在電子電路設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓器是一種至關(guān)重要的設(shè)備，它能夠?qū)⑤斎攵说牟▌?dòng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆朔€(wěn)定的電壓，確保電路正常運(yùn)行。下面我們將深入探討穩(wěn)壓器的相關(guān)知識(shí)，并通過(guò)實(shí)際電路案例詳細(xì)介紹如何構(gòu)建穩(wěn)壓器。

什么是穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器是一種用于將輸入端的波動(dòng)電壓改變?yōu)檩敵龆硕x的穩(wěn)定電壓的設(shè)備。電壓調(diào)節(jié)器可以是機(jī)械的、電動(dòng)的、交流的或直流的，本文主要聚焦于直流電子線性穩(wěn)壓器。在大多數(shù)電路中，需要獨(dú)立于消耗電流的恒定電源電壓，因?yàn)榧词故呛苄〉倪^(guò)電壓也可能對(duì)電路造成破壞。此外，穩(wěn)壓器還有助于消除音頻放大器中的電源噪音。在信號(hào)發(fā)生器和振蕩器中，輸出頻率會(huì)隨電源電壓而變化，因此必須進(jìn)行良好調(diào)節(jié)以保持恒定。

穩(wěn)壓器的類型

如何構(gòu)建穩(wěn)壓器電路

1. 簡(jiǎn)單的齊納穩(wěn)壓器
   齊納二極管是一種特殊的二極管，當(dāng)以反向偏置配置連接時(shí)，它會(huì)在特定電壓（即齊納電壓）下開始 “擊穿” 或?qū)?。一旦?dǎo)通，它不會(huì)停止電流，因此需要一個(gè)電阻（如 R1）將電流限制在安全值
2. 假設(shè)在一個(gè)簡(jiǎn)單穩(wěn)壓器中，Vin 為 12V，Vout 為 5V，I 為 10mA。如果沒(méi)有齊納二極管，根據(jù)歐姆定律 R = V / I，可計(jì)算出 R = (12 - 5) / 0.01 = 700Ω，但此時(shí)齊納二極管不會(huì)導(dǎo)通。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，齊納二極管需要傳導(dǎo)兩到五倍的負(fù)載電流，假設(shè)為 50mA，那么總電流 I = 50 + 10 = 60mA，所以 R1 = 7 / 0.06 = 116Ω。然而，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，R1 和 D1 中的功耗會(huì)過(guò)大。不過(guò)，這種電路非常適合將信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為 5V 到 3.3V 的模塊。

1. 齊納作為參考和晶體管 Q1
   在這種電路中，使用齊納二極管作為參考，晶體管 Q1 作為串聯(lián)穩(wěn)壓器。R2 提供偏置以打開 Q1，并通過(guò)齊納二極管 D2 提供更小的電流。如果 Vout 是 5V，由于晶體管基極 - 發(fā)射極有 0.6V 的電壓降，所以 D2 需要是 5.6V（通常市場(chǎng)上有此規(guī)格）。R2 必須提供晶體管的集電極電流除以 hfe（假設(shè) hfe 為 1000）。對(duì)于 1A 電源，集電極電流為 1A，那么 R2 需要提供的電流為 1 / 1000 = 10mA，R2 = (12 - 5.6) / 0.01 = 640Ω，再加上齊納二極管的一點(diǎn)電流，可選擇 560Ω。但這種電路會(huì)耗費(fèi)大量電流來(lái)加熱齊納二極管。為了解決這個(gè)問(wèn)題，添加了 Q5 和一個(gè)關(guān)閉 Vout 的反饋網(wǎng)絡(luò)以提供一個(gè)更有用的電路。D4 可以是 1V 到 4V 范圍內(nèi)的任何值，并且可以調(diào)節(jié)。當(dāng) Vout 試圖超過(guò) Q5 基極 / 發(fā)射極電壓 + 0.6 + D4 時(shí)，它開始從 Q4 的基極搶奪電流以穩(wěn)定電壓。R6 只需要 1K 就夠了，R7 和 R8 也將提供更輕松的調(diào)整。此外，還可以添加一些過(guò)流保護(hù)措施。D6 和 D7 兩端的電壓降始終為 0.6 + 0.6 = 1.2V，Q6 的 Vbe 也為 0.6V。例如，如果我們認(rèn)真選擇 R14，用來(lái)匹配我們想要防止任何過(guò)流的點(diǎn)，比如 2A，一旦 R14 兩端的 V = 1.2V，D6 和 D7 將從 Q6 基極搶奪電流，從而不會(huì)允許超過(guò) 2A 的電流通過(guò)。這里還可以通過(guò)另一項(xiàng)改進(jìn)來(lái)防止二極管中出現(xiàn)大電流，用 Q9 替換二極管，它只需要 0.6V 即可將其打開并引起電流限制。對(duì)于 2A，R19 = 0.6 / 2 = 0.3Ω。

1. 固定穩(wěn)壓器
   在電路中，有固定電壓三端穩(wěn)壓器，如 M78xx 系列穩(wěn)壓器 IC。LM7812 輸出 12V，LM7809 輸出 9V，LM7805 輸出 5V。需要注意的是，不要將 C4 和 C10 與平滑電容混淆，它們用于噪聲和穩(wěn)定性，并且應(yīng)該是低 ESR（等效串聯(lián)電阻）。C4 通常為 10uF，C10 為 1uF。二極管 D9 用于對(duì)負(fù)載中的任何大電容進(jìn)行反向放電，以防止穩(wěn)壓器在輸入變低時(shí)反向偏置。
2. 可調(diào)穩(wěn)壓器
   最后，介紹可調(diào)式三端穩(wěn)壓器 —— 著名的 LM317 穩(wěn)壓器。C2 用于噪聲，可以是 1uF。R20 和 R23 的比率設(shè)置輸出電壓。它們可以是兩個(gè)固定電阻或一個(gè)可調(diào)電位器。R20 在數(shù)據(jù)表中顯示為非標(biāo)準(zhǔn) 240Ω，但如果將其設(shè)為標(biāo)準(zhǔn) 220Ω，則對(duì)于 Vmax 和 Vmin 之間的任何電壓，R23 = (176 * Vout) – 220。例如，如果你想要 9V 的輸出電壓，R23 可以是一個(gè)固定值，即 176 * 9 – 220 = 1k4。不過(guò)要注意，由于內(nèi)部參考電壓為 1.25V（穩(wěn)壓器可以達(dá)到的最低電壓），因此輸入和輸出之間至少需要 2V，并且最大電壓為 32V，因此它可以提供 1.2V 至 30V 的調(diào)整范圍。使 R23 為 10k。穩(wěn)壓器消耗的功率為 (Vin - Vout) * Iout。因此，對(duì)于 1A 的 12V 輸入和 5V 輸出，功率為 (12 - 5) * 1 = 7W，這意味著穩(wěn)壓器在設(shè)置為最低輸出電壓時(shí)會(huì)消耗大部分功率。如果要從調(diào)節(jié)器中取出超過(guò) 1A 的電流或太熱而無(wú)法用手指握住，則需要一個(gè)散熱器，也可以嘗試將其安裝在正在使用的鋁盒的外殼上，或者安裝在一塊扁平鋁材上，更好的是，安裝在合適的散熱器上。