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電子電路 - 穩壓器
在電源系統中，負載之前的最後一個階段是穩壓器部分。現在讓我們嘗試瞭解什麼是穩壓器以及它的作用。
處理電力控制和轉換的電子學部分可以稱為電力電子學。穩壓器是電力電子學中一項重要的器件，因為它控制著功率輸出。
穩壓器的必要性
為了使電源產生恆定的輸出電壓，無論輸入電壓變化或負載電流變化如何，都需要一個穩壓器。
穩壓器是一種能夠維持恆定輸出電壓的器件，無論施加的輸入電壓發生任何波動或負載電流發生任何變化。下圖展示了一個實際穩壓器的示意圖。
穩壓器的型別
根據穩壓器的工作原理和連線方式，可以將其分為不同的類別。
根據調節型別，穩壓器主要分為兩種型別：線路穩壓器和負載穩壓器。
線路穩壓器 - 無論輸入線路發生什麼變化，都能使輸出電壓保持恆定的穩壓器，稱為線路穩壓器。
負載穩壓器 - 無論輸出端的負載發生什麼變化，都能使輸出電壓保持恆定的穩壓器，稱為負載穩壓器。
根據連線型別，穩壓器有兩種型別：
- 串聯穩壓器
- 並聯穩壓器
它們在電路中的佈置方式如下圖所示。
讓我們看看其他重要的穩壓器型別。
穩壓二極體穩壓器
穩壓二極體穩壓器使用穩壓二極體來調節輸出電壓。我們已經在基礎電子學教程中詳細討論了穩壓二極體。
當穩壓二極體工作在擊穿或齊納區時，其兩端的電壓對於透過它的大幅電流變化來說基本上是恆定的。這種特性使穩壓二極體成為一個良好的穩壓器。
下圖顯示了一個簡單的穩壓二極體穩壓器的示意圖。
當施加的輸入電壓 $V_i$ 超過穩壓二極體電壓 $V_z$ 時，穩壓二極體工作在擊穿區域，並保持負載兩端的電壓恆定。串聯限流電阻 $R_s$ 限制輸入電流。
穩壓二極體穩壓器的工作原理
穩壓二極體即使在負載變化和輸入電壓波動的情況下也能保持其兩端的電壓恆定。因此，我們可以考慮四種情況來理解穩壓二極體穩壓器的工作原理。
情況 1 - 如果負載電流 $I_L$ 增加，則穩壓二極體的電流 $I_Z$ 會減少，以保持串聯電阻 $R_S$ 的電流恆定。輸出電壓 Vo 取決於輸入電壓 Vi 和串聯電阻 $R_S$ 兩端的電壓。
可以寫成
$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$
其中 $I$ 是恆定的。因此，$V_o$ 也保持恆定。
情況 2 - 如果負載電流 $I_L$ 減小，則穩壓二極體的電流 $I_Z$ 會增加，因為 RS 串聯電阻的電流 $I_S$ 保持恆定。儘管透過穩壓二極體的電流 $I_Z$ 增加，但它保持恆定的輸出電壓 $V_Z$，從而使負載電壓保持恆定。
情況 3 - 如果輸入電壓 $V_i$ 增加，則串聯電阻 RS 的電流 $I_S$ 增加。這會增加電阻兩端的電壓降，即 $V_S$ 增加。儘管透過穩壓二極體的電流 $I_Z$ 隨之增加，但穩壓二極體兩端的電壓 $V_Z$ 保持恆定，使輸出負載電壓保持恆定。
情況 4 - 如果輸入電壓降低，則串聯電阻的電流降低，這使得透過穩壓二極體的電流 $I_Z$ 降低。但由於穩壓二極體的特性，它保持輸出電壓恆定。
穩壓二極體穩壓器的侷限性
穩壓二極體穩壓器有一些侷限性。它們是 -
- 對於大負載電流，效率較低。
- 穩壓二極體的阻抗會略微影響輸出電壓。
因此，穩壓二極體穩壓器被認為適用於低電壓應用。現在，讓我們瞭解其他使用晶體管制成的穩壓器型別。
電晶體串聯穩壓器
這種穩壓器有一個電晶體串聯在穩壓二極體穩壓器上，並且兩者都並聯在負載上。電晶體充當可變電阻，調節其集電極發射極電壓以保持輸出電壓恆定。下圖顯示了電晶體串聯穩壓器。
在輸入工作條件下，透過電晶體基極的電流會發生變化。這會影響電晶體的基極發射極結電壓 $V_{BE}$。輸出電壓由穩壓二極體電壓 $V_Z$ 維持，該電壓是恆定的。由於兩者保持相等，因此輸入電源的任何變化都會透過發射極基極電壓 $V_{BE}$ 的變化來體現。
因此，輸出電壓 Vo 可以理解為
$$V_O=V_Z+V_{BE}$$
電晶體串聯穩壓器的工作原理
對於輸入和負載變化，應考慮串聯穩壓器的工作原理。如果輸入電壓增加，輸出電壓也會增加。但這反過來會使集電極基極結電壓 $V_{BE}$ 降低，因為穩壓二極體電壓 $V_Z$ 保持恆定。由於發射極集電極區域的電阻增加，導通減小。這進一步增加了集電極發射極結電壓 VCE，從而降低了輸出電壓 $V_O$。當輸入電壓降低時，情況類似。
