rx，显然负载两端电压Uo会降低。这个调整过程应该进行到负载两端电压Uo回到额定值为止。
图(05)
同样我们无法手动调整可变电阻去稳定负载两端电压，只能通过电的方法来实现。图(05)就是用电的方法来调整负载两端电压Uo的示意图。
如果负载两端电压Uo经R1和R2分压后高于基准电压Us，那么放大器A输出变高，三极管T趋于导通流过更大电流，相当于前图中Rx减小，对负载的分流增加，Uo将降低。如果负载两端电压Uo经R1和R2分压后小于Us，那么放大器A输出变低，三极管T趋于截止，相当于前图中Rx增加，对负载的分流减少，Uo将升高。无论是哪一种情况，最终都将使负载两端电压恢复到稳定值，即UoR2/(R1+R2)等于Us的状态。
此图和图(03)很相似，不同之处仅仅是三极管T不是与负载串联而是与负载并联。所以这种稳压电路称为并联线性稳压电路。
图(05)仍然是个负反馈放大器，其输入信号就是基准电压Us，其输出是Uo。和图(03)一样，此放大器(A和T级联而成)只需要单向输出电流。和图(03)不同之处是：图(03)由三极管T的发射极输出，图(05)由三极管T的集电极输出。所以图(03)基准电压Us接在放大器A的同相输入端，而图(05)基准电压Us接在放大器A的反相输入端。
这类并联线性稳压电源也已经集成化，比较典型的芯片型号是TL431(分压电阻R1和R2外接)。TL431功率较小，输出电压受温度影响也较小，通常是作为输出可调的电压基准使用。
串联线性稳压电路和并联线性稳压电路都只能产生比输入电压低一些的稳定电压，这是两种稳压电路的共同点。另一个共同点是效率不高，因为这两种稳压电路都是靠损耗掉一部分输入电压来实现稳压的。但串联线性稳压电路轻载(负载电阻较大)时调整管发热较少，并联线性稳压电路却是重载(负载电阻较小)时调整管发热较少。
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