在本教程中,我们将学习系统设计中最重要的组件之一:电压调节器。它们是系统的重要组成部分,具体来说是系统的电源部分。我们将学习电压稳压器,有哪些不同类型的稳压器,工作原理中的一些重要的稳压器。
电源的角色
在详细介绍电压调节器和不同类型的电压调节器之前,我们先来看看电源在系统设计中的重要性。
拿任何一个能运行的系统来说:电子手表、现代智能手机或笔记本电脑。你认为整体上最大的实体是什么?它是电源。
电源的作用是为系统的组件提供可靠、一致和可重复的电源。在电子设备中,电源必须为电路的正常运行提供恒定、稳定和稳压的电源。
那么,电力供应的来源是什么?
电源的两种主要来源是:1。我们的电源插座和2。由电池提供直流电源。
注意:上面的列表是基于现成的电力和能源的来源。
即使电力供应是现成的,它还没有“系统就绪”。这是什么意思?让我们以计算机系统为例来理解这一点。
通常,一个计算机系统,或更确切地说,计算机系统的电子设备需要一个可调节的直流电压。CPU工作在1.2V ~ 1.8V DC(取决于CPU), USB端口工作在5V DC,机械硬盘驱动器需要5V和12V DC,以此类推。
如果电压高于或低于所需的数量,组件可能无法工作,或者在最坏的情况下,它可能损坏到无法修复。因此,重要的是要“调节”电压到可接受的范围。
这是电压调节器进入画面。电源可以是来自电源插座的交流电源或来自电池的直流电源,任何电子系统的要求都是一样的:一个稳压的直流电压。
电压调节器
稳压器是一种为电子负载提供稳定直流电压的设备或电路。下图显示了一个带有电压调节器的典型电源。
如前所述,直流电源的工作是将交流电源从市电插座(通常为240V @ 50Hz)转换成稳定的直流输出。在这个过程中,来自市电的交流电压首先在整流电路的帮助下被整流,以产生脉动的直流电压。
然后对这种脉动直流电进行滤波,产生相对平滑的电压。最后,电压调节器产生恒定的输出电压。
电压调节器的组成部分
一般来说,电源的稳压级通常由三部分组成:
- 反馈电路
- 稳定的参考电压
- 通元件控制电路
电压调节的过程很简单。反馈电路有助于感知输出直流电压的变化。根据反馈和参考电压,然后产生一个控制信号来驱动Pass元件来补偿变化。
说到通元件,它是一个像PN结二极管,BJT晶体管或MOSFET的固态半导体器件。现在,输出D电压几乎保持不变。
不同类型的电压调节器
电压调节器可以使用分立元件电路或集成电路实现。不管采用哪种方法,电压调节器可以分为两类:
- 线性稳压器
- 开关稳压器
考虑到上面关于电压调节器的组成部分及其基本功能的讨论,让我们假设电压调节器电路中的通元件是晶体管。
为了调节输出电压,该晶体管既可以在有源区域工作,也可以作为开关工作。如果晶体管在电压调节过程中处于有源区或工作的欧姆区或线性区,则该稳压器称为线性稳压器。
当晶体管工作在截止状态和饱和状态,即它在关闭状态和饱和状态之间切换时,调节器被称为开关稳压器。
现在,让我们深入研究这两种电压调节器,并仔细研究它们的工作和类型。
线性稳压器
在调节电源中,稳压器的最初形式是线性稳压器。在线性稳压器中,有源通元件(通常是BJT或MOSFET)的可变电导率负责调节输出电压。
当负载连接时,输入或负载的变化将导致通过晶体管的电流变化,从而使输出保持恒定。为了使晶体管能够改变其电流(在BJT情况下的集电极-发射极电流),它必须工作在有源或欧姆区(也称为线性区)。
在这个过程中,线性稳压器浪费了大量的功率,因为净电压,即输入和输出之间的差在晶体管中下降,并作为热量消散。
通常,线性稳压器分为五类。它们是:
- 积极调整监管机构
- 负调节监管机构
- 固定输出监管机构
- 跟踪监管机构
- 浮动的监管机构
正可调线性稳压器的例子是著名的LM317稳压器IC, LM317的输出电压可以在1.2V到37V之间调节。
至于固定输出线性稳压器,著名的78XX系列稳压器ic就属于这一类。7805是一种常用的5V输出的固定电压调节器。
线性稳压器的优点
