如何糾正電源系統(tǒng)中的錯誤

電池、變壓器、電源和轉(zhuǎn)換器不斷受到能量損失的影響。因此，負(fù)載上的輸出電壓會較低。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)壓器

使用具有電流放大器功能的功率晶體管，您可以創(chuàng)建和構(gòu)建穩(wěn)定器電路，提供高工作電流，保持輸出電壓相當(dāng)恒定，齊納二極管上的電流非常低。圖 1所示電路是穩(wěn)定理論的一個例子，也可用于非常高的功率。不幸的是，效率并不是最好的，因為大部分熱量由晶體管散發(fā)以執(zhí)行其降低電壓的功能。該電路的特點是以下參數(shù)和元件：

12 V 輸入電壓，來自內(nèi)阻約為 0.07 歐姆的汽車電池，以使其行為更接近真實組件；

所需的 7.5 V 輸出電壓，以在此電壓下為電源燈、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，如果消耗的電流超過一定水平，則必須配備足夠的鋁耗散器；

所使用的齊納二極管為 8.2 V。由于晶體管的 BE 結(jié)導(dǎo)致約 0.7 V 的下降，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；

電解電容具有進一步提高穩(wěn)定性的作用，使輸出信號更干凈。

圖 1：典型的穩(wěn)定器

電路的輸出電壓不再對應(yīng)于齊納二極管的電壓，但還需要考慮基極和發(fā)射極之間的壓降（通常等于0.7V左右），使其降低一定值。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)定性很好，輸出電壓相當(dāng)穩(wěn)定。事實上，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對應(yīng)，可以在齊納二極管上串聯(lián)一個硅二極管來抵消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(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（由于電池內(nèi)阻有小電壓降）；

V（輸出）：7.8 V；

I（電池）：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 毫瓦。

因此效率非常低，約為55.89%。降低電壓時，晶體管耗散的功率為322.6 mW，這個值太高了。請記住，對于此類應(yīng)用，建議使用新的開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)。

改進的穩(wěn)定性和誤差放大器

上面提到的穩(wěn)壓器的優(yōu)點是非常簡單，元件少，但它有一定的不穩(wěn)定性，由于被齊納電壓阻擋，輸出電壓不可能改變。要解決此問題，您可以使用提供額外晶體管和一些電位器的解決方案。新的 Q3 晶體管用作直流誤差放大器，作用于 Q2 晶體管的導(dǎo)通。因此，可以進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，可以實施負(fù)反饋電路，以便自動調(diào)整操作值的任何變化。圖2中的示意圖顯示了具有誤差放大功能的輸出電壓調(diào)節(jié)器的理論但功能齊全的電路。該電路的特點是以下參數(shù)和元件：

V（in）：11.993 V（由于電池內(nèi)阻有小電壓降）；

V（輸出）：8 V；

I（電池）：87.83 mA；

I（負(fù)載）：80.08 mA；

I（齊納）：7.09 mA。這次齊納的值為 4.7 V。

P （batt）： 1.05 W;

P（負(fù)載）：641.31 毫瓦。

圖 2：通過誤差放大的穩(wěn)壓器圖

Q2 晶體管就像一個可變電阻器一樣工作，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 的參考電壓進行比較。這種差異被放大，由于電路的負(fù)反饋，輸出電壓是足夠的。這樣，一部分輸出電壓與參考電壓VZ進行比較。兩個電壓之間的差值作用于 Q2 晶體管，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、齊納二極管和 Q3 的 VBE 功率的電阻值之比。

該解決方案還有助于略微提高電路的效率，在所研究的情況下，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 的值極為關(guān)鍵。電阻器的尺寸必須精確，并通過連接的電位器或微調(diào)器進行精細(xì)調(diào)整。為了使分壓器為 Q3 晶體管提供正確的電流，必須有足夠大的電流流過它以確保良好的熱穩(wěn)定性，但又不能太大以免電路輸出過載。以下等式可幫助計算兩個分壓器電阻。

讓我們測量作為溫度函數(shù)的電壓偏移

第二個電路大大提高了穩(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的熱效應(yīng)，檢查輸出端的電壓變化。圖 3顯示了兩個電路在上述條件下的靜態(tài)操作。模擬是在 0°C 到 +50°C 之間的溫度范圍內(nèi)進行的。從兩張圖中可以看出，兩個穩(wěn)定器的輸出電壓隨熱條件而變化。特別是，圖中的測量顯示了以下詳細(xì)信息：

紅色圖代表第一個電路的輸出，負(fù)載為 100 歐姆，工作溫度在 0°C 到 50°C 之間。我們可以看到輸出電壓逐漸線性增加，達到 0°C 7.61 V 和 50 °C 的 7.96 V，最大總偏移為 0.35 V。因此，第一個電路非常依賴于溫度；

藍色圖表示第二個電路的輸出，負(fù)載為 100 歐姆，工作溫度在 0°C 到 50°C 之間。輸出電壓在 0°C 和 8.08 攝氏度之間逐漸線性下降V 和 50 °C 時為 7.94 V，最大總偏移為 0.14 V。因此，第二個電路不受溫度影響，受熱變化的影響要小得多。

圖 3：作為工作溫度函數(shù)的輸出電壓圖

一個可能的實現(xiàn)

設(shè)計人員可以創(chuàng)建一個真實的 PCB 來構(gòu)建穩(wěn)定器的實用原型，如圖 4 所示。測量和比較電路各點的電壓、電流和功率值很有趣。

圖 4：糾錯穩(wěn)定器電路 PCB 示例

結(jié)論

重要的是要記住，溫度會影響半導(dǎo)體的行為，并且 VBE 和 VZ 參數(shù)尤其受熱變化的影響。VBE 電壓下降約 2.5 mV/°C，而對于 VZ 則需要區(qū)分齊納的類型。對于 VZ》 5 V 的模型，溫度系數(shù)為正，溫度升高決定了差分電阻的增加。對于 VZ 《5 V 的模型，溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高對應(yīng)差分電阻降低。在任何情況下，如果您需要效率大于 90% 的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，就必須考慮設(shè)計降壓型開關(guān)系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