電源可謂是所有電路的基礎，無(wú)論是我們的DIY項目還是商品的應用，都需要用到各種各樣的電源。例如手機充電器，電腦電源適配器，智能家電，LED燈等等，這些設備中都含有給它們供給能源的電源電路，而這些所有能量的來(lái)源，實(shí)際上都來(lái)自每個(gè)家庭都有的220V交流電。
通過(guò)一系列諸如變壓、整流、濾波等手段之后，220V正弦交流電就可以被變化成各種不同的電壓大小。完成這一系列的電路，就稱(chēng)其為電源電路。
現在我就會(huì )從最初的220V50Hz正弦交流電開(kāi)始，一步一步講解如何將其處理成我們需要的
家里插座中的輸出的電電壓為220V交流電，頻率為50Hz。其中頻率代表了家用市電每秒改變方向50*2=100次，因為正弦函數每個(gè)周期內改變方向2次，下面是一張50Hz220V正弦交流電的圖像：
可能有人會(huì )問(wèn)為什么這里函數頂端值是220√2而不是220，這是因為平常我們說(shuō)多少伏的交流電說(shuō)的都是他的有效值，而不是交流電的最大值（峰值）。至于為什么一個(gè)有效值為220V的正弦交流電它的峰值是220*√2，這里面涉及到一些數學(xué)計算，我在這里不多講解，各位記住這個(gè)關(guān)系就好。
各種家電以及電源適配器都需要輸出直流電源，而直流電有著(zhù)不變的電壓方向，所以我們需要一系列手段來(lái)將其變化成直流。
首先，對于一個(gè)峰值近220*√2=311V的交流電來(lái)說(shuō)，如何 將他變化到我們想要的電壓，是我需要解決的第一個(gè)問(wèn)題。
變壓器是一種變化設備，他可以將峰值近311V的家用交流電變化到一個(gè)適合我們使用的電壓大小。它的原理其實(shí)比較簡(jiǎn)單，利用電磁感應的原理，不斷變化方向的電壓以及電流在鐵芯里面引起變化的磁通量，然后通過(guò)控制線(xiàn)圈的匝數來(lái)控制輸出端的電壓大小。
那么使用了變壓器之后，我就得到了有效值較低的交流電。那么問(wèn)題來(lái)了，既然是交流電，它的大小、電壓、電流方向都是不斷變化。但是我們期望的直流電電壓方向是不變的，所以我需要一個(gè)東西將交流電的方向固定下來(lái)，成為方向不變的。
說(shuō)到整流橋，還得先從二極管開(kāi)始說(shuō)起。二極管相信大多數人聽(tīng)起來(lái)都不陌生，它具有獨特的性質(zhì)——單向導電性。如圖所示，當它的陽(yáng)極電壓比陰極電壓高出一定電壓的時(shí)候，他就類(lèi)似于一根普通的導線(xiàn)，電流可以通過(guò)。但是當反過(guò)來(lái)的時(shí)候，就相當于電路在這個(gè)位置斷開(kāi)了，電流也就無(wú)法通過(guò)了。
利用這個(gè)特性，我就可以簡(jiǎn)單的將一個(gè)二極管鏈接到變壓器的輸出了。
那么可以想象到輸出電壓的函數圖像如下：
可以看到，當鏈接二極管之后，由于單向導電性，它阻斷了一部分電壓。原來(lái)負半周部分被削去了，只留下了正半周部分，那么現在電壓的方向恒定不變了，我成功將交流變換到了直流。
但是轉念一想發(fā)現，這個(gè)電路效率存在問(wèn)題，太多的能源被浪費了。整個(gè)負半周電壓的能源全被浪費了，我們需要效率更高的方法。如下圖所示：
那么通過(guò)這個(gè)電路，我們可以畫(huà)出其電流的流動(dòng)方向，當交流輸入上正下負的時(shí)候
當交流輸入端下正上負的時(shí)候，輸出端電流流動(dòng)方向依然不變
可得函數圖像是這樣的
和剛才只用一個(gè)二極管相比，整效的個(gè)負半周的能源也被轉換到了正半周，這樣我得到了效率較高的交流變直流電路。
那么這種像波浪一樣的直流電，我們稱(chēng)之為脈動(dòng)直流，與直流不同的是，他的電壓大小會(huì )不斷變化。那么對于一些我們常用的項目來(lái)說(shuō)，這種像波浪的直流電信號，并不適合我們使用，容易對一些要求穩定電源的設備造成較大干擾。所以我們需要將其進(jìn)行處理，使其變得平滑。
