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内容概要: 本资源将深入介绍线性稳压电路的工作原理、设计开发板的方法和典型应用举例。首先,将介绍线性稳压电路的基本原理和特点,以及不同类型线性稳压器的特点和应用场景。然后,将介绍开发线性稳压电路的开发板设计方法和流程,包括选择器件、原理图设计、PCB设计和布局、加工制作等内容。最后,将介绍线性稳压电路在典型应用中的使用,包括电子设备中的电源供应、模拟电路和传感器信号处理等方面。 使用人群: 本资源适合从事电子工程、电力电子、自动化等相关领域的学生、研究人员和工程师,以及从事线性稳压电路设计、开发和应用的人员。对于有一定电路设计基础和PCB制作经验的人员来说,更加容易理解和掌握。 使用场景: 本资源适用于电子工程、电力电子、自动化等相关领域的教学、研究和实际应用。学生可以通过学习本资源了解线性稳压电路的原理和设计方法,掌握基础知识和技能,同时也可以对电子电路设计和PCB制作流程有更深入的了解。工程师可以通过本资源了解线性稳压电路的应用场景和设计方法,以及了解电子设备电源供应、模拟电路和传感器信号处理等方面的实际应用。
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1. 线性稳压电路原理
1.1稳压电路的概念和作用
线性稳压电路是一种电子电路,用于将不稳定的电源电压(如电池或电源
适配器)转换为稳定的输出电压。它的基本概念是利用稳压器件,例如晶体管、
二极管、放大器等,对电路中的电压进行调节和控制,以保持输出电压稳定不
变。
稳压器件一般被分为两类:线性稳压器件和开关稳压器件。线性稳压器件
采用了简单的电路设计,可以提供更高的输出质量,但效率较低,主要用于低
功率应用。而开关稳压器件则具有更高的效率和更低的热损耗,适用于高功率
应用。线性稳压电路的核心部件是稳压器件,其作用是通过调整和控制电路中
的电流和电压,使输出电压保持在一个稳定的水平。常见的线性稳压器件包括
晶体管型稳压器、三端稳压器等。线性稳压电路还包括滤波电容、反向保护二
极管等辅助元件,以确保输出电压的稳定性和安全性。
1.2 线性串联反馈式稳压电路
1.2.1 稳压电源的质量指标
稳压电源的技术指标分为两种:一种是特性指标,包括允许的输入电压输出
电压、输出电流及输出电压调节范围等,另一种是质量指标,用来衡量输出直
流电压的稳定程度,包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些
质量指标的含义,可简述如下:
由于输出直流电压 V
o
随输入直流电压 V
I
(即整流滤波电路的输出电压其数
值可近似认为与交流电源电压成正比)输出电流 I
o
和环境温度 T(ºC)的变动而变
动,即输出电压 Vo=f(V
o
, I
o
, T)因而输出电压变化量的一般式可表示为
Δ
𝑉
O
=
∂
𝑉
O
∂
𝑉
I
Δ
𝑉
I
+
∂
𝑉
O
∂
𝐼
0
Δ
𝐼
O
+
∂
𝑉
0
∂
𝑇
Δ
𝑇
或
Δ
𝑉
O
=
𝐾
𝑣
Δ
𝑉
I
+
𝑅
0
Δ
𝐼
0
+
𝑆
𝑇
Δ
𝑇
式中的三个系数分别定义如下:
输入调整因数
𝐾
𝑣
=
Δ
𝑉
0
Δ
𝑉
𝐼
|
Δ
𝐼
0
=
0
Δ
𝑇
=
0
𝐾
𝑣
反映了输人电压波动对输出电压的影响,实用上常用输人电压变化
Δ
𝑉
I
时
引起输出电压的相对变化来表示,称为电压调整率 D,即
𝑆
𝑉
=
Δ
𝑉
0
/
𝑉
0
Δ
𝑉
I
×
100
