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电子电路 - 稳压器
在电源系统中，负载之前的最后一个阶段是稳压器部分。现在让我们尝试了解什么是稳压器以及它的作用。
处理电力控制和转换的电子学部分可以称为电力电子学。稳压器是电力电子学中一项重要的器件，因为它控制着功率输出。
稳压器的必要性
为了使电源产生恒定的输出电压，无论输入电压变化或负载电流变化如何，都需要一个稳压器。
稳压器是一种能够维持恒定输出电压的器件，无论施加的输入电压发生任何波动或负载电流发生任何变化。下图展示了一个实际稳压器的示意图。
稳压器的类型
根据稳压器的工作原理和连接方式，可以将其分为不同的类别。
根据调节类型，稳压器主要分为两种类型：线路稳压器和负载稳压器。
线路稳压器 - 无论输入线路发生什么变化，都能使输出电压保持恒定的稳压器，称为线路稳压器。
负载稳压器 - 无论输出端的负载发生什么变化，都能使输出电压保持恒定的稳压器，称为负载稳压器。
根据连接类型，稳压器有两种类型：
- 串联稳压器
- 并联稳压器
它们在电路中的布置方式如下图所示。
让我们看看其他重要的稳压器类型。
稳压二极管稳压器
稳压二极管稳压器使用稳压二极管来调节输出电压。我们已经在基础电子学教程中详细讨论了稳压二极管。
当稳压二极管工作在击穿或齐纳区时，其两端的电压对于通过它的大幅电流变化来说基本上是恒定的。这种特性使稳压二极管成为一个良好的稳压器。
下图显示了一个简单的稳压二极管稳压器的示意图。
当施加的输入电压 $V_i$ 超过稳压二极管电压 $V_z$ 时，稳压二极管工作在击穿区域，并保持负载两端的电压恒定。串联限流电阻 $R_s$ 限制输入电流。
稳压二极管稳压器的工作原理
稳压二极管即使在负载变化和输入电压波动的情况下也能保持其两端的电压恒定。因此，我们可以考虑四种情况来理解稳压二极管稳压器的工作原理。
情况 1 - 如果负载电流 $I_L$ 增加，则稳压二极管的电流 $I_Z$ 会减少，以保持串联电阻 $R_S$ 的电流恒定。输出电压 Vo 取决于输入电压 Vi 和串联电阻 $R_S$ 两端的电压。
可以写成
$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$
其中 $I$ 是恒定的。因此，$V_o$ 也保持恒定。
情况 2 - 如果负载电流 $I_L$ 减小，则稳压二极管的电流 $I_Z$ 会增加，因为 RS 串联电阻的电流 $I_S$ 保持恒定。尽管通过稳压二极管的电流 $I_Z$ 增加，但它保持恒定的输出电压 $V_Z$，从而使负载电压保持恒定。
情况 3 - 如果输入电压 $V_i$ 增加，则串联电阻 RS 的电流 $I_S$ 增加。这会增加电阻两端的电压降，即 $V_S$ 增加。尽管通过稳压二极管的电流 $I_Z$ 随之增加，但稳压二极管两端的电压 $V_Z$ 保持恒定，使输出负载电压保持恒定。
情况 4 - 如果输入电压降低，则串联电阻的电流降低，这使得通过稳压二极管的电流 $I_Z$ 降低。但由于稳压二极管的特性，它保持输出电压恒定。
稳压二极管稳压器的局限性
稳压二极管稳压器有一些局限性。它们是 -
- 对于大负载电流，效率较低。
- 稳压二极管的阻抗会略微影响输出电压。
因此，稳压二极管稳压器被认为适用于低电压应用。现在，让我们了解其他使用晶体管制成的稳压器类型。
晶体管串联稳压器
这种稳压器有一个晶体管串联在稳压二极管稳压器上，并且两者都并联在负载上。晶体管充当可变电阻，调节其集电极发射极电压以保持输出电压恒定。下图显示了晶体管串联稳压器。
在输入工作条件下，通过晶体管基极的电流会发生变化。这会影响晶体管的基极发射极结电压 $V_{BE}$。输出电压由稳压二极管电压 $V_Z$ 维持，该电压是恒定的。由于两者保持相等，因此输入电源的任何变化都会通过发射极基极电压 $V_{BE}$ 的变化来体现。
因此，输出电压 Vo 可以理解为
$$V_O=V_Z+V_{BE}$$
晶体管串联稳压器的工作原理
对于输入和负载变化，应考虑串联稳压器的工作原理。如果输入电压增加，输出电压也会增加。但这反过来会使集电极基极结电压 $V_{BE}$ 降低，因为稳压二极管电压 $V_Z$ 保持恒定。由于发射极集电极区域的电阻增加，导通减小。这进一步增加了集电极发射极结电压 VCE，从而降低了输出电压 $V_O$。当输入电压降低时，情况类似。
