三端线性稳压器工作原理与典型应用电路分析

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  整理电脑上文件时发现了几年前刚上大学时，整理的一份关于稳压电源的文档，当时是为了实验室培训之用而写，但是最后没有用到。记得那个时候刚学完了模电，有一些硬件基础，然后查了好多资料，从电子发烧友，到CSDN，再到芯片的datasheet，再到线性及开关稳压器设计320例和康老师的模拟电子技术，弄了很久才整理出了这份文档。当时没有开始写博客，所以就让它在电脑里一直沉睡。今天发现了，就把它放在这里了，我已经很多年不涉及硬件了，可能这些东西已经过时，而且当时查资料水平不高，理解也很粗浅甚至可能错误，并且大多只是纸上谈兵，不过总有对的点吧，希望对大家有帮助。

开关稳压器

copyright © 意疏：当时忘记了标参考文献，所以图的出处没有标明，通知立标。https://blog.csdn.net/sinat_35907936/article/details/118248716

  电子设备中常使用输出电压固定的线性集成稳压器。由于它只有输入，输出和接地端，且调整管工作在线性放大区，且一般用于固定输出，故称为三端固定式线性稳压器。现在其通用产品有7800系列和7900系列，两者原理相似，只是前者为正电源，而后者为负电源。7800和7900系列稳压器具有外围电路简单，保护机制完善和电性能指标高等特点，在电子制作中经常使用。其部分封装如图1所示。

  对于7800系列1，2，3，分别是输入端，公共端和输出端。对于7900系列，1，2，3，分别是公共端，输入端，和输出端。细心的读者就会发现，7800系列与7900系列的封装引脚相比就是把公共端和输入端位置互换了。注意不是每一种型号都有以上的所有的封装。

  对于7800和7900这两个系列，如果型号前面有字母，字母表示厂标。型号后面的两个数字代表输出电压，型号后面加字母来区分输出电流，L表示0.1A，AM表示0.5A，无字母表示最大输出电流1.5A。如LM7909表示美国国家半导体公司生产-9V 1.5A稳压器。但要注意尾数超过24的，输出电压为尾数的十分之一，如7833表示3.3V，7847表示4.7V。另外，塑料封装（TO-220）最大功耗为10W（加散热器），金属壳封装（TO-3）最大功耗为20W（加散热器）。

  认识一个事物，往往是从其外部特征开始，然后逐步的了解其本质。经过上面的介绍，想必大家已对三端固定稳压器的外部特征有了一定的认识。由外而内，由粗入细，现象本质，这一小节笔者将向大家介绍三端固定稳压器的工作原理。但在正式介绍之前，先要简单的介绍一下线性串联反馈式稳压电路的工作原理。了解了这个原理， 更有助于于后面对稳压器稳压原理的理解，因为稳压器的核心也只是稳压电路。

  由图2稳压电路结构框图知，该电路主要由，稳压二极管和限流电阻R共同构成的获取基准电压电路；R1，RP，R2组成的取样电路；调整管T和集成运放构成的误差放大器4个部分组成。由于调整管T与负载串联，所以称为串联式稳压电路。

  电压的偏差（VREF-VF），经过运放放大，再通过控制调整管，进而控制输出。其稳压过程可以可简述如下：

  如果是在深度负反馈的条件下，最后VREF就会近似的等于VF，此时可得输出电压为: V o = V R E F ( 1 + R 1 / R 2 ) V_o=V_{REF}(1+R_1/R_2) Vo​=VREF​(1+R1​/R2​)

  有前面的铺垫，现在就正式进入三端固定稳压器原理的介绍，以具有正电压输出的7800系列为例。框图如图3所示，较线性串联反馈式稳压电路，三端稳压器多了启动电路和保护电路，因为在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路。保护电路包括减流和过热保护电路，可以在过热和过流的情况下保护稳压器。三端稳压器的基本的稳压原理与线性串联反馈式稳压电路类似，也是通过负反馈调节，使输出电压维持相对的稳定，以达到稳压的目的。

  了解了外部形态和内部构造，接下来就是应用了。从7800系列开始，如果抛开前面的原理不谈，三端固定稳压管的稳压方式就显得很简单了，所以前面原理不懂也没有关系，同样可以理解这些电路，可以进行实践。到此，只需要记住7800系列稳压器可以输出稳定正电压，且Vxx=XX；1脚为输入，3脚为输出，2脚为公共端（也就是地）即可。

   图4 (a) 基础应用电路    图4 (b) 恒流稳压电路

  如图4(a)所示的是7800系列最基本，最简单的应用电路，其中C1，C2的参数均来自7800系列的数据手册。大凡电源用IC，其内部多含有运放，其工作状态与高增益的模拟放大器相同，一定要按公司手册指定的容量安装电容器，以免产生振荡。电路中接入电容实现频率补偿，其中C1是抗干扰电容，由于滤波电容与集成稳压器连线较长，容易产生振荡，因此电源输入侧要接入防振电容，也就是为了旁路高频干扰脉冲，使三端稳压器工作稳定，这种电容要用频率特性好的陶瓷或钽电容，大小在0.1u到0.47u之间，一般选0.33u；C2称为防自激电容，为了改善从负载到到电源的过渡特性，接入频率特性较好的电容，一般取0.1u。

