电源供应器 (五) 稳压器 (Regulators) 概述【转帖】

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电源供应器 (五) 稳压器 (Regulators) 概述【转帖】

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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电源供应器 (五) 稳压器 (Regulators) 概述

孙恩宏/Steve Sun

1. Zener 二极管与稳压 (Regulation)
这里我们只想要大概的介绍一下稳压器的概念及如何使用稳压器. 顺便想灌输一个概念: 稳压的使用并不只限于电源级, 扩大机的其它部分, 只要是需要稳定电压的地方, 就可以使用稳压器。

最简易的稳压器应该是 Zener 二极管. Zener 二极管的电路符号是:

先看一下 Zener 二极管的 V-I 曲线:

Zener 二极管的 V-I 曲线和一般二极管的 V-I 曲线几乎没有不同. 和一般二极管不同的是: Zener 二极管是利用电流, 逆向工作. 这是 Zener 二极管最与众不同的地方。

假设 Zener 二极管的阴极电位高于阳极电位:

从 Zener 二极管的 V-I 曲线, 可以看到: 通过 Zener 的电流是 I0 时, Zener 两端的电位差是 V0通过 Zener 的电流是 I1 时, Zener 两端的电位差是 V1. 而且 V0, V1 的差距很小. 因为这个现象, Zener 二极管可以用来当成并联稳压器 (shunt regulator):

当负载需要较大电流时, 流经 Zener 的电流会减少. 反之, 当负载需要较少电流时, 流经 Zener 的电流会增加. 因为通过电流的大小对 Zener 两端的电位差影响很小. 所以可以达到稳压的效果. 上图中的电阻是用来控制通过 Zener 的最大电流. 假设输入电压是 15 – 20 V, 使用 1N4733 (5.1 V, 1W), R = 300 Ohm, 利用奥姆定律, I = V/R = (20 – 5)/300 = 50 mA。

所以, 通过 Zener 的最大电流是 50 mA. 输出电压 “大概” 是 5.1 V. 如果您更仔细观查 Zener 的 V-I 曲线, 您应该看出: Zener 只能用来作粗糙的稳压. 拿 1N4733 为例, 它的输出电压在 4.8 – 5.4 V 之间。

Zener 并联稳压器对抑制涟波的功\效并不好, 但是可以提供较稳定的电压, 当成稳压 IC 的输入使用。

对要求较高的电路, Zener 并不非常实用, 但是可以与晶体管, OP, 稳压 IC 等综合运用提供高稳定度的直流电源. Zener 二极管另外一个缺点是噪音. 在扩大机中应用时, 通常都与电容并联, 以减低 Zener 的噪音。

2. 蒸气管 (Gas Tube) 与稳压
蒸气管稳压的原理和 Zener 稳压的原理相同: 利用调节电流的特性, 达成稳压的效果. 它们的使用方法如下:

蒸气管需要达到最低起动电压后才会开始工作. 蒸气管中充满特殊气体, 达到最低起动电压后, 蒸气管中特殊气体开始导电. 流经蒸气管的电流在最低与最高工作电流之间时, 蒸气管两端的电位差保持在特定的工作电压。

较常使用的小型蒸气管有: OA2, OB2. OA2的起动电压是 160 V, OB2的起动电压是 115V. 起动后, OA2 的工作电压是 150 V, OB2的工作电压是 108 V. 它们的工作电流需要保持在 5 mA – 30 mA 之间. 请您调整 R1 使最高工作电流为 30 mA. 如果省略 R1, 将有大量电流进入蒸气管, 蒸气管会被烧毁。

蒸气管可以串联使用, 达到高电压的要求:

3. LM78xx, LM79xx, LM317, LM337 IC 稳压器
这节要介绍稳压 IC. 稳压 IC 可以相当有效的减低成本, 减小占用的空间. 但是, 真空管扩大机电压要求很高, 稳压 IC 的使用必须配合适当的设计, 才不会让真空管扩大机的高热量与高电压影响到 IC 的稳定度。

