線性穩(wěn)壓器的Spice模型應用

在本教程中，我們將看到使用宏模型 78xx模擬電源。使用的主要電子軟件是 LTspice（用于電源應用）。它是一種高性能 SPICE 仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強功能和模型，可簡化模擬電路的仿真。

SPICE 庫

不幸的是，許多電子仿真程序本身并不使用 78xx 和 LM317 穩(wěn)壓器的庫。78xx 穩(wěn)壓器是相當復雜的電路，由數(shù)十個晶體管、電阻器和電容器組成（圖 1），其目的是將輸入電壓降低到特定且精確的值。

圖 1：穩(wěn)壓器 78xx 的復雜電氣原理圖

在 LTspice 中，包含任何組件的 SPICE 模型非常簡單。最好手動繪制新組件的符號（擴展名為“.ASY”），并創(chuàng)建名稱顯示在“.SUBCKT”中的引腳（圖 2）。在接線圖中，需要包含帶有 SPICE 指令的庫：

.lib 名稱.lib或.inc 監(jiān)管機構.lib

圖 2：如何繪制新組件

7805 的完整模擬

7805 穩(wěn)壓器的絕對最大額定值如下：

輸入電壓：35V

熱阻結殼 (TO-220)：5°C/W

結空氣熱阻 (TO-220)：65°C/W

工作溫度范圍：–40°C 至 125°C

輸出電流：高達1A

峰值電流：2.2A

現(xiàn)在讓我們對 7805 穩(wěn)壓器的使用進行一些模擬。7808、7812、7815、7824的其他電壓原理相同。在圖3中，我們可以觀察到典型的應用方案。

圖 3：7805 穩(wěn)壓器的典型應用

示例中的電源電壓是可變的，而使用 10 Ω 電阻負載的輸出電壓為 5 V，具有 500 mA 的強電流。讓我們通過在 7 V 和 35 V 之間的范圍內改變電源電壓來檢查效率圖，查看圖 4中的圖。使用以下公式計算效率：

(V(OUT) × I(R1))/(V(IN) × –I(V1)) × 100

圖 4：通過在 7 V 和 35 V 之間改變電源電壓和 100 Ω 負載的電路效率

例如，當電源電壓為 12 V 時，電路效率為 41.3%，而當電源電壓為 20 V 時，電路效率下降到 24.7%。從圖中可以看出，電路的最大效率（約 65%）對應于最低電源電壓，等于 7 V。設計人員應考慮這些參數(shù)。通過將電源電壓提高到 35 V，7805 穩(wěn)壓器的功耗顯著增加，其曲線如圖 5所示。

圖 5：7805 穩(wěn)壓器消耗的功率

現(xiàn)在讓我們評估 7805 的輸出電壓作為負載的函數(shù)，以歐姆表示。該圖顯示在圖 6的左側，表明穩(wěn)壓器的輸出電壓是恒定的 (5 V)，直到負載電阻降至 2 Ω 以下。在這種情況下，由于穩(wěn)壓器的內部保護介入，輸出電壓急劇下降。7805 的輸出電流顯示在同一圖的右側，具體取決于負載，以歐姆表示。

圖 6：輸出電壓和電流與負載的關系圖

讓我們分攤熱量

通常，當輸入電壓遠高于輸出電壓時，串聯(lián)使用兩個或多個穩(wěn)壓器會很有用。使用兩個穩(wěn)壓器，效率沒有提高；相反，它略低，但有助于在兩個設備上分配耗散，如圖 7 所示。這兩個電路的目的是將電壓從 20 V 降低到 5 V。左側的第一個電路僅使用 7805 穩(wěn)壓器，而右側的電路使用 7812 和 7805 級聯(lián)。左側第一個電路的功耗因此分布：

電池 V1 產生的功率 (V(IN) × –I(V1))：10.1 W

7805 (V(IN) × Ix(X1:1) + V(OUT) × Ix(X1:3)) 的功耗：7.6 W

負載 R1 的耗散功率 (V(OUT) × I(R1))：2.5 W

第一回路效率：24.76%

右側第二個電路的功耗因此分布：

電池產生的功率 V2 (V(IN2) × –I(V2))：10.2 W

7812 (V(IN2) × Ix(X3:1) + V(N001) × Ix(X3:3)) 的功耗：4.14 W

7805 的功耗 (V(N001) × Ix(X2:1) + V(OUT2) × Ix(X2:3))：3.5 W

負載耗散功率 (R2 V(OUT2) × I(R2))：2.5 W

第二回路的效率：24.52%

第二個電路的效率略低，但兩個器件上的耗散是分布的。

圖 7：兩個穩(wěn)壓器的使用

使用三個穩(wěn)壓器（7815、7812 和 7805），功率劃分如下：

電池 V3 產生的功率：10.3 W

7815 的耗散功率：2.65 W

7812 的耗散功率：1.58 W

7805 的耗散功率：3.56 W

負載耗散功率：2.5 W

效率：24.28%

7805 是否僅將電壓穩(wěn)定在 5 V？

我們來試試圖 8的接線圖，它提供了一個電阻連接到穩(wěn)壓器的引腳，該引腳通常接地。

圖 8：7805 的可變電源

通過將該電阻 (R2) 的阻值從 50 Ω 更改為 3,000 Ω，輸入電壓為 20 V，我們可以獲得 5.2 V 和 17.7 V 之間的輸出電壓。該電阻的最大吸收約為 5 mA（最大耗散為 60 mW）。為此，我們可以使用電位器來構建連續(xù)可變的電源（圖 9）。輸出電壓還取決于連接的負載。下表顯示了一些示例。

圖 9：通過改變 R2 的值，我們可以獲得可變電源。

研究這種可變電源的效率非常有趣，其曲線如圖 10所示。更高的性能值顯然對應于更高的輸出電壓和更少的散熱。

圖 10：通過改變 R2 的值，電路的效率有所不同。

審核編輯：郭婷