電源設(shè)計(jì)改進(jìn)穩(wěn)定度和誤差放大器的解決方案

電池，變壓器，電源和轉(zhuǎn)換器會不斷受到能量損失的影響。結(jié)果，負(fù)載上的輸出電壓會降低。溫度是性能的另一個關(guān)鍵特征。通過創(chuàng)建誤差放大系統(tǒng)，可以在任何類型的負(fù)載下穩(wěn)定輸出電壓。

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定器

使用功率晶體管以及電流放大器的功能，您可以創(chuàng)建和構(gòu)建穩(wěn)定器電路，以提供高工作電流，保持輸出電壓相當(dāng)恒定，并且齊納二極管上的電流很小。圖1所示的電路是穩(wěn)定理論的一個例子，也可以用于非常高的功率。不幸的是，效率并不是最好的，因?yàn)榫w管會散發(fā)大量熱量來執(zhí)行其降低電壓的功能。該電路的特征在于以下參數(shù)和組件：

來自汽車電池的12 V輸入電壓，其內(nèi)部電阻約為0.07歐姆，目的是使其行為更接近真實(shí)元件；

所需的7.5 V輸出電壓，以該電壓為電源燈，立體聲系統(tǒng)或其他負(fù)載供電；

使用的功率晶體管是經(jīng)典的2N3055，如果汲取的電流超過一定水平，則必須配備足夠的鋁耗散器；

使用的齊納二極管為8.2V。由于晶體管的BE結(jié)引起大約0.7 V的降低，因此在輸出端獲得的電壓略低；

電路負(fù)載的阻抗為100歐姆，但可以毫無問題地升高或降低。

電解電容器具有進(jìn)一步提高穩(wěn)定性的功能，使輸出信號更清潔。

圖1：典型的穩(wěn)定器

電路的輸出電壓不再與齊納二極管的電壓相對應(yīng)，但是還必須考慮基極和發(fā)射極之間的電壓降（通常等于0.7 V），這會使它降低某個值。因此，電路的輸出電壓等于：

流過晶體管基極的電流顯然取決于流過負(fù)載的電流除以組件本身的“ beta”。這個電流很小。電路的穩(wěn)定性非常好，輸出電壓也很穩(wěn)定。實(shí)際上，齊納二極管（IZ）上的電流變化減少了“β”倍。如果輸出電壓必須與齊納二極管的電壓相對應(yīng)，則可以插入一個與齊納二極管串聯(lián)的硅二極管，以消除Vbe。這樣，硅二極管的壓降補(bǔ)償了晶體管的壓降。如前所述，效率不是電路的優(yōu)勢。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，它會增加。巨大的差異會導(dǎo)致大量功率消耗在未使用的熱量中。

• V（in）：11.993 V（由于電池的內(nèi)阻導(dǎo)致電壓降很?。?/li>
• V（輸出）：7.8 V;
• I（batt）：90.98 mA；
• I（負(fù)載）：78.05 mA;
• I（齊納）：12.93 mA；
• P（batt）：1.09 W；
• P（負(fù)載）：609.20 mW。

因此效率非常低，約為55.89％。降低電壓時，晶體管耗散的功率等于322.6 mW，該值太高。請記住，對于這種類型的應(yīng)用程序，建議使用新的開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)。

改進(jìn)的穩(wěn)定度和誤差放大器

提到的穩(wěn)定器具有非常簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且由很少的組件組成，但是它具有一定的不穩(wěn)定性，并且由于齊納電壓會阻止輸出電壓的變化，因此無法改變它。要解決該問題，可以使用提供額外的晶體管和一些電位計(jì)的解決方案。新的Q3晶體管用作DC誤差放大器，作用于Q2晶體管的導(dǎo)通。因此，可以進(jìn)一步改善輸出電壓的調(diào)節(jié)，使得輸出負(fù)載，輸入電壓或溫度的異常變化不會影響輸出電壓。為了獲得更好的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋電路，以便自動調(diào)整工作值的任何變化。圖2中的圖顯示了具有誤差放大功能的輸出穩(wěn)壓器的理論但功能齊全的電路。該電路的特征在于以下參數(shù)和組件：

