在串联型稳压电路中,常常接有若干只不同容量的电容器,见附图。由于这些电容器在电路中所处的位置不同,故它们所起的作用也不相同。只有清楚地了解它们的用途以后,才能在电路设计和调试中正确地选用它们。下面我们就分别说明它们的作用。

电容器C\(_{1}\)是整流电路的滤波电容,它与整流电路(包括变压器和整流二极管的内阻R)组成RC滤波电路,其滤波效果与时间常数RC1成比例。因此为得到较好的滤波效果减小稳压电源的输出交流纹波,C\(_{1}\)应取较大的容量。因电源交流纹波随负载电流的增大而增大,故在大电流稳压电源中,C1的数值要选得更大一些。在一般的输出电流小于300mA的小型录音机、收音机用电源中,C\(_{1}\)有几百微法也就够用了。不过在C1的两端仍能测量到约有几百毫伏的锯齿形交流纹波电压,这可通过稳压电路进一步将其抑制掉。
接在电源输出端的电容器C\(_{2}\)又是干什么用的呢?有的同志把它理解为第二级滤波电容,并认为C2的容量越大则滤波效果越好,为此有些稳压电路的设计选用了相当大的容量。但实际上C\(_{2}\)的大小却与电源输出端的交流纹波毫不相干。虽然整流滤波电路输出端的几百毫伏纹波电压经过稳压电路后,其输出端的交流分量被成百倍地衰减。即使对附图所示的简单稳压电路,其输出纹波也能减小到几毫伏。但这并不是C2的功劳,而是受益于电路的稳压作用。因为对稳压电路来说,输入端的交流纹波也是输入端的一种不稳定因素,经电路稳压后锯齿形波动同样可被抑制,抑制效果的好坏取决于电路的稳压能力,而与C\(_{2}\)的大小无关。不管C2的值是上千微法,或仅有几个甚至零点几微法,实测电源输出端的交流纹波值是相同的。因而从减小稳压电源输出纹波的角度来看,选用过大的C\(_{2}\)值是无意义的。
有些稳压电路仍选用了较大容量的C\(_{2}\),这是为了提高电源抗瞬间脉冲干扰冲击能力。由于大容量电容具有存储电荷的作用,当电源的负载出现突变或输入电压出现脉冲跳变时,C2能在瞬间为负载提供一定的充放电电流,从而可防止输出电压出现瞬间跳变。
例如,当在一个实验桌上使用两台C\(_{2}\)仅为零点几微法的5V稳压电源(由三端集成稳压块W7805组装)分别为两台单板机供电时,由于单板机的耗电在1A以上,在开机通电瞬间因要对稳压电源的大滤波电容充电,而使瞬间整流电流冲击可达10A以上。这么大的瞬间电流必然会使流过实验桌电源线中的交流电形成一个大的电流冲击,使另一台正在工作着的稳压电源的输出也随之产生一个瞬间的负向跳变,当这个负向跳变足够大时,就有可能使正在工作的单板机掉电而丢掉信息。若将C2增大到几十微法以上时,由于大电容具有存储电荷的能力,当稳压电源由于输入电压的降低而可能掉电时,存储在C\(_{2}\)上的电荷能在瞬间向负载放电使稳压电源维持较稳定的输出电压,这就提高了电源的抗脉冲冲击能力,避免了单板机工作时出现的掉电故障。
电容器C\(_{3}\)可进一步抑制输出交流纹波电压,起到相当于“滤波”的作用。众所周知,串联稳压电源是一个负反馈系统,其反馈系数即为采样电阻的分压比R2/(R\(_{1}\)+R2)。反馈系数越大,负反馈越深,系统的稳定性就越好,稳压系数等指标也就越高,对抑制输出交流纹波电压越有利。因此在设计稳压电路时,应尽可能选取高的采样电阻分压比。但在基准电压值一定的情况下,因输出直流电压必然要高于基准电压,故分压比恒小于1。若在电阻R\(_{1}\)两端并上一只对于交流纹波来说,其容抗XC足够小的电解电容器,则对交流纹波来讲其分压比R2/〔(X\(_{c}\)∥R1)+R\(_{2}\)〕≈1,就可进一步抑制电源输出端的交流纹波。原分压比R2/(R\(_{1}\)+R2)越小,增加C\(_{3}\)后的作用就越明显。若原分压比已较接近于1,则增加C3的意义也就不大了。
