【模擬電子技術Analog Electronics Technology 30】—— 直流電源 之 穩壓電路分析【終章】

終於迎來了《模擬電子技術基礎》這學期課程最後一章最後一個知識要點的學習啦！大家一起擼起袖子加油幹！！穩壓電路還是蠻重要的，因此，本文也會花大篇幅詳細分析。我們開始吧！

1.穩壓管穩壓電路

我們來看看電路圖：$U_1$是我們經過濾波之後的輸出電壓，圖中虛線框的部分就是最簡單的穩壓電路了，它由一個電阻R和一支穩壓管構成。

從上面的電路圖，我們可以得到兩個重要的關係式：$\left \{ \begin{array}{c} I_R = I_{DZ} + I_O\\ U_1 = U_R + U_O\\ \end{array} \right.$
在介紹穩壓原理之前，我們回顧一下穩壓管的伏安特性：

1.1 穩壓原理

好，下面介紹穩壓過程：
【情況1】：當電網電壓增大時，$\longrightarrow$$U_1$也隨之增大，$\longrightarrow$$U_1$的增大又會導致輸出電壓$U_O$的增大，$\longrightarrow$由於$U_O = U_Z$，根據穩壓管的伏安特性曲線，當$U_Z$增大一點點時，穩壓電流$I_{DZ}$就會急劇增大$\longrightarrow$由式子$I_R = I_{DZ} + I_O$可知，$I_{DZ}$的急劇增大會導致$I_R$的增大$\longrightarrow$$I_R$的增大使得$U_R$增大，那麼只要我們參數選擇合理，我們就可以讓$U_R$的增量和$U_1$的增大相等，這樣一來，由式子：$U_1 = U_R + U_O$可知，我們就能夠使得$U_O$基本不變
（當然，電網電壓下降的情況分析也是類似的）

【情況二】：當負載電阻$R_L$減小$\longrightarrow$流過$R_L$的電流$I_O$增大$\longrightarrow$$I_R$也隨之增大$\longrightarrow$$U_R$增大$\longrightarrow$由式子$U_1 = U_R + U_O$可知：$U_O$將會下降，即$U_{DZ}$下降$\longrightarrow$由穩壓管的伏安特性曲線可知，$U_{DZ}$的下降將導致$I_{DZ}$的急劇減小$\longrightarrow$那麼只要我們合理選擇參數，就可以讓穩壓管電流的變化量大小等於$I_O$變化量大小，從而使得$I_R$不變，進而$U_R$不變，使得輸出電壓不變

1.2 性能指標

下圖是穩壓電路的交流等效電路：

穩壓係數$S_r$：$S_R = \frac{r_z}{R}\frac{U_1}{U_Z}$

電路的輸出電阻$R_O = R // r_z ≈ r_z$
($r_z$是穩壓管的動態等效電阻，一般題目會給出）

1.3 電路參數的選擇

1.3.1 穩壓管的選擇

我們首先要明確兩件事情：穩壓管穩壓電路工作時應該有以下兩個條件成立：
$\left \{ \begin{array}{c} U_O = U_{DZ}\\ I_{Z(max)} - I_{Z(min)} > I_{L(max)} - I_{L(min)} \end{array} \right.$
$I_{Z(max)} - I_{Z(min)} > I_{L(max)} - I_{L(min)}$這個式子的意思是穩壓管的穩壓電流範圍應該要大於負載電流的變化範圍。爲什麼這樣說呢？大家回顧以下我們在上面所說的：當負載變化的情況下是如何穩壓的？由於$I_R = I_{DZ} + I_O$，當$I_O$變化時，電路會使得$I_{DZ}$產生一個和$I_O$相反的變化，而且它們的變化量大小几乎相等。所以我們在選擇穩壓管的時候，才應該要使得穩壓管穩壓電流的範圍大於負載電流的變化範圍

1.3.2 限流電阻R的選擇

請大家記住一條原則：我們在選限流電阻R的時候，要考慮下面兩點：

1. 所選取的R應該使得流過穩壓管的電流$I_{DZ}$的最大值小於$I_{Z(max)}$(最大穩定電流）
2. 所選取的R應該使得流過穩壓管的電流$I_{DZ}$的最小值大於$I_{Z(min)}$（最小穩定電流）

我們來推導一下：
首先，限流電阻上的電壓：$U_R =U_1 - U_O$
因此，限流電阻上的電流$I_R = \frac{U_1-U_O}{R}$
那麼，流過穩壓管的電流即爲：$I_{DZ} = I_R - I_O = \frac{U_1-U_O}{R} - I_O = \frac{U_1-U_Z}{R} - I_O$
那麼，流過穩壓管的最小電流即爲：$I_{DZ(min)} = \frac{U_{1(min)}-U_Z}{R} - I_{O(max)}$
應有：$I_{DZ(min)} > I_{Z(min)}$
類似地，流過穩壓管的最大電流爲：$I_{DZ(max)} = \frac{U_{1max)}-U_Z}{R} - I_{O(min)}$
應有：$I_{DZ(max)} < I_{Z(max)}$

