【模拟电子技术Analog Electronics Technology 30】—— 直流电源 之 稳压电路分析【终章】

终于迎来了《模拟电子技术基础》这学期课程最后一章最后一个知识要点的学习啦！大家一起撸起袖子加油干！！稳压电路还是蛮重要的，因此，本文也会花大篇幅详细分析。我们开始吧！

1.稳压管稳压电路

我们来看看电路图：$U_1$是我们经过滤波之后的输出电压，图中虚线框的部分就是最简单的稳压电路了，它由一个电阻R和一支稳压管构成。

从上面的电路图，我们可以得到两个重要的关系式：$\left \{ \begin{array}{c} I_R = I_{DZ} + I_O\\ U_1 = U_R + U_O\\ \end{array} \right.$
在介绍稳压原理之前，我们回顾一下稳压管的伏安特性：

1.1 稳压原理

好，下面介绍稳压过程：
【情况1】：当电网电压增大时，$\longrightarrow$$U_1$也随之增大，$\longrightarrow$$U_1$的增大又会导致输出电压$U_O$的增大，$\longrightarrow$由于$U_O = U_Z$，根据稳压管的伏安特性曲线，当$U_Z$增大一点点时，稳压电流$I_{DZ}$就会急剧增大$\longrightarrow$由式子$I_R = I_{DZ} + I_O$可知，$I_{DZ}$的急剧增大会导致$I_R$的增大$\longrightarrow$$I_R$的增大使得$U_R$增大，那么只要我们参数选择合理，我们就可以让$U_R$的增量和$U_1$的增大相等，这样一来，由式子：$U_1 = U_R + U_O$可知，我们就能够使得$U_O$基本不变
（当然，电网电压下降的情况分析也是类似的）

【情况二】：当负载电阻$R_L$减小$\longrightarrow$流过$R_L$的电流$I_O$增大$\longrightarrow$$I_R$也随之增大$\longrightarrow$$U_R$增大$\longrightarrow$由式子$U_1 = U_R + U_O$可知：$U_O$将会下降，即$U_{DZ}$下降$\longrightarrow$由稳压管的伏安特性曲线可知，$U_{DZ}$的下降将导致$I_{DZ}$的急剧减小$\longrightarrow$那么只要我们合理选择参数，就可以让稳压管电流的变化量大小等于$I_O$变化量大小，从而使得$I_R$不变，进而$U_R$不变，使得输出电压不变

1.2 性能指标

下图是稳压电路的交流等效电路：

稳压系数$S_r$：$S_R = \frac{r_z}{R}\frac{U_1}{U_Z}$

电路的输出电阻$R_O = R // r_z ≈ r_z$
($r_z$是稳压管的动态等效电阻，一般题目会给出）

1.3 电路参数的选择

1.3.1 稳压管的选择

我们首先要明确两件事情：稳压管稳压电路工作时应该有以下两个条件成立：
$\left \{ \begin{array}{c} U_O = U_{DZ}\\ I_{Z(max)} - I_{Z(min)} > I_{L(max)} - I_{L(min)} \end{array} \right.$
$I_{Z(max)} - I_{Z(min)} > I_{L(max)} - I_{L(min)}$这个式子的意思是稳压管的稳压电流范围应该要大于负载电流的变化范围。为什么这样说呢？大家回顾以下我们在上面所说的：当负载变化的情况下是如何稳压的？由于$I_R = I_{DZ} + I_O$，当$I_O$变化时，电路会使得$I_{DZ}$产生一个和$I_O$相反的变化，而且它们的变化量大小几乎相等。所以我们在选择稳压管的时候，才应该要使得稳压管稳压电流的范围大于负载电流的变化范围

1.3.2 限流电阻R的选择

请大家记住一条原则：我们在选限流电阻R的时候，要考虑下面两点：

1. 所选取的R应该使得流过稳压管的电流$I_{DZ}$的最大值小于$I_{Z(max)}$(最大稳定电流）
2. 所选取的R应该使得流过稳压管的电流$I_{DZ}$的最小值大于$I_{Z(min)}$（最小稳定电流）

我们来推导一下：
首先，限流电阻上的电压：$U_R =U_1 - U_O$
因此，限流电阻上的电流$I_R = \frac{U_1-U_O}{R}$
那么，流过稳压管的电流即为：$I_{DZ} = I_R - I_O = \frac{U_1-U_O}{R} - I_O = \frac{U_1-U_Z}{R} - I_O$
那么，流过稳压管的最小电流即为：$I_{DZ(min)} = \frac{U_{1(min)}-U_Z}{R} - I_{O(max)}$
应有：$I_{DZ(min)} > I_{Z(min)}$
类似地，流过稳压管的最大电流为：$I_{DZ(max)} = \frac{U_{1max)}-U_Z}{R} - I_{O(min)}$
应有：$I_{DZ(max)} < I_{Z(max)}$

