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稳压器的工作原理和电路类型介绍

IC先生 IC先生 5496 2022-04-02 14:56:02

稳压器,英文名Voltage Regulators,顾名思义,就是用于调节电压的电路。稳压是平稳的电压供应,没有任何噪音或干扰。稳压器的输出不受负载电流、温度和交流线路变化的影响。几乎所有电子产品或家用电器(如电视、冰箱、计算机等)中都存在稳压器,以稳定电源电压。

通常情况下,稳压器可最大限度地减少电压变化以保护设备。在配电系统中,稳压器要么在馈线中,要么在变电站中。该系列使用的稳压器有两种,一种是步进稳压器,其中开关调节电流供应。另一种是感应调节器,它是一种类似于感应电动机的交流电机,作为辅助电源提供电力,以最大限度地减少电压变化并提供稳定的输出。

稳压器的工作原理

稳压器是一种电气设备,其唯一目的是保持恒定的输出电压。无论输入电压或负载条件如何变化,它都能提供所需的输出电压。电子电路依赖于稳压器,因为它们需要稳定的电压供应以避免损坏。

稳压使用反馈控制系统的原理,它依赖于负反馈控制回路。

稳压器原理示意图

如上图所示,参考电压信号与来自控制器的反馈信号一起提供给比较器电路。比较器电路比较两个值并将误差信号发送到控制器,控制器使用来自比较器的误差信号调节输出电压。

稳压器电路的类型

目前稳压器电路主要分为三种类型,主要包括线性稳压器电路、齐纳稳压器电路和开关稳压器电路。

1、线性稳压器电路

  • 串联稳压器
  • 并联稳压器
2、齐纳稳压器电路

3、开关稳压器电路

  • 降压型
  • 升压型
  • 降压/升压型
线性稳压器电路

这些是电子产品中用于维持稳定输出电压的最常见稳压器。线性稳压器就像一个分压器电路,在这个稳压器中,电阻会随着负载的变化而变化,并提供恒定的输出电压。

下面给出线性稳压器的一些优点和缺点:

优点:

  • 输出纹波电压低
  • 响应速度快
  • 噪音小
缺点:
  • 效率低
  • 需要大空间
  • 输出电压将始终小于输入电压

①、串联稳压器 

串联稳压器是线性稳压器的一部分,也称为串联通过稳压器。一种串联的可变元件,用于保持恒定的输出电压。当您改变串联元件的电阻时,其两端的电压降可以变化,以确保输出两端的电压恒定。

串联稳压器

如上图所示,可以看到串联稳压器的电路图,NPN晶体管T1是串联元件,齐纳二极管用于提供参考电压。

串联稳压器示意图

当输出电压增加时,基极-发射极电压降低,由于这个晶体管T1导通较少。由于T1导通较少,它会降低输出电压,从而保持输出电压恒定。

当输出电压降低时,基极-发射极电压增加,由于这个晶体管T1导通更多。随着T1导通更多,它会增加输出电压,从而保持输出电压恒定。

输出电压定义为:V O=V Z-V BE,其中,V O是输出电压,V Z是齐纳击穿电压,V BE是基极-发射极电压。

②、并联稳压器

未经调节的电压与串联电阻两端的电压降成正比,该电压降取决于负载消耗的电流。如果负载的电流消耗增加,基极电流也将减少,因此更少的集电极电流将流过集电极发射极端子,因此通过负载的电流将增加,反之亦然。

并联稳压器的稳压输出电压定义为:V OUT=V Z + V BE

齐纳稳压器电路

齐纳稳压器更便宜,仅适用于低功率电路。它可用于调节期间浪费的电量不是主要问题的应用。

一个电阻器与齐纳二极管串联,以限制流过二极管的电流量, 输入电压Vin(必须大于齐纳电压) 如图所示连接到输出电压 Vout,跨齐纳二极管,Vout=Vz(齐纳电压)。