当负载发生变化时，这意味着如果负载电阻降低，负载电流 $I_L$ 增加，输出电压 $V_O$ 降低，发射极基极电压 $V_{BE}$ 增加。
随着发射极基极电压 $V_{BE}$ 的增加，导通增加，降低了发射极集电极电阻。这反过来又增加了输入电流，从而补偿了负载电阻的降低。当负载电流增加时，情况类似。
晶体管串联稳压器的局限性
晶体管串联稳压器具有以下局限性 -
- 电压 $V_{BE}$ 和 $V_Z$ 受温度升高的影响。
- 无法实现良好的大电流调节。
- 功耗高。
- 功耗高。
- 效率低。
为了最大限度地减少这些局限性，使用了晶体管并联稳压器。
晶体管并联稳压器
晶体管并联稳压器电路通过将一个电阻串联在输入端，并将一个晶体管的基极和集电极连接到一个稳压二极管（该稳压二极管进行调节），两者都并联在负载上。下图显示了晶体管并联稳压器的电路图。
晶体管并联稳压器的工作原理
如果输入电压增加，$V_{BE}$ 和 $V_O$ 也会增加。但这只是最初发生的情况。实际上，当 $V_{in}$ 增加时，电流 $I_{in}$ 也会增加。当此电流流过 RS 时，会在串联电阻上产生一个电压降 $V_S$，该电压降也会随着 $V_{in}$ 的增加而增加。但这会导致 $V_o$ 降低。现在，$V_o$ 的这种降低补偿了最初的增加，使其保持恒定。因此，$V_o$ 保持恒定。如果输出电压反而降低，则会发生相反的情况。
如果负载电阻降低，则输出电压 $V_o$ 应该降低。流过负载的电流增加。这会导致晶体管的基极电流和集电极电流降低。由于电流大量流过，串联电阻上的电压降低。输入电流将保持恒定。
出现的输出电压将是施加电压 $V_i$ 和串联电压降 $V_s$ 之间的差值。因此，输出电压将增加以补偿最初的下降，并因此保持恒定。如果负载电阻增加，则会发生相反的情况。
集成电路稳压器
如今，稳压器以集成电路 (IC) 的形式提供。这些简称为集成电路稳压器。
除了像普通稳压器一样的功能外，集成电路稳压器还具有诸如热补偿、短路保护和浪涌保护等特性，这些特性内置在器件中。
集成电路稳压器的类型
集成电路稳压器可以是以下类型 -
- 固定正电压稳压器
- 固定负电压稳压器
- 可调电压稳压器
- 双轨电压稳压器
现在让我们详细讨论它们。
固定正电压稳压器
这些稳压器的输出固定到一个特定值，并且这些值是正的，这意味着提供的输出电压是正电压。
最常用的系列是 7800 系列，集成电路将像 IC 7806、IC 7812 和 IC 7815 等，它们分别提供 +6v、+12v 和 +15v 作为输出电压。下图显示了连接以提供固定 10v 正稳压输出电压的 IC 7810。
在上图中，输入电容 $C_1$ 用于防止不需要的振荡，输出电容 $C_2$ 充当线路滤波器以改善瞬态响应。
固定负电压稳压器
这些稳压器的输出固定到一个特定值，并且这些值是负的，这意味着提供的输出电压是负电压。
最常用的系列是 7900 系列，集成电路将像 IC 7906、IC 7912 和 IC 7915 等，它们分别提供 -6v、-12v 和 -15v 作为输出电压。下图显示了连接以提供固定 10v 负稳压输出电压的 IC 7910。
在上图中，输入电容 $C_1$ 用于防止不需要的振荡，输出电容 $C_2$ 充当线路滤波器以改善瞬态响应。
可调电压稳压器
可调稳压器具有三个端子：IN（输入）、OUT（输出）和ADJ（调节）。输入和输出端子是共用的，而调节端子则连接了一个可变电阻，允许输出电压在较宽的范围内变化。
上图显示了一个非稳压电源驱动一个常用的LM317可调集成稳压器。LM317是一个三端正可调稳压器，可以在1.25V到37V的可调输出范围内提供1.5A的负载电流。
双轨稳压器
当需要分压电源时，使用双轨稳压器。它们提供相等的值的正负输出电压。例如，RC4195集成电路提供+15V和-15V的直流输出。这需要两个非稳压输入电压，例如正输入电压可能在+18V到+30V之间变化，负输入电压可能在-18V到-30V之间变化。
上图显示了一个双轨RC4195集成稳压器。也可使用可调双轨稳压器，其输出在两个额定限值之间变化。