三端 IC 稳压器是非常容易使用的电子组件. 让我们从最简单的稳压 IC, LM78xx, LM79xx 看起。

LM78xx 有三只接脚: in, out, gnd. 分别接到输出, 输出及地线. 输出的电压固定. 7805 输出 +5 V, 7812输出 +12 V,… 使用这些 IC 时要注意输入电压要在 data sheet 的范围内. 下图是 LM7805 的实际应用:

输出端并联 0.1 mf 电容的目的是要降低高频阻抗, 改善 “瞬时反应” (transient response). 使用时, 输入端也常常加上一个 0.33 mf 以上的电容。

如果需要负电压供应, 可以换用 79xx 系列. LM7905 输出 – 5 V, LM7912 输出 –12 V.....等等，依此类推。

78xx, 79xx 最不方便的地方是输出电压已经固定. (当然您可以在 gnd 下方加上 Zener, 把 gnd, out 脚的电位垫高的手段达成高压稳压的目的。)

接下来, 让我们看一些更好, 更易使用的稳压 IC: LM317, LM337。

LM317 与 LM78xx 一样有三只接脚: in, out, adj. 不同的是 adj 接脚取代了 gnd 接脚. LM78xx 稳压 IC 有固定的输出电压. LM317 并没有固定的输出电压, LM 317 只控制 out 与 adj 接脚间的电位差为 1.25 V。

让我们来看一下 LM317 的用法:

假设 R2 是一个固定电阻. 因为 out 的电位高, 电流经 R1, R2 流入接地点. 317 的 adj 消耗非常少的电流, 可忽略不计. 所以, adj 的电位是 I x R2. 又因为 317 adj, out 接脚间的电位差为 1.25 V, 所以 out 的电位是:

接下来, 计算 I: out 与 adj 接脚间的电位差为 1.25 V, 电阻 R1. 电流 I 是: 1.25/R1。

结论: 这个计算说明了一件事: 适当调整 R1, R2, 可以达成高压稳压的目的. 但请您注意: 317 的 in, out 接脚间的电位差不能超过 35 V. 所以在高压应用时, 通常都会在 in 与 out 之间加入 Zener 保护 LM317. LM317 的 data sheet 中有很多实例可以参考。

另一个要注意的是: 317 的最大供应电流是 1 A。如果需要更高的电流，则应寻求不同的封装形式，或者使用其它编号，如LM317对应的LT1085CT或LM337对应的LT1033CT，就能够提供3A的电流，但仍为TO-220封装。

LM317 使用时, 如果 R2 并联一个电容, 可以大幅提高抵抗涟波的能力. 并联一个电容的同时, 您应该多加一个二极管, 使得电容放电时, 保护 317。

这样的架构已经是相当优秀的稳压器了!最后, 想提出几点供参考:

1.需要负电压时, 可以使用 LM337。
2.使用时, 通常会加上 “逆向保护” (1N4004)

上面的这个稳压器, 如果配合 “恒流源” 使用效果更佳 (如果您不懂晶体管与恒流源, 不要担心, 将来我们会慢慢的介绍它们). 例如 National LM317 data sheet 中的范例:

或如下图的架构:

请您灵活运用被动组件, 大胆假设, 小心求证。

4. 以LM317担任恒流源
顾名思义, 恒流源 (constant current source, sink) 可以提供或是吸收稳定的电流。 LM317 out 与 adj 接脚间的电位差是 1.25 V. 如果加上一个1.25 Ohm 电阻, 流入电阻的电流就会是稳定的 1A! 也就是说 LM317 的 in 有稳定的 1 A 流入, out 有稳定的 1 A 流出 (adj 会有大约50uA 流出), 可以用来提供或是吸收负载稳定的 1 A 电流:

除了利用稳压器与电阻之外, 还有很多建构恒流源的方法，以后有机会，我们再来慢慢针对实例进行解说。




图说：LM317/337是使用上非常简易的稳压IC，只要使用少数的零件配合，就能提供各种所需的电压变化，甚至可以搭配更复杂的电路架构，获得高压、高电流等目的，因此对DIY玩家来说，有必要对这些基础组件有更深入的了解。