众所周知,当施加的电压高于齐纳二极管的击穿电压时,齐纳二极管开始反向导通。因此,当它开始导通时,它会在其两端保持相同的电压并将多余的电流流回,从而提供稳定的输出电压。

齐纳稳压器

开关稳压器电路

开关稳压器电路分为三种:

  • 降压或降压开关稳压器
  • 升压或升压开关稳压器
  • 降压/升压开关稳压器

①、降压或降压开关稳压器

降压稳压器用于降低输出电压,甚至可以使用分压器电路来降低输出电压,但分压器电路的效率很低,因为电阻器将能量作为热量散发。我们在电路中使用电容器、二极管、电感器和开关,降压开关稳压器的电路图如下:

开关稳压器

当开关打开时,二极管保持反向偏置,电源连接到电感器。当开关打开时,电感器的极性反转,二极管变为正向偏置并将电感器接地。然后通过电感的电流随斜率减小:

d I L / dt=(0-V OUT ) /L

电容器用于防止负载两端的电压降至零,如果继续打开和关闭开关,负载上的平均电压将低于提供的输入电压。你也可以通过改变开关器件的占空比来控制输出电压,其中:

输出电压=输入电压*开关打开的时间百分比

②、升压或升压开关稳压器

升压稳压器用于提高负载两端的电压,升压稳压器电路图如下:

升压或升压开关稳压器

当开关闭合时,二极管表现为反向偏置,电感器上的电流不断增加。现在,当开关打开时,电感器将产生一个力,使电流继续流动,电容器开始充电。通过连续打开和关闭开关,我们将在负载处接收到高于输入电压的电压。这样可以通过控制开关的导通(Ton)时间来控制输出电压,其中:

输出电压=输入电压/开关打开的时间百分比

③、降压-升压开关稳压器

降压-升压开关稳压器是降压和升压稳压器的组合,它提供的反相输出可以大于或小于所提供的输入电压。

当开关打开时,二极管表现为反向偏置,电感器存储能量,当开关关闭时,电感器开始释放反向极性的能量,从而为电容器充电。当存储在电感器中的能量变为零时,电容器开始以相反的极性向负载放电

由于这种升降压稳压器也称为反相稳压器,器输出电压定义为:

Vout = Vin (D / 1-D)

其中,D是占空比。因此,如果占空比低,则稳压器充当降压稳压器,而当占空比高时,稳压器充当升压稳压器。  

稳压器在电路中的实例演示

以下是正线性稳压器电路图:

稳压器电路的实际示例

这里使用7805 IC设计了一个正线性稳压电路。该IC具有提供5伏稳压电源的所有电路。输入电压应至少比额定值高2v,例如LM7805,这样至少应提供7v。

未稳压的输入电压提供给IC,我们在输出端获得稳压电压。IC的名称定义了它的功能,78代表正号,05代表稳压输出电压的值。正如在电路图中看到的,这里为7805IC提供9V电压,并在输出端获得+5V稳压。电容C1和C2用于滤波。


齐纳稳压器电路

齐纳稳压器电路如下:

齐纳稳压器电路

在这里,设计了一个使用5.1V齐纳二极管的齐纳稳压器。齐纳二极管用作传感元件。当电源电压超过其击穿电压时,它开始反向导通,并在其两端保持相同的电压并将多余的电流回流,从而提供稳定的输出电压。在这个电路中,提供9V的输入电压并获得接近5.1的稳压输出电压。

稳压输出电压

稳压器的应用

稳压器有很多应用,最常见的例子之一是移动充电器,适配器配有交流信号,不过输出电压信号是经过调节的直流信号。

世界上的每个电源都使用稳压器来提供所需的输出电压。计算机、电视、笔记本电脑和各种设备都使用这个概念供电。

小型电子电路依靠稳压器运行,即使是电压信号的最轻微波动也会损坏电路的组件,例如IC电路。

在发电系统方面,电压调节器在其运行中发挥着重要作用。太阳能发电厂根据阳光的强度发电,它需要一个稳压器来确保稳定的输出信号。

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