$U_I$的变化来自于电网电压的波动，波动范围题目都会给出

2.串联型稳压电路

2.1 基本调整管稳压电路

如果，我们想扩大负载电阻的电流范围，应该怎么做？
我们知道：在稳压管稳压电路中，负载电流的变化范围就是稳压管电流的变化范围，那么，假如我们把稳压管电流作为一个晶体管放大电路的输入，负载电流作为放大电路的输出，那么似乎就是实现了我们的想法。我们来看看电路长什么样：

我们来看看稳压过程：
由于$U_1$的增大导致$U_O$增大$\longrightarrow$由于T管的基极电位$U_B = U_{DZ}$几乎不变$\longrightarrow$因此$U_{BE} = U_B - U_O$，$U_{BE}$将减小$\longrightarrow$由三极管的输入特性曲线可知：$U_{BE}$减小导致$i_B$减小$\longrightarrow$进而$i_C$和$i_E$减小$\longrightarrow$最终使得$U_O$减小

2.2 具有放大环节的串联型稳压电路

为了使输出电压可调，也为了增加电压负反馈以提高电输出电压的稳定性，通常在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节：

这个稳压原理也是挺明显的，我们分析一下：
首先，A反相输入端的输入电压为：$u_N = \frac{R_{2下}+R_3}{R_1+R_2+R_3}U_O$
那么，当$U_1$增大时$\longrightarrow$$U_O$也增大$\longrightarrow$由上式可知$u_N$也随之增大$\longrightarrow$那么经过比较放大之后，使得T的$U_B$减小（因为输入在了反相输入端）$\longrightarrow$因此经过三极管之后就会使得$U_O$减小

下面我们来看看输出电压的可调节范围：在理想运放下，我们有$u_P = u_N$，因此，我们得到：$\frac{R_{2下}+R_3}{R_1+R_2+R_3}U_O = U_{DZ}$
即：$U_O = \frac{R_1+R_2+R_3}{R_{2下} +R_{3}}U_{DZ}$
通过滑动变阻器滑片在$R_2$上的位置即可调节$U_O$

另外，我们在这种电路中是希望调整管工作在放大区 的，因此，我们需要调整管$CE$之间的电压的最小值要比它的饱和管压降大，对于$u_{CE}$，我们有：$u_{CE} = U_1 - U_O$
当输入电压$U_1$最小，而输出电压$U_O$最大时，$u_{CE}$最小，即：$u_{CE(min)} = U_{1(min)} - U_{O(max)}$
然后，为了使调整管工作在放大区，我们就要令：$u_{CE(min)} > U_{CES}$
【下面我们来看调整管的选择】：

1. 首先是T的最大管压降：由于$U_{CE} = U_1 - U_O$，因此，在$U_1$最大而$U_O$最小的时候，晶体管的压降最大：$U_{CE(max)} = U_{1(max)} - U_{O(max)}$
2. 调整管的最大集电极电流：$I_{C(max)} = I_{L(max)}$
3. 调整管的最大功耗：$P_{CM} = I_{L(max)}U_{CE(max)}$

3.集成稳压电路

W7800三端稳压器

【1】输出电压：5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V。输出电压的值看78后面的两个数字：例如W7805表示输出电压是5V
【2】输出电流：看78和后面两个数字之间的字母：如果没有字母，那么输出电流就是1.5A；如果是字母M，表示输出电流是0.5A；如果是字母L，表示输出电流是0.1A
例如：W78M05表示：输出电流是0.5A，输出电压为5V

大家注意上图右边的方框图，2，3之间的电压就是W7800的输出电压$U_O'$

W7800的一些应用：

1. 扩大输出电流的稳压电路

电路的输出电压$U_O$为：$U_O = U_O' + U_D - U_{BE}$
而$U_D = U_{BE}$，因此在理想情况下有：$U_O = U_O'$.即二极管的作用是抵消三极管$U_{BE}$对输出电压的影响。下面我们来看看输出电流：
三极管基极的输入电流为：$I_B = I_O - I_R$，那么输出电压的最大值即为：$I_{L(max)} = (1+β)(I_{O(max)} - I_R)$

W117

输出电压和电流大家要记得：输出电压是1.25V，输出电流是1.5A

电路千千万，分析第一条，要点找不对，做题两行泪

终于把本学期《模拟电子技术基础》的基本知识点都整理完啦！其实还有很多细节博主没有写到，那些还得考不断的做题去打磨和体会。希望要考模电的童鞋们都能考出自己理想的成绩！！