  但在真正的应用中，还会在输出端接入10u的电解电容C3，在输出与输入之间接入一个保护二极管。前者是为了减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。后者是为了保护稳压器，当输入意外短路时，给输出电容C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的发射结，造成发射结被击穿而使稳压器损坏。

  如图4(b)所示的是以78XX为核心的恒流稳压电路，RL为负载电阻。很容易得到: I o = V X X / R 1 + I Q I_o = V_{XX}/R_1 + I_Q Io​=VXX​/R1​+IQ​

  由于稳压器的输出标称电压偏差很小，因此IO具有较高的准确度和稳定度。

   图5 (a) 增强型稳压电路    图5 (b) 可调型稳压电路

  如图5(a)所示的是以7800为核心的增强型稳压电路。在实际的运用中，可能电路所需要的电压值，并不是固定稳压器的标准输出电压值，这时就需要对电压适当改变后再使用。很容易得到: V o = V X X ∗ ( 1 + R 2 / R 1 ) + I Q R 2 V_o = V_{XX}*(1+R_2/R_1)+I_QR_2 Vo​=VXX​∗(1+R2​/R1​)+IQ​R2​

  通过适当的选取R1，R2的值，就可以得到想要的电压值。但值得注意的是，在R2取得较大时，稳压器的输入变化对输出的影响会增大，一般该电路适用于比标称电压稍高的场合。

  如图5(b)所示的是以7800为核心的可调型型稳压电路。该电路用集成运放将稳压器与采样电阻隔离。电路用运放做电压跟随，滑动变阻器滑片处的电势与2脚相同，调节滑片的位置就可以实现输出电压可调。但在实际的应用中常常用三个电阻R1，RP，R2来代替图中的一个滑动变阻器，RP为一滑动变阻器，R1，R2为固定电阻。此时的调节范围: V O m i n = V X X ∗ ( R 1 + R P + R 2 ) / ( R 1 + R P ) V_{Omin}=V_{XX}*(R_1+RP+R_2)/(R_1+RP) VOmin​=VXX​∗(R1​+RP+R2​)/(R1​+RP)

V O m a x = V X X ∗ ( R 1 + R P + R 2 ) / R 1 V_{Omax} = V_{XX}*(R_1+RP+R_2)/R1 VOmax​=VXX​∗(R1​+RP+R2​)/R1

  当设计电路时，可根据输出电压调节范围和输出电流大小来选择器件。

   图6 (a) 高电流电压稳压电路    图6 (b) 高输出电流短路保护稳压电路

  如图6(a)所示的是以7800为核心的高电流电压稳压电路，外接了一个PNP管。7800系列的最大输出电流IOM为1.5A（部分产品为1A），当负载电流IL大于最大电流时，可以通过外部接大功率管的方式拓展电流。外部的PNP管基级接输入端，从稳压器的输入端进行调节。当ILIOM时，超出部分的电流就由外部调整管来输出。其中外部功率调整管的偏置电阻由下式确定: R 1 = U B E / ( I R E G − ( I Q 1 / β ) ) R_1 = U_{BE}/(I_{REG}-(I_{Q1}/ \beta)) R1​=UBE​/(IREG​−(IQ1​/β))

  其中，UBE为外部调整管发射结压降，β为其放大系数。外部调整管的选择，由输出电流和功率决定。注意，如果外接NPN，则应该接在输出端。

  如图6(b)所示的是以7800为核心的高输出电流短路保护稳压电路，PNP管Q2与检流电阻Rsc构成了过电流保护电路，Q1为外部调整管。R1用来设定Q1的导通阈值电压。该电路主要参数的计算公式如下: R s c = U B E 2 / I O 2 R_{sc}=U_{BE2}/I_{O2} Rsc​=UBE2​/IO2​

R 1 > = U B E 1 / I O 1 R_1>=U_{BE1}/I_{O1} R1​>=UBE1​/IO1​

I O 1 + I O 2 = I O I_{O1}+I_{O2}=I_O IO1​+IO2​=IO​

  其中，IO1为稳压器的输出电流，IO2为外部调整管可提供的最大电流。如果输出短路，输出大于最大输出电流时，Rsc上的压降就会大于Q2的导通压降，Q2导通，Q1截止，从而实现了过流保护的功能。

图7(a) 跟踪式稳压电源的应用电路 图7(b) 稳压器，变压器和桥式整流电路组成的电源应用电路

  如图7(a)所示是用7800正集成稳压器和运算放大器组成的跟踪式稳压电源的应用电路。在有些使用正、负电源的场合，需用负电源跟踪正电源的变化。图中用7800 做正电源，用运算放大器和功率管组成可跟踪的负电源。图中用两只完全相同(精度要高)的4.7 kΩ电阻，将运算放大器的输入端电位控制在零电平，而用运算放大器的输出端去控制负电源回路中的调整管，以保持负输出对正输出的跟踪，运算放大器的电源采用正、负的输入电压源。