$U_I$的變化來自於電網電壓的波動，波動範圍題目都會給出

2.串聯型穩壓電路

2.1 基本調整管穩壓電路

如果，我們想擴大負載電阻的電流範圍，應該怎麼做？
我們知道：在穩壓管穩壓電路中，負載電流的變化範圍就是穩壓管電流的變化範圍，那麼，假如我們把穩壓管電流作爲一個晶體管放大電路的輸入，負載電流作爲放大電路的輸出，那麼似乎就是實現了我們的想法。我們來看看電路長什麼樣：

我們來看看穩壓過程：
由於$U_1$的增大導致$U_O$增大$\longrightarrow$由於T管的基極電位$U_B = U_{DZ}$幾乎不變$\longrightarrow$因此$U_{BE} = U_B - U_O$，$U_{BE}$將減小$\longrightarrow$由三極管的輸入特性曲線可知：$U_{BE}$減小導致$i_B$減小$\longrightarrow$進而$i_C$和$i_E$減小$\longrightarrow$最終使得$U_O$減小

2.2 具有放大環節的串聯型穩壓電路

爲了使輸出電壓可調，也爲了增加電壓負反饋以提高電輸出電壓的穩定性，通常在基本調整管穩壓電路的基礎上引入放大環節：

這個穩壓原理也是挺明顯的，我們分析一下：
首先，A反相輸入端的輸入電壓爲：$u_N = \frac{R_{2下}+R_3}{R_1+R_2+R_3}U_O$
那麼，當$U_1$增大時$\longrightarrow$$U_O$也增大$\longrightarrow$由上式可知$u_N$也隨之增大$\longrightarrow$那麼經過比較放大之後，使得T的$U_B$減小（因爲輸入在了反相輸入端）$\longrightarrow$因此經過三極管之後就會使得$U_O$減小

下面我們來看看輸出電壓的可調節範圍：在理想運放下，我們有$u_P = u_N$，因此，我們得到：$\frac{R_{2下}+R_3}{R_1+R_2+R_3}U_O = U_{DZ}$
即：$U_O = \frac{R_1+R_2+R_3}{R_{2下} +R_{3}}U_{DZ}$
通過滑動變阻器滑片在$R_2$上的位置即可調節$U_O$

另外，我們在這種電路中是希望調整管工作在放大區 的，因此，我們需要調整管$CE$之間的電壓的最小值要比它的飽和管壓降大，對於$u_{CE}$，我們有：$u_{CE} = U_1 - U_O$
當輸入電壓$U_1$最小，而輸出電壓$U_O$最大時，$u_{CE}$最小，即：$u_{CE(min)} = U_{1(min)} - U_{O(max)}$
然後，爲了使調整管工作在放大區，我們就要令：$u_{CE(min)} > U_{CES}$
【下面我們來看調整管的選擇】：

1. 首先是T的最大管壓降：由於$U_{CE} = U_1 - U_O$，因此，在$U_1$最大而$U_O$最小的時候，晶體管的壓降最大：$U_{CE(max)} = U_{1(max)} - U_{O(max)}$
2. 調整管的最大集電極電流：$I_{C(max)} = I_{L(max)}$
3. 調整管的最大功耗：$P_{CM} = I_{L(max)}U_{CE(max)}$

3.集成穩壓電路

W7800三端穩壓器

【1】輸出電壓：5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V。輸出電壓的值看78後面的兩個數字：例如W7805表示輸出電壓是5V
【2】輸出電流：看78和後面兩個數字之間的字母：如果沒有字母，那麼輸出電流就是1.5A；如果是字母M，表示輸出電流是0.5A；如果是字母L，表示輸出電流是0.1A
例如：W78M05表示：輸出電流是0.5A，輸出電壓爲5V

大家注意上圖右邊的方框圖，2，3之間的電壓就是W7800的輸出電壓$U_O'$

W7800的一些應用：

1. 擴大輸出電流的穩壓電路

電路的輸出電壓$U_O$爲：$U_O = U_O' + U_D - U_{BE}$
而$U_D = U_{BE}$，因此在理想情況下有：$U_O = U_O'$.即二極管的作用是抵消三極管$U_{BE}$對輸出電壓的影響。下面我們來看看輸出電流：
三極管基極的輸入電流爲：$I_B = I_O - I_R$，那麼輸出電壓的最大值即爲：$I_{L(max)} = (1+β)(I_{O(max)} - I_R)$

W117

輸出電壓和電流大家要記得：輸出電壓是1.25V，輸出電流是1.5A

電路千千萬，分析第一條，要點找不對，做題兩行淚

終於把本學期《模擬電子技術基礎》的基本知識點都整理完啦！其實還有很多細節博主沒有寫到，那些還得考不斷的做題去打磨和體會。希望要考模電的童鞋們都能考出自己理想的成績！！