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电子电路 - 稳压器
电源系统中负载前的下一个也是最后一个阶段是稳压器部分。现在让我们尝试了解调节器是什么以及它的作用。
处理电力控制和转换的电子部分可以称为电力电子。调节器是电力电子领域的重要设备，因为它控制功率输出。
需要一个调节器
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，都需要电压调节器。
电压调节器是一种保持恒定输出电压的设备，而不是所施加的输入电压的任何波动或负载汲取的电流的任何变化。下图展示了实用调节器的外观。
调节器的类型
根据调节器的工作和连接类型，调节器可以分为不同的类别。
根据调节类型的不同，调节器主要分为两种类型，即线路调节器和负载调节器。
线路调节器- 尽管输入线路变化，但仍将输出电压调节为恒定的调节器，称为线路调节器。
负载调节器- 尽管输出负载变化，但仍将输出电压调节为恒定的调节器，称为负载调节器。
根据连接类型，有两种类型的电压调节器。他们是
- 系列稳压器
- 并联稳压器
它们在电路中的排列如下图所示。
让我们看看其他重要的调节器类型。
齐纳稳压器
齐纳稳压器是一种使用齐纳二极管来调节输出电压的稳压器。我们已经在基础电子教程中讨论了有关齐纳二极管的详细信息。
当齐纳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电流的大变化来说基本上是恒定的。这一特性使齐纳二极管成为良好的稳压器。
下图显示了简单齐纳稳压器的图像。
当施加的输入电压 $V_i$ 增加到超过齐纳电压 $V_z$ 时，齐纳二极管在击穿区域工作并在负载上保持恒定电压。串联限流电阻$R_s$限制输入电流。
齐纳稳压器的工作原理
尽管负载变化和输入电压波动，齐纳二极管仍能保持其两端的电压恒定。因此，我们可以考虑 4 种情况来了解齐纳稳压器的工作原理。
情况 1 - 如果负载电流 $I_L$ 增加，则通过齐纳二极管 $I_Z$ 的电流减少，以保持通过串联电阻 $R_S$ 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。
这可以写成
$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$
其中 $I$ 是常数。因此，$V_o$ 也保持不变。
情况 2 - 如果负载电流 $I_L$ 减小，则通过齐纳二极管 $I_Z$ 的电流增加，因为通过 RS 串联电阻的电流 $I_S$ 保持恒定。尽管通过齐纳二极管的电流 $I_Z$ 增加，但它仍保持恒定的输出电压 $V_Z$，从而保持负载电压恒定。
情况 3 - 如果输入电压 $V_i$ 增加，则通过串联电阻 RS 的电流 $I_S$ 增加。这会增加电阻器两端的压降，即 $V_S$ 增加。尽管流经齐纳二极管 $I_Z$ 的电流随之增加，但齐纳二极管 $V_Z$ 两端的电压保持恒定，从而保持输出负载电压恒定。
情况 4 - 如果输入电压降低，则通过串联电阻的电流减少，这使得通过齐纳二极管 $I_Z$ 的电流减少。但齐纳二极管由于其特性而保持输出电压恒定。
齐纳稳压器的局限性
齐纳稳压器有一些限制。他们是 -
- 对于重负载电流来说效率较低。
- 齐纳阻抗对输出电压有轻微影响。
因此齐纳稳压器被认为对于低压应用是有效的。现在，让我们了解一下使用晶体管制成的其他类型的稳压器。
晶体管串联稳压器
该稳压器有一个与齐纳稳压器串联的晶体管，并且两者都与负载并联。晶体管用作可变电阻器，调节其集电极发射极电压以保持输出电压恒定。下图所示为晶体管串联稳压器。
随着输入工作条件的变化，通过晶体管基极的电流会发生变化。这会影响晶体管 $V_{BE}$ 基极发射极结上的电压。输出电压由恒定的齐纳电压 $V_Z$ 维持。由于两者保持相等，输入电源的任何变化都由发射极基极电压 $V_{BE}$ 的变化来指示。
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