线性稳压器的优点如下:
- 线性稳压器的实现是非常简单的,他们很容易使用。
- 线性稳压器虽然功耗大,但在过流保护和热保护方面性能良好。
- 可调电压调节器需要很少的外部元件来实现其运行。固定稳压器几乎不需要任何外部组件(可能是一对旁路电容器)。
- 在低成本下,您有广泛的电压和电流选择。
线性稳压器的缺点
线性稳压器的缺点如下:
- 通常,线性稳压器只有降压,即输出电压总是小于输入电压。
- 当从交流电源供电时,需要降压变压器将电压提高到可操作的水平。因此,它们通常很笨重。
- 由于调节是通过将多余的能量以热量的形式消散,它们往往会变得非常热,使用散热器是不可避免的。
- 此外,线性调节器的效率通常很低,在20%到60%之间。
此外,线性稳压器再次根据负载连接的方式分类。它们是:
- 系列稳压器
- 并联稳压器
现在让我们简要地看一下这两种类型的线性稳压器。
系列稳压器
在线性稳压器中,如果有源通元件(如晶体管)与负载串联,则称为串联稳压器。
下面的电路展示了一个典型的线性串联稳压器。
在这个电路中,调节器的输出电压通过分压器网络R1和R2被感知。将该电压与参考电压V进行比较裁判.产生的误差信号将控制通晶体管的传导。
因此,晶体管上的电压是变化的,而负载上的输出电压基本上保持不变。
一种串联稳压器是齐纳二极管稳压器,它可以在负载上保持恒定的电压。
这种稳压器可以减少电源中的纹波,提高稳压性能。但由于齐纳电阻非零,效率较低。这可以通过限制齐纳电流来改善。
并联稳压器
并联稳压器与串联稳压器不同。如果线性稳压器中的通晶体管与负载并联,那么稳压器被称为并联稳压器。
此外,还有一个与负载串联的限压电阻。下图显示了一个典型的并联电压调节器。
在这个电路中,晶体管的导通是根据反馈和参考电压来控制的,从而使通过串联电阻的电流保持恒定。当通过晶体管的电流变化时,负载上的电压基本上保持不变。
与串联稳压器相比,分流稳压器的效率略低,但实现更简单。
开关稳压器
在线性稳压器(即串联稳压器和并联稳压器)中,有源通元件(即晶体管)在其线性区域工作。通过改变晶体管的导通,输出电压保持在理想的水平。
相比之下,开关调节器的工作方式与线性调节器略有不同,因为通晶体管充当开关,即它要么保持在关态(截止区域),要么保持在通态(饱和区域)。
通过调整通晶体管的ON时间,输出电压保持为一个恒定值。
典型开关电源的框图如下所示。
事实上,有一个单独的教程开关模式电源或SMPS的工作,类型和他们的操作以及。更多信息,请阅读"开关模式电源”。
开关稳压器的优点
- 开关电源或开关稳压器的主要优点是效率高。通常,具有较好的设计效率可达95%以上。
- 由于晶体管在ON和OFF状态之间振荡,并且它停留在有源区域的时间非常少,因此浪费的功率也非常少。
- 输出电压可以高于或低于输入电压。
- 不需要降压或升压变压器,但需要一个微小的高频开关变压器。
开关稳压器的缺点
- 开关电源的设计非常复杂。
- 由于晶体管的频繁开关而产生的晶体管电流,存在着很高的干扰和噪声。
根据电路的设计,开关稳压器可分为两种拓扑结构。
- Non-isolated转换器
- 隔离转换器
在非隔离变换器中,也有几种类型,但重要的有:
- 降压稳压器(Buck Converter)
- 升压稳压器(升压变换器)
- Buck / Boost变换器
在隔离变换器中,基本上有两种重要类型。它们是:
- 回程转换器
- 向前转换器
所有这些类型都在开关模式电源主题中讨论。所以,请参考该文档以获取更多信息。
降压稳压器(Buck Converter)
在降压稳压器或Buck变换器中,输出电压小于输入电压。下图展示了一个典型的Buck转换器。
升压稳压器(升压变换器)
与Buck变换器相比,Boost变换器或Step Up稳压器提供的输出电压高于输入电压。
下图显示了一个典型的Boost变换器。
还有许多其他的开关稳压器拓扑,如连续、不连续、半桥、全桥等。
一个回应
你说得很好,我喜欢你的工作,亲爱的