交流電源穩(wěn)壓器_工業(yè)自動電壓穩(wěn)壓調節(jié)器

在理想情況下，大多數(shù)電源的輸出是恒定的電壓。但理想必竟是理想，不幸的是，這很難實現(xiàn)。有兩個因素會導致輸出電壓發(fā)生變化。

首先：交流線路電壓不是恒定的。所謂的220伏交流電的電壓范圍約為200伏至240伏。這意味著整流器響應的峰值交流電壓可以在大約200伏到240伏之間變化。僅交流線路電壓就可能導致直流輸出電壓發(fā)生10%的變化。

第二：負載電阻的變化。在復雜的電子設備中，負載會隨著電路的接通和斷開而變化。比如我們在啟動電動機的時候，會感覺瞬間電壓下降，燈炮的亮度會降低。這是很明顯的變化。

由于電源具有固定的內阻，因此負載電阻的這些變化往往會改變所施加的直流電壓。如果負載電阻減小，電源的內阻會降低更多的電壓。這會導致負載兩端的電壓降低。

許多電路被設計為在特定的電源電壓下運行。當電源電壓發(fā)生變化時，電路的運行可能會受到不利影響。因此，某些類型的設備必須具有能夠產(chǎn)生相同輸出電壓的電源，無論負載電阻或交流線路電壓如何變化。這種恒定的輸出電壓可以通過在濾波器的輸出端添加一個稱為電壓調節(jié)器的電路來實現(xiàn)。目前使用的調節(jié)器有許多不同類型，討論所有這些調節(jié)器超出了本節(jié)的范圍。

一、基本類型：

電壓自動穩(wěn)壓調節(jié)器有兩種基本類型?；倦妷赫{節(jié)器分為串聯(lián)或并聯(lián)，具體取決于調節(jié)元件相對于電路負載電阻的位置或位置。

1．并聯(lián)穩(wěn)壓器：

并聯(lián)穩(wěn)壓器雖然是最簡單的半導體穩(wěn)壓器之一，但通常效率最低。它可用于在負載相對恒定、電壓低到中、輸出電流高的情況下提供穩(wěn)壓輸出。并聯(lián)穩(wěn)壓器利用分壓器原理來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。

下圖顯示了并聯(lián)穩(wěn)壓器的基本形式。由于調節(jié)裝置與負載電阻并聯(lián)，故稱為并聯(lián)型調節(jié)器。固定電阻器Rs與負載電阻器RL和可變電阻器Rreg的并聯(lián)組合串聯(lián)，并在輸入電路上形成分壓器。

基本并聯(lián)調節(jié)器的簡要操作描述將用于解釋實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)的方式。

整個電路中流動的所有電流都流過串聯(lián)電阻Rs。該電流的大小以及Rs上的壓降值由可變電阻Rreg控制。Rs兩端的電壓等于直流電源的較大電壓與負載電阻RL兩端的輸出電壓之間的差。Rs兩端的電壓差根據(jù)需要通過電阻Rreg的作用而變化，以補償電路變化并將負載的輸出電壓保持在所需值恒定。

如果調節(jié)器電路的輸入電壓降低，負載電阻器RL和可變電阻Rreg兩端的電壓往往會降低。為了抵消這種下降，增加了Rreg的電阻，從而減少了流過Rs的總電流，從而減少了其兩端的電壓降。因此，通過降低Rs的電壓差來補償輸入電壓的降低，輸出電壓保持恒定在其標稱值。相反，如果輸入電壓增加，RL和Rreg兩端的電壓呈增加趨勢。為了抵消這種增加，Rreg的電阻被降低。這會導致更多的電流通過Rs，從而增加其兩端的電壓。電壓差的增加補償了輸入電壓的增加，并且輸出電壓再次保持恒定在調節(jié)值。

并聯(lián)穩(wěn)壓器必須能夠承受直流電源的整個輸出電壓；然而，它不必承載滿載電流，除非需要從空載狀態(tài)調節(jié)到滿載狀態(tài)。由于與并聯(lián)穩(wěn)壓器一起使用的串聯(lián)降壓電阻器Rs具有相對較高的功耗，因此此類穩(wěn)壓器的整體效率可能低于其他類型的穩(wěn)壓器。并聯(lián)穩(wěn)壓器的優(yōu)點之一是提供固有的過載和短路保護。串聯(lián)電阻Rs，位于直流電源和負載之間；因此，短路或過載只會降低調節(jié)器電路的輸出電壓。但請注意，在空載條件下，并聯(lián)調節(jié)裝置必須消耗全部輸出；因此，并聯(lián)穩(wěn)壓器最常用于恒負載應用。

從前面段落中給出的一般討論可以看出，并聯(lián)穩(wěn)壓器本質上是一個分壓器電路，無論輸入電壓或負載電流如何變化，負載兩端的輸出電壓都保持基本恒定。改變Rreg的電阻并因此產(chǎn)生可變電壓降所需的控制動作是完全自動的。這一電壓調節(jié)的基本原理用于本節(jié)稍后描述的晶體管并聯(lián)型電壓調節(jié)器中。