%
|
Δ
Δ
0
=
0
Δ
𝑇
=
0
(
%
/
V
)
有时也以输出电压和输入电压的相对变化之比来表征稳压性能,称为稳压
系数,其定义可写为
𝛾
=
Δ
𝑉
0
/
𝑉
0
Δ
𝑉
𝐼
/
𝑉
𝐼
|
Δ
Δ
0
=
0
Δ
𝑇
=
0
输出电阻:
𝑅
0
=
Δ
𝑉
0
Δ
𝐼
0
|
Δ
𝑉
1
=
0
Δ
𝑇
=
0
(
Ω
)
𝑅
0
反映负载电流
𝐼
0
变化对
𝑉
0
的影响。
温度系数:
𝐾
𝑇
=
Δ
𝑉
0
ΔT
|
Δ
𝑉
𝐼
=
0
Δ
𝐼
0
=
0
(
mV
/
º
C
)
上述的系数愈小,输出电压愈稳定,它们的具体数值与电路形式和电路参
数有关。
至于纹波电压,前已定义,是指稳压电路输出端交流分量的有效值,一般
为毫伏数量级,它表示输出电压的微小波动应当指出的是,稳压系数 Y 较小的
稳压电路,它的输出纹波电压一般也较小。
1.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理
线性串联反馈式稳压电路(Linear Series Regulator)是一种常见的稳压电路,
其原理是通过控制输出电压和输入电压之间的电压差,调节电路中的管子(晶
体管或场效应管)的导通状态,以保持输出电压的稳定。串联反馈式稳压电路
通常由三个主要组成部分组成:一个基准电压源、一个误差放大器和一个控制
管。
+
-
T
RP
R2
R1
RL
R
D
Z
V
REF
V
F
EA
V
B
b
c
e
V
1
V
0
I
L
基
准
电
压
误差放大 调整管
取
样
图 1. 线性串联反馈式稳压电路原理框图
图中的输入信号 VI 来自整流和滤波电路的输出,是有一定波动的直流电压,
电路由四部分构成,电阻 R 和齐纳二极管 Dz 串联构成基准电压产生电路,只要
V
I
的值高于齐纳二极管的稳定电压,就可以输出稳定的基准电压 VREF,电阻
R1 构成取样网络,将取样的输出送到误差放大器 EA 的反向输入端,误差放大
器 EA 的同向输入端信号为基准电压 VREF,显然,取样网络和误差放大器构成
了电压负反馈,三极管 T 为调整管,可以看到输入信号 V
I
,三极管的 CE 电极和
负载构成串联回路,因此称该电路为串联式稳压电路,显然我们可以得到一个
简单的 KVL 方程,即输入电压 V
I
为三极管的 VCE 和负载 VO 输出的和,当输
入电压 V
I
变化时,通过调整三极管的 VCE,使得输出电压 VO 尽可能稳定,因
此称三极管 T 为调整管,又因为输入在基极上,输出在射级,所以 T 构成了共
集电极组态的电压跟随器。当输入电压 V
I
增加时,会导致输出电压 VO 的增加,
此时反馈电压 VF 也随之增加,但基准电压不变,因此 VREF 和 VF 的差值,也
就是送到误差放大器 EA 的净输入信号有所减小,误差放大器的输出 VB 随之减
小,也就是调整管 T 的基极电压下降,导致基极电流下降,集电极电流随之下
降,但调整管 VCE 的压降增大,限制了输出电压 VO 的增大,从而维持输出电
压的稳定性。
从反馈放大器的角度来看,输入的基准电压连接在 EA的同向输入端,反馈
信号 VF 连接在 RA 的反向输入端,因此构成串联反馈,反馈信号取自输出电压
的分压,因此构成电压反馈,由瞬时极性法可以判断出,该反馈为负反馈。电
压负反馈具有稳定输出电压的作用,在电路中,如果将 EA视为理想的,那么可
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