電源設計改進穩定度和誤差放大器的解決方案

電池，變壓器，電源和轉換器會不斷受到能量損失的影響。結果，負載上的輸出電壓會降低。溫度是性能的另一個關鍵特征。通過創建誤差放大系統，可以在任何類型的負載下穩定輸出電壓。

穩壓二極管穩定器

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

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

所需的7.5 V輸出電壓，以該電壓為電源燈，立體聲系統或其他負載供電；

使用的功率晶體管是經典的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。

電解電容器具有進一步提高穩定性的功能，使輸出信號更清潔。

圖1：典型的穩定器

電路的輸出電壓不再與齊納二極管的電壓相對應，但是還必須考慮基極和發射極之間的電壓降（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載的電流除以組件本身的“ beta”。這個電流很小。電路的穩定性非常好，輸出電壓也很穩定。實際上，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，則可以插入一個與齊納二極管串聯的硅二極管，以消除Vbe。這樣，硅二極管的壓降補償了晶體管的壓降。如前所述，效率不是電路的優勢。當輸入電壓接近輸出電壓時，它會增加。巨大的差異會導致大量功率消耗在未使用的熱量中。

• V（in）：11.993 V（由于電池的內阻導致電壓降很?。?；
• V（輸出）：7.8 V;
• I（batt）：90.98 mA；
• I（負載）：78.05 mA;
• I（齊納）：12.93 mA；
• P（batt）：1.09 W；
• P（負載）：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，對于這種類型的應用程序，建議使用新的開關轉換技術。

改進的穩定度和誤差放大器

提到的穩定器具有非常簡單的優點，并且由很少的組件組成，但是它具有一定的不穩定性，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晶體管的導通。因此，可以進一步改善輸出電壓的調節，使得輸出負載，輸入電壓或溫度的異常變化不會影響輸出電壓。為了獲得更好的穩定性，可以實現負反饋電路，以便自動調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和組件：

• V（in）：11.993 V（由于電池的內阻導致電壓降很?。?；
• V（輸出）：8 V;
• I（batt）：87.83 mA；
• I（負載）：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（負載）：641.31 mW。

圖2：通過誤差放大的調節器圖

Q2晶體管就像一個可變電阻一樣工作，由Q3的電流驅動，該電流將齊納二極管的參考電壓與分壓器R5-R6的參考電壓進行比較。該差被放大，并且由于電路的負反饋，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，以穩定Vout。根據以下公式，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的值非常關鍵。電阻的尺寸必須精確，并通過連接的電位計或微調器進行精細調整。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定器的性能，使其幾乎不受溫度變化的影響?，F在，讓我們檢查兩個電路上的熱效應，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操作。模擬是在0°C到+ 50°C的溫度范圍內進行的。從兩個圖表可以看出，兩個穩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信息：

紅色曲線代表在0°C至50°C的可變工作溫度下負載為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，達到0°C。 7.61 V和7.96 V的50°C，最大總偏移為0.35V。

藍色圖表示在0°C至50°C的可變工作溫度下負載為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系圖

可能的實現

設計人員可以創建一個真實的PCB來構建穩定器的實用原型，如圖4所示。測量和比較電路各個點的電壓，電流和功率值很有趣。

圖4：經過糾錯的穩定器電路PCB的示例

結論

重要的是要記住，溫度會影響半導體的性能，并且VBE和VZ參數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，溫度系數為負，溫度升高對應于差分電阻的降低。無論如何，如果您需要效率高于90％的轉換系統，則必須考慮設計降壓型開關系統。

編輯：hfy