既然想要將脈動(dòng)直流電變的平滑，那么我們需要在電壓處于較低值的時(shí)候，主動(dòng)填補這個(gè)空缺，使其平滑一些，這樣一來(lái)，我們需要一個(gè)存儲能量的元件，在電壓處于較低值的時(shí)候輸出能量，使得輸出端電壓盡量不變。
電容就是這么一個(gè)元件，它可以存儲能量并釋放出來(lái)，所以在原來(lái)的電路中的輸出端并聯(lián)上電容：
這樣一來(lái)，通電之后，輸出端電壓是這樣的：
電容的確起到了一些作用，在脈動(dòng)電壓較低的時(shí)候輸出了很多能量，將輸出平滑到了一個(gè)可以接受的范圍。
所以電容不斷的充電與放電之間切換，如下圖所示
當脈動(dòng)電壓上升的時(shí)候，他會(huì )給電容充電，電容電壓隨之上升，當脈動(dòng)電壓較低的時(shí)候，電容放電，向負載輸出能量。
所以將交流電轉換成直流電經(jīng)過(guò)上述的幾個(gè)步驟，就得到了較為平滑的直流電，總體電路圖如下。
但是還是存在一些問(wèn)題，當輸出端接上一個(gè)較大的負載的時(shí)候（需要輸出大電流），由于電容存儲能量有限，在脈動(dòng)直流電壓很低的時(shí)候，負載很快將電容中存儲的能量消耗完畢，從而導致電容上的電壓會(huì )在短時(shí)間急劇下降。（在不同負載下，電腦仿真波形如下）
所以在大負載下，這個(gè)電容的濾波作用將會(huì )減弱很多，導致輸出電壓中的紋波變多，導致輸出平均電壓有所下降，可以由電腦仿真結果看出：
當負載為2KΩ的時(shí)候，輸出電壓4.289V
而當輸出負載變?yōu)?00Ω的時(shí)候，輸出電壓下降到3.34V
這個(gè)例子說(shuō)明我的電路不適合日常使用，對于不同負載下不能很好的穩定輸出電壓，而日常使用的時(shí)候負載大多數是變化的，所以我們需要穩定電壓來(lái)保證用電器的穩定工作。
在上述的電路中，可以看到輸出的電壓還是有一些紋波的，特別是在大負載的時(shí)候。尤其對于一些動(dòng)態(tài)負載的應用環(huán)境，輸出電流可能變化很大，所以使用我上面繪制的電路會(huì )造成整體系統在大電流工作的時(shí)候不穩定。因此我們需要不論在何種大小的負載下，都可以輸出穩定不變、完美平滑波形的電源電路。
線(xiàn)性穩壓便可以解決這個(gè)問(wèn)題，下面給出線(xiàn)性穩壓器的結構圖
可以看到從濾波器往右便是線(xiàn)性穩壓器的主要結構，主要有4部分組成。鑒于剛才我設計的電路在大負載下存在不平滑的現象，線(xiàn)性穩壓器引入一個(gè)取樣電路，這樣一來(lái)，如果電路檢測到負載上的電壓有下降的情況的時(shí)候，那么整體電路會(huì )自動(dòng)的提高輸出電壓以彌補負載上缺少的電壓，這種反饋使得負載端得到了更加穩定的輸出電壓。
在取樣電路取得當前負載端的電壓之后，將會(huì )把這個(gè)電壓送到比較電路中，比較電路將會(huì )把取樣電路取得的電壓和設定（期望）的電壓進(jìn)行比較，如果少了就增加輸出電壓，多了就減少輸出電壓。
大家可以發(fā)現線(xiàn)性穩壓器是連接在整流橋之后的，所以它的輸入是直流電，輸出仍然是直流電。它起著(zhù)一個(gè)調節電壓的作用，對于變化的負載，它可以保證輸出電壓不隨著(zhù)負載的變化而變化以及最大化減少輸出電壓的波動(dòng)。
線(xiàn)性穩壓器內部的電路較為復雜，我不詳細說(shuō)明，只是提及一下線(xiàn)性穩壓器電壓調節電路中較為核心的調節管的功用：
可以看到圖片中調整管的類(lèi)型是三極管，它串聯(lián)在由輸入端（左側）和輸出端（右側）之間，因此輸出端電壓和輸入端電壓之間的電壓差就會(huì )全部來(lái)自于調整管，通過(guò)改變調整管上的電壓，便可以改變輸出電壓。因此工作在線(xiàn)性區的三極管可以很方便的通過(guò)改變其自身的電壓，來(lái)達到調整輸出端電壓的目的。
因此線(xiàn)性穩壓是一種降壓的手段，將直流電降壓并且可以穩定的輸出。下面我使用電腦仿真結果來(lái)給大家展示線(xiàn)性穩壓的功用：
負載2KΩ時(shí)候，輸出電壓近5V
負載500Ω的時(shí)候，輸出電壓維持在5V左右