串联稳压器的工作应考虑输入和负载变化。如果输入电压增加，输出电压也会增加。但这反过来又使集电极基极结 $V_{BE}$ 两端的电压降低，因为齐纳电压 $V_Z$ 保持恒定。随着发射极集电极区域的电阻增加，传导性降低。这进一步增加了集电极发射极结 VCE 两端的电压，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，即负载电阻减小，负载电流$I_L$增加，输出电压$V_O$减小，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，从而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下降。当负载电流增加时，这将是类似的。
晶体管串联稳压器的局限性
晶体管串联稳压器有以下限制 -
- 电压$V_{BE}$和$V_Z$受到温度升高的影响。
- 不可能对高电流进行良好的调节。
- 功耗高。
- 功耗高。
- 效率较低。
为了最大限度地减少这些限制，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是通过将一个电阻器与输入串联连接以及一个晶体管（其基极和集电极通过稳压齐纳二极管连接）形成的，两者都与负载并联。下图显示了晶体管并联调节器的电路图。
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。但这是最初发生的。实际上当$V_{in}$增加时，当前的$I_{in}$也会增加。该电流流过 RS 时，会在串联电阻上产生压降 $V_S$，该压降也会随着 $V_{in}$ 的增加而增加。但这使得$V_o$减少。现在，$V_o$ 的减少补偿了最初的增加，使其保持恒定。因此$V_o$ 保持不变。如果输出电压反而降低，则会发生相反的情况。
如果负载电阻减小，输出电压$V_o$也会减小。通过负载的电流增加。这使得晶体管的基极电流和集电极电流减小。随着电流的大量流动，串联电阻两端的电压变低。输入电流将是恒定的。
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初始下降，从而保持恒定。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，电压调节器以集成电路 (IC) 的形式提供。这些简称为 IC 稳压器。
除了具有普通稳压器的功能外，IC 稳压器还具有器件内置的热补偿、短路保护和浪涌保护等特性。
IC稳压器的类型
IC 稳压器可以有以下类型 -
- 固定正电压调节器
- 固定负电压调节器
- 可调电压调节器
- 双跟踪电压调节器
现在让我们详细讨论它们。
固定正电压调节器
这些稳压器的输出固定为特定值，并且该值是正值，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，IC如IC 7806、IC 7812和IC 7815等，分别提供+6v、+12v和+15v作为输出电压。下图显示了连接后的 IC 7810，以提供固定的 10v 正向稳压输出电压。
在上图中，输入电容器$C_1$用于防止不必要的振荡，输出电容器$C_2$用作线路滤波器以改善瞬态响应。
固定负电压调节器
这些调节器的输出固定为特定值，并且该值是负的，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，IC如IC 7906、IC 7912和IC 7915等，分别提供-6v、-12v和-15v作为输出电压。下图显示了连接后的 IC 7910，以提供固定的 10v 负调节输出电压。
在上图中，输入电容器$C_1$用于防止不必要的振荡，输出电容器$C_2$用作线路滤波器以改善瞬态响应。
可调稳压器
可调电压调节器具有三个端子 IN、OUT 和 ADJ。输入和输出端子是共用的，而可调端子配有可变电阻，可以使输出在很宽的范围内变化。
上图显示了驱动常用的 LM 317 可调 IC 稳压器的非稳压电源。LM 317 是一款三端正可调稳压器，可在 1.25v 至 37v 的可调输出范围内提供 1.5A 负载电流。
双轨稳压器
当需要分离电源电压时，使用双跟踪调节器。它们提供相等的正负输出电压。例如，RC4195 IC 提供+15v 和-15v 的直流输出。这需要两个未经调节的输入电压，例如正输入可能从+18v到+30v变化，负输入可能从-18v到-30v变化。
上图显示了双跟踪 RC4195 IC 稳压器。还可提供可调节的双调压器，其输出在两个额定限值之间变化。