  如图7(b)所示是用7800正集成稳压器，变压器和桥式整流电路组成的电源应用电路。如果只有7800，又要获得负电压，就可以像图中那样，将地与输出端互换，正负其实是一种相对的说法。稳压器的输入电压是经过，整流，滤波后得到的比较稳定的电压。如果电源是市电，还需要变压器降压。

  上面介绍了7800构成的稳压电路，7900无论是原理还构成的电路都与7800系列很相似，有前面7800的铺垫，所以以下就比较简单的介绍7900的应用电路，重点介绍以下两个基本电路，比较两者的不同。

  如图9，所示的电路，也是7900系列应用电路中最基础和简单的电路。通过电路，大家应该明白7900系列输出的为负电压，其电路接法与7800系列是相同的，只是为了凸显负电压的特点，故意将接地端放在上面。输入端的抗干扰电容，按7900数据手册的要求取2.2uF；同样，按数据手册的要求，输出端防自激电容，取1uF。这两个电容的具体作用与7800系列相似。

  如图10所示的电路，可以对应图5(a)。通过该电路，可以把输出适当的提高:

V O = V X X ∗ ( R 1 + R 2 ) / R 2 V_O = V_{XX}*(R_1+R_2)/R_2 VO​=VXX​∗(R1​+R2​)/R2​

  R2的是根据稳压器的稳压值来选定的，如LM7905CT取300欧姆电阻；LM7912 -CT选750欧姆电阻；LM7915CT选1k欧姆电阻。细心的你可能已经发现，R2为一可变电阻，只要改变两电阻的比值，就可以输出不同的电压值，实现电压输出值从标定值到更大电压值的持续的变化。

  最后再介绍一种判断三端稳压器好坏和分辨输入输出端口的方法。用万用表检测，以7812为例。在它的1，2脚加上直流电压（注意极性，且要比稳压值高2~3V，低于35V）。用万用表电压档，测3，2脚电压，若读数与稳压值相近或相同，则稳压器是好的。在用欧姆档1k档，红表笔接散热板（与公共端接通），黑表笔接另外两端。阻值大的 （几十千欧）为输入端，小的为输入端。

    到此，对固定式的稳压器的介绍就将结束。7800或7900的输入电压可以是市电或其他交流电经过降压，整流，滤波，稳压得到的输出，也可以是24V或12V的恒压源。其输入电压都是稳定后的直流电压，注意输入电压应该比输入大2~3 V以上，且公共端不能开路（因为开路时，其输出近于不稳定的输入电位，可能使负载过载而受损）。在平常的项目，设计中最常用的电源是12V和5V的恒定电源，常用12V电源给电机供电，5V给单片机供电，在设计时就可以用一个12V的电池，接一个7805稳压器搭建的稳压电路，最终就得到5V和12V的电压。

  与三端定式稳压器相似，可调式也可以分为两大类，正电源与负电源。正电源最常使用的是LM117，LM217，和LM317，它们输出电压的范围是1.25-37V，输出的最大电流要依据型号后面的字母来判断，型号前面的字母也是表示厂家，厂家不同一般不会影响其性能。如LM317L，表示美国国家半导体公司生产的最大输出电流为0.1A的三端可调式线性正电压稳压器。负 电源主要就有LM137，LM237和LM337这三种，输出电压-1.25到-37V。三端可调式线性稳压器，较常用的封装如图12所示，不同型号的稳压器可能会采用不同的封装。对于正电源而言，1，2，3引脚，从分别为ADJ，OUTPUT和INPUT。对于负电源，INPUT和OUTPUT引脚位置互换即可。注意，这里的1，2，3只是为了说明而标的，与器件本身的引脚标号无关。

  以LM317为例，三端可调线性稳压器的结构框图如图12所示，其内部电路主要由电流源电路，基准电压电路，比较误差放大电路和偏置电路等构成。在图中很容易找到输入，输出和公共端的一个相对位置。

    由图可知稳压器的基准电压为1.2V，如果外部接上图示的调整电阻R1，R2，由深度负反馈的特点，误差比较放大器总是想让R1上的电压与基准电压相同，即可推知UR1=VREF。所以可得输出电压

V O = V R E F + I 2 R 2 = V R E F + R 2 ∗ ( V R E F / R 1 + I a d j ) = V R E F ( R 2 / R 1 + 1 ) + I a d j R 2 V_O=V_{REF}+I_2R_2 = V_{REF}+R_2*(V_{REF}/R_1+I_{adj})=V_{REF}(R_2/R_1+1)+I_{adj}R_2 VO​=VREF​+I2​R2​=VREF​+R2​∗(VREF​/R1​+Iadj​)=VREF​(R2​/R1​+1)+Iadj​R2​

  R1和R2的作用除了VO的值外，还为误差放大器和其余电路在负载不存在时提供静态电流对地的通路，又称空载偏置电阻，一般建议此时通过R1的电流I1=5mA。LM317的VREF=1.2V，Iabj=50uA。由Iabj