其中TL431是一個(gè)精密的穩壓源，它提供了如前面線(xiàn)性穩壓的結構圖中參考電壓以及比較放大電路的功用，通過(guò)輸出端輸入的反饋信號，可以改變通過(guò)它（TL431）電流的大小，從而控制三極管?？梢钥吹郊词闺娮栌?k歐姆下降到500歐姆，輸出電壓仍然不會(huì )存在太多變化，說(shuō)明這個(gè)電源的輸出能力較強，即使是不同負載下，它依然可以維持輸出電壓的穩定。同樣的輸出波形也變的很平滑。
那么，是否線(xiàn)性穩壓就是我們需要的理想穩壓器呢？再次考慮到線(xiàn)性穩壓器的結構圖，之前我提到過(guò)線(xiàn)性穩壓器中調整管是工作在線(xiàn)性區的，根據三極管特性曲線(xiàn)
工作在放大區的三極管，集電極和發(fā)射極上會(huì )存在一個(gè)不可忽視的壓降Uce，如圖中橫坐標所示。所以我們可以測量一下三極管上的壓降
可以看到三極管上有一定的壓降，根據此時(shí)輸出電壓約為5V計算
反觀(guān)三極管上的電壓為2.344V，通過(guò)三極管電流為10.252mA來(lái)看
接著(zhù)我再次測量了這個(gè)線(xiàn)性穩壓電路的輸入電壓與電流
依據這個(gè)數據，我們可以計算出
那么我們可以大概算出這個(gè)穩壓電路的效率如何：
可以看到我精心設計的電路效率居然如此之低，造成這個(gè)電路效率低下的罪魁禍首就是這只三極管上耗費了近24mW的功率。這些功率并沒(méi)有輸出給負載，而是全部消耗在三極管上，發(fā)熱并且導致效率較低。
那么，如果我提高輸入電壓，又會(huì )發(fā)生什么呢？
注意我改變了變壓器線(xiàn)圈匝數比，將輸入電壓提高至12V左右
而輸出功率仍然不變，因此穩壓器效率變?yōu)椋?/p>
真令人驚嘆，現在效率居然只有24.8%了！其實(shí)仔細想想原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，增加輸入電壓并不會(huì )改變輸出電壓大小，所以增加的電壓全部被加在三極管上，這就導致了三極管上消耗的功率更大了，導致效率更低了！所以這里總結出一個(gè)常識：
所以在使用線(xiàn)性穩壓器的時(shí)候，一定要盡量縮小輸入電壓與輸出電壓的差，但是不可小于穩壓器數據手冊中推薦的最小值，當輸入輸出電壓差小于一定值的時(shí)候，調整管將無(wú)法工作在線(xiàn)性區，也就不具備調整輸出電壓的功能。
因此，為了實(shí)現更低的輸入輸出壓降，人們改進(jìn)傳統線(xiàn)性穩壓器，開(kāi)發(fā)出了低壓差線(xiàn)性穩壓器（LDO）。這種穩壓器的特點(diǎn)就是可以在輸入輸出電壓差極小的情況下工作，也有更好的效率以及更少的發(fā)熱。
普通線(xiàn)性穩壓器的弊端是發(fā)熱以及效率問(wèn)題，因此常見(jiàn)的線(xiàn)性穩壓器都推薦加裝散熱片使用，如78系列的線(xiàn)性穩壓，可以看見(jiàn)網(wǎng)上售賣(mài)的這種線(xiàn)性穩壓模塊都會(huì )裝配散熱片。
的確，發(fā)熱和效率較低確實(shí)是線(xiàn)性穩壓器的不足。但是線(xiàn)性穩壓器也有它的好處，就是輸出紋波小，非常平穩，從上面的電腦仿真結果也可以看出來(lái)。并且得益于半導體工業(yè)的發(fā)展，現在線(xiàn)性穩壓器可以集成到很小的一塊芯片里面，并且富有許多保護措施例如：過(guò)壓過(guò)流保護，短路保護，過(guò)熱保護等等。再加之如今LDO低壓差穩壓器的廣泛使用，線(xiàn)性穩壓器越來(lái)越多的被應用在微電子電路中，給一系列微控制器等元件提供平穩的電壓輸出。
這篇文章我講解了一種常見(jiàn)的交流變直流的轉換電路，并且詳細的分析了各個(gè)電路元件的功能以及他們對電路的影響。最后提到了可以穩定輸出的線(xiàn)性穩壓器電路以及它的優(yōu)缺點(diǎn)。當然這并不能代表電源電路眾多的種類(lèi)，下一個(gè)文章我會(huì )講解另一種效率更高的電源方案。感謝閱讀我的文章
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