2．系列調節(jié)器：

串聯(lián)調節(jié)器，顧名思義，就是將調節(jié)裝置與負載串聯(lián)；調節(jié)是由于改變串聯(lián)器件上產(chǎn)生的電壓而發(fā)生的。串聯(lián)穩(wěn)壓器更適合負載可能發(fā)生相當大變化的高壓和中等輸出電流應用。大多數(shù)關鍵的半導體應用要求穩(wěn)壓源使用串聯(lián)穩(wěn)壓器；因此，調節(jié)器電路的配置有很多種。這些電路配置因一種應用而異，具體取決于給定溫度范圍內所需維持的調節(jié)。

串聯(lián)調節(jié)器可以比喻為與直流電源和負載串聯(lián)的可變電阻，從而形成分壓器。串聯(lián)調節(jié)裝置的可變電阻作用使負載電阻兩端的輸出電壓保持在恒定值。

下圖顯示了一個簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路，以幫助解釋這種電壓調節(jié)原理。可變電阻Rs與負載電阻RL串聯(lián)；因此，兩個串聯(lián)的電阻在輸入電壓上形成分壓器。負載電流流經(jīng)Rs并在其兩端產(chǎn)生電壓。Rs上產(chǎn)生的電壓取決于Rs的電阻值和通過它的負載電流。由于調節(jié)器電路的輸入電壓始終大于所需的輸出電壓，串聯(lián)電阻Rs上產(chǎn)生的電壓變化以獲得負載電阻RL上的期望輸出值。

如果調節(jié)器電路的輸入電壓降低，負載電阻RL和可變電阻Rs兩端的電壓也會降低。為了抵消該電壓下降，可變電阻器Rs的電阻減小，使得Rs兩端產(chǎn)生更小的電壓，并且負載電阻器兩端的電壓返回到其之前的值。相反，如果調節(jié)器電路的輸入電壓增加，負載電阻RL兩端的電壓也會增加。為了抵消這種電壓增加，增加了Rs的電阻，從而在Rs上出現(xiàn)更大的壓降，負載兩端的電壓恢復到原來的值。

從前面幾段的分析可以看出，串聯(lián)型（以及并聯(lián)型）穩(wěn)壓器本質上是一個分壓電路，無論輸入如何，負載上產(chǎn)生的輸出電壓基本恒定。電壓或負載電流變化。改變串聯(lián)調節(jié)裝置并因此在Rs上產(chǎn)生相應的可變電壓所需的控制動作是完全自動的。

3．齊納二極管并聯(lián)型穩(wěn)壓器：

齊納二極管并聯(lián)穩(wěn)壓器用作負載相對恒定的穩(wěn)壓器。該電路經(jīng)常在更復雜的調節(jié)器電路中用作參考電壓源和晶體管串聯(lián)調節(jié)器中的預調節(jié)器。

特征：

A．使用齊納二極管作為并聯(lián)調節(jié)裝置。

B．即使輸入電壓或負載電流發(fā)生變化，負載的調節(jié)輸出電壓也幾乎恒定。

C．采用分壓原理，采用固定電阻和穩(wěn)壓二極管串聯(lián)；穩(wěn)壓負載取自二極管兩端。

D．基本電路的變化允許調節(jié)正電壓或負電壓。

齊納二極管穩(wěn)壓器是最簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓器。調節(jié)器電路由與齊納二極管串聯(lián)的固定電阻器組成。穩(wěn)壓輸出電壓通過二極管產(chǎn)生；因此，負載連接在二極管兩端。穩(wěn)壓器電路產(chǎn)生確定的輸出電壓，該電壓取決于特定齊納二極管的特性。

齊納二極管是一個PN結，在制造過程中經(jīng)過修改以產(chǎn)生特定的擊穿電壓水平；它在相當大的反向電流范圍內以相對接近的電壓容差運行。齊納二極管的電阻會隨著二極管溫度的變化而變化。

二、電路操作：

在上圖中，原理圖“A”和“B”說明了基本穩(wěn)壓器電路中使用的齊納二極管。電阻R1為串聯(lián)電阻；半導體D1是齊納二極管?！癆”中的電路提供正輸入電壓的調節(jié)，而“B”中的電路提供負輸入電壓的調節(jié)。