當負載發生變化時，這意味著如果負載電阻降低，負載電流 $I_L$ 增加，輸出電壓 $V_O$ 降低，發射極基極電壓 $V_{BE}$ 增加。
隨著發射極基極電壓 $V_{BE}$ 的增加，導通增加，降低了發射極集電極電阻。這反過來又增加了輸入電流，從而補償了負載電阻的降低。當負載電流增加時，情況類似。
電晶體串聯穩壓器的侷限性
電晶體串聯穩壓器具有以下侷限性 -
- 電壓 $V_{BE}$ 和 $V_Z$ 受溫度升高的影響。
- 無法實現良好的大電流調節。
- 功耗高。
- 功耗高。
- 效率低。
為了最大限度地減少這些侷限性，使用了電晶體並聯穩壓器。
電晶體並聯穩壓器
電晶體並聯穩壓器電路透過將一個電阻串聯在輸入端，並將一個電晶體的基極和集電極連線到一個穩壓二極體（該穩壓二極體進行調節），兩者都並聯在負載上。下圖顯示了電晶體並聯穩壓器的電路圖。
電晶體並聯穩壓器的工作原理
如果輸入電壓增加，$V_{BE}$ 和 $V_O$ 也會增加。但這只是最初發生的情況。實際上，當 $V_{in}$ 增加時，電流 $I_{in}$ 也會增加。當此電流流過 RS 時，會在串聯電阻上產生一個電壓降 $V_S$，該電壓降也會隨著 $V_{in}$ 的增加而增加。但這會導致 $V_o$ 降低。現在，$V_o$ 的這種降低補償了最初的增加，使其保持恆定。因此，$V_o$ 保持恆定。如果輸出電壓反而降低，則會發生相反的情況。
如果負載電阻降低，則輸出電壓 $V_o$ 應該降低。流過負載的電流增加。這會導致電晶體的基極電流和集電極電流降低。由於電流大量流過，串聯電阻上的電壓降低。輸入電流將保持恆定。
出現的輸出電壓將是施加電壓 $V_i$ 和串聯電壓降 $V_s$ 之間的差值。因此，輸出電壓將增加以補償最初的下降，並因此保持恆定。如果負載電阻增加，則會發生相反的情況。
積體電路穩壓器
如今，穩壓器以積體電路 (IC) 的形式提供。這些簡稱為積體電路穩壓器。
除了像普通穩壓器一樣的功能外，積體電路穩壓器還具有諸如熱補償、短路保護和浪湧保護等特性，這些特性內建在器件中。
積體電路穩壓器的型別
積體電路穩壓器可以是以下型別 -
- 固定正電壓穩壓器
- 固定負電壓穩壓器
- 可調電壓穩壓器
- 雙軌電壓穩壓器
現在讓我們詳細討論它們。
固定正電壓穩壓器
這些穩壓器的輸出固定到一個特定值，並且這些值是正的，這意味著提供的輸出電壓是正電壓。
最常用的系列是 7800 系列，積體電路將像 IC 7806、IC 7812 和 IC 7815 等，它們分別提供 +6v、+12v 和 +15v 作為輸出電壓。下圖顯示了連線以提供固定 10v 正穩壓輸出電壓的 IC 7810。
在上圖中，輸入電容 $C_1$ 用於防止不需要的振盪，輸出電容 $C_2$ 充當線路濾波器以改善瞬態響應。
固定負電壓穩壓器
這些穩壓器的輸出固定到一個特定值，並且這些值是負的，這意味著提供的輸出電壓是負電壓。
最常用的系列是 7900 系列，積體電路將像 IC 7906、IC 7912 和 IC 7915 等，它們分別提供 -6v、-12v 和 -15v 作為輸出電壓。下圖顯示了連線以提供固定 10v 負穩壓輸出電壓的 IC 7910。
在上圖中，輸入電容 $C_1$ 用於防止不需要的振盪，輸出電容 $C_2$ 充當線路濾波器以改善瞬態響應。
可調電壓穩壓器
可調穩壓器具有三個端子：IN（輸入）、OUT（輸出）和ADJ（調節）。輸入和輸出端子是共用的，而調節端子則連線了一個可變電阻，允許輸出電壓在較寬的範圍內變化。
上圖顯示了一個非穩壓電源驅動一個常用的LM317可調整合穩壓器。LM317是一個三端正可調穩壓器，可以在1.25V到37V的可調輸出範圍內提供1.5A的負載電流。
雙軌穩壓器
當需要分壓電源時，使用雙軌穩壓器。它們提供相等的值的正負輸出電壓。例如，RC4195積體電路提供+15V和-15V的直流輸出。這需要兩個非穩壓輸入電壓，例如正輸入電壓可能在+18V到+30V之間變化，負輸入電壓可能在-18V到-30V之間變化。
上圖顯示了一個雙軌RC4195整合穩壓器。也可使用可調雙軌穩壓器，其輸出在兩個額定限值之間變化。