有些稳压电路在调整管的基极与地之间接入一只电容器,参见附图C\(_{4}\)。有的同志认为:这是因为“BG1、BG\(_{2}\)复合管的基极回路没有采取滤波措施,因此加于BG2基极的纹波电压也会被放大,使交流声增大。为了减弱这种交流声,可在电路中新增加一只电容C\(_{4}\),容量为50~100μF,耐压为6V。这也就相当于在调整管的发射极接一只容量为(β1·β\(_{2}\)+1)·C4的大电容,改善滤波效果,交流声也就大大减小了”。其实这种说法是不对的。因为不能把BG\(_{1}\)、BG2与稳压电路割裂开来看成是有源滤波的简单跟随电路。而稳压电路的滤波效果,即对输入交流纹波的抑制与电路的稳压能力一样,主要取决于BG\(_{3}\)比较放大电路的电压增益,而与有无C4或C\(_{4}\)的大小无关。通过对实际电路的测试也证实了这个结论。
我们也常在一些稳压电路中见到电容C\(_{4}\)。这里接入C4不是为了滤波,而是为了抑制电路的自激振荡。因为串联稳压电路是靠负反馈来稳压的,电路中引入负反馈后本应不产生自激,只有引入正反馈的电路才能形成自激振荡。各种振荡电路也都是本着引入正反馈的原则来进行设计的。但在放大电路中,由于晶体管的结电容和线路中分布电容的存在(通常这些电容的容量极小),当信号的频率较高时,这些电容将会与电路中的阻抗元件形成RC网络串入放大器,这样就会影响晶体管的放大作用,使其增益变小,相移增大。对一级晶体管放大电路来说,其附加相移最大不会超过90°,但对两级以上的放大电路来说,在某一频率下,由这些电容所产生的附加相移有可能累积到180°,使原来的负反馈电路在这个特定的频率下变成正反馈。这时,负反馈电路就可能在这个频率上形成正反馈自激振荡。由此可见,产生180°的附加相移是形成正反馈自激的必要条件,通常称之为相位条件。但是否能够形成自激振荡,还要看放大器在这个特定频率下的增益是否大于1。否则,虽然形成了正反馈,若回路增益小于1,所形成的振荡是收敛的,其幅值越来越小也就振不起来了。因此,在附加相移达到180°时,放大器的增益必须大于1,就成为放大器自激的幅值条件。
当电源出现强烈的自激振荡时。在其输出端可测量出幅值相当大的高频交流自振波形,这时电源根本无法工作。即使是轻微的自激也会使直流电源的输出端出现高频“纹波”。
为保证电源正常工作,在设计和调试电路时要设法抑制电源可能产生的自激。为保证电路稳定,必须破坏电源的自振条件。通常是采用减小电路的高频增益,即破坏其幅值条件的办法来抑制自激。在稳压电路中,一般是在放大器中引入高频负反馈或在放大器的输出端引入高频旁路电容(习惯上称之为补偿电容)的办法来实现。例如,经常在C\(_{4}\)的位置,即比较放大器晶体管BG3的输出端对地之间加一零点几微法的电容。C\(_{4}\)对低频信号来说,其容抗很大,几乎不起作用。而对高频信号来说,其容抗足够小,相当于将高频信号旁路到地,自然其高频增益被大大衰减,从而保证了电源的稳定。对正常工作时,不产生自激的电路来说,电容C4也可以不要。如果需要的话,加大C\(_{4}\)的容量至100μF,也仅能起到与0.1μF相同的消振作用而与“滤波”无关,也不会因选用较大的C4而进一步减小输出纹波或交流声。(张国华)