串聯(lián)電阻R1只需要穩(wěn)定負載即可；它補償二極管工作電壓和未調節(jié)輸入電壓之間的任何差異。串聯(lián)電阻的值取決于齊納二極管和負載的組合電流。選擇串聯(lián)電阻時通常要考慮以下因素：輸入電壓的最小值（未調節(jié)）、負載電流的最大值、齊納二極管電流的最小值以及（了解二極管特性）最高值。齊納二極管及其并聯(lián)負載電阻上產(chǎn)生的電壓。一旦串聯(lián)電阻R1的值確定后，可以通過考慮輸入電壓的最大值（未調節(jié)）、負載電流的最小值以及二極管兩端產(chǎn)生的電壓的最小值（使用建立的串聯(lián)電阻值）來確定二極管的最大功耗對于R1）。為了獲得穩(wěn)定的操作，齊納二極管的操作必須使其反向電流落在指定電壓的最小和最大額定值范圍內。值得注意的是，在空載條件下，齊納二極管必須消耗全部輸出功率。

如果調節(jié)器電路的輸入電壓降低，齊納二極管D1兩端的電壓就會降低，并且通過二極管的電流立即降低。因此，流經(jīng)串聯(lián)電阻器R1的總電流減小，并且R1兩端產(chǎn)生的電壓成比例地減小，使得對于所有實際目的，負載電阻（和齊納二極管）兩端的輸出電壓保持相同。相反，如果調節(jié)器電路的輸入電壓增加，齊納二極管兩端的電壓就會增加，并且通過二極管的電流立即增加。因此，通過串聯(lián)電阻器R1的總電流增加，并且兩端產(chǎn)生的電壓R1按比例增加，因此對于所有實際目的，負載電阻（和齊納二極管）兩端的輸出電壓保持相同。

如果負載電阻汲取的電流減少或增加，則從輸入源汲取的總電流不會改變。相反，通過齊納二極管的電流會發(fā)生相應的變化，并且從源汲取的電流保持恒定，因此負載電阻兩端的輸出電壓保持恒定。

三、晶體管穩(wěn)壓器：

下圖顯示了串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓器的簡化圖。在此圖中，原理圖“A”顯示了用于正電源電壓的調節(jié)器，原理圖“B”顯示了用于負電源電壓的調節(jié)器。請注意，該調節(jié)器有一個晶體管(Q1)代替基本串聯(lián)調節(jié)器中的可變電阻器（電位計）。要調節(jié)的電源的極性將決定要使用的晶體管的類型。由于總負載電流通過該晶體管，因此有時將其稱為“傳輸晶體管”。組成電路的其他元件是限流電阻器R1和齊納二極管D1。

“A”中的正調節(jié)器使用NPN晶體管作為調節(jié)器。調節(jié)晶體管的集電極連接至未調節(jié)電源。為了使NPN晶體管正確偏置，必須向集電極施加正電位。基極相對于集電極必須為負值（或較小的正值）。發(fā)射極必須是晶體管上最負（或最不正）的電位。使用齊納二極管在基極上保持恒定（參考）電勢。因此，晶體管具有正向偏壓（發(fā)射極到基極）和反向偏壓（集電極到基極）。反轉上圖原理圖“B”中PNP晶體管的應用極性將應用正確的極性，以對該晶體管進行正確的偏置。

要理解調節(jié)作用，請將晶體管視為替換基本串聯(lián)調節(jié)器中所示的電阻器Rs。當正向偏置施加到發(fā)射極-基極結時，晶體管導通，導致部分未調節(jié)的電源電壓從晶體管的集電極到發(fā)射極產(chǎn)生。其余未調節(jié)的電源電壓在負載上產(chǎn)生。負載兩端產(chǎn)生的電壓是穩(wěn)壓電壓。要改變晶體管的導通電阻，就需要改變正向偏壓。正向偏壓的增加導致傳導增加，從而導致傳導電阻減少。正向偏壓的減少會導致導電電阻的增加。由于齊納二極管使基極電位保持恒定，因此偏置的唯一變化可能是由于嘗試改變負載電位或發(fā)射極處的穩(wěn)壓電源電位而引起的。

然后，改變正向偏置會得到與旋轉基本串聯(lián)調節(jié)器中的電位計旋鈕相同的結果。為了說明這一點，請考慮負載電流的增加。這種增加是由負載電阻的降低引起的（如切換電流的另一條并聯(lián)路徑時）。負載電壓往往隨著負載電阻而降低。這被視為調節(jié)器晶體管的正向偏置的變化。由于發(fā)射極電壓降低，正向偏壓增加。結果，晶體管（與負載串聯(lián)）傳導新的更高負載電流，并且晶體管的傳導電阻減小。電阻的減小導致晶體管上產(chǎn)生的電源電壓減少，從而使負載可用的電壓與負載變化之前的電壓幾乎相同。

現(xiàn)在考慮增加未調節(jié)的電源電壓。前面課程中的晶體管特性已經(jīng)表明，集電極電壓的變化對集電極電流的影響可以忽略不計。由于通過集電極（因此通過晶體管）的電流沒有變化，調節(jié)電壓不會改變。

用作調節(jié)器的晶體管必須能夠安全地處理負載電流。通常，由于需要處理高負載電流，因此使用功率晶體管。如果單個晶體管無法處理所有電流，則可以并聯(lián)放置晶體管。

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