• V（in）：11.993 V（由于電池的內(nèi)阻導(dǎo)致電壓降很小）；
• V（輸出）：8 V;
• I（batt）：87.83 mA；
• I（負(fù)載）：80.08 mA;
• I（齊納）：7.09 mA。這次，齊納二極管的值為4.7V。
• P（batt）：1.05 W；
• P（負(fù)載）：641.31 mW。

圖2：通過誤差放大的調(diào)節(jié)器圖

Q2晶體管就像一個可變電阻一樣工作，由Q3的電流驅(qū)動，該電流將齊納二極管的參考電壓與分壓器R5-R6的參考電壓進(jìn)行比較。該差被放大，并且由于電路的負(fù)反饋，輸出電壓足夠。這樣，將輸出電壓的一部分與參考電壓VZ進(jìn)行比較。兩個電壓之間的差作用在Q2晶體管上，該晶體管用作控制元件，以穩(wěn)定Vout。根據(jù)以下公式，輸出電壓取決于分壓器R5-R6，齊納二極管的電阻值與Q3的VBE功率之比。

該解決方案還有助于略微提高電路效率，在所檢查的情況下，該效率達(dá)到61.07％。要確定R4電阻（為齊納二極管供電的電阻）的值，可以使用以下公式：

分壓器R5-R6的值非常關(guān)鍵。電阻的尺寸必須精確，并通過連接的電位計(jì)或微調(diào)器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。為了使分壓器向Q3晶體管提供正確的電流，必須流過足夠大的電流以確保其良好的熱穩(wěn)定性，但又不能太大，以免使電路輸出過載。以下公式可幫助計(jì)算兩個分壓器電阻。

讓我們測量電壓偏移隨溫度的變化

第二個電路極大地提高了穩(wěn)定器的性能，使其幾乎不受溫度變化的影響。現(xiàn)在，讓我們檢查兩個電路上的熱效應(yīng)，檢查輸出端的電壓變化。圖3顯示了在上述條件下這兩個電路的靜態(tài)操作。模擬是在0°C到+ 50°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。從兩個圖表可以看出，兩個穩(wěn)定器的輸出電壓相對于熱條件是可變的。特別是，圖中的測量顯示了以下詳細(xì)信息：

紅色曲線代表在0°C至50°C的可變工作溫度下負(fù)載為100 Ohm的第一個電路的輸出。我們可以看到輸出電壓逐漸上升且呈線性增加，達(dá)到0°C。 7.61 V和7.96 V的50°C，最大總偏移為0.35V。

藍(lán)色圖表示在0°C至50°C的可變工作溫度下負(fù)載為100 Ohm的第二個電路的輸出。在0°C為8.08時，可以看到輸出電壓的逐漸線性下降V，在50°C下為7.94 V，最大總偏移為0.14V。因此，第二個電路對溫度沒有任何影響，受熱變化的影響也小得多。

圖3：輸出電壓與工作溫度的關(guān)系圖

可能的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建一個真實(shí)的PCB來構(gòu)建穩(wěn)定器的實(shí)用原型，如圖4所示。測量和比較電路各個點(diǎn)的電壓，電流和功率值很有趣。

圖4：經(jīng)過糾錯的穩(wěn)定器電路PCB的示例

結(jié)論

重要的是要記住，溫度會影響半導(dǎo)體的性能，并且VBE和VZ參數(shù)尤其會受到熱變化的影響。VBE電壓降低約2.5 mV /°C，而對于VZ，則必須區(qū)分齊納二極管的類型。對于以VZ> 5 V為特征的模型，溫度系數(shù)為正，并且溫度的升高決定了差動電阻的升高。對于以VZ <5 V為特征的模型，溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高對應(yīng)于差分電阻的降低。無論如何，如果您需要效率高于90％的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，則必須考慮設(shè)計(jì)降壓型開關(guān)系統(tǒng)。

編輯：hfy