眾所周知，穩(wěn)壓器用于調(diào)節(jié)電壓電平，當需要穩(wěn)定、可靠的電壓時，穩(wěn)壓器是首選設備，因為它可以生成一個固定的輸出電壓，該電壓在輸入電壓或負載條件的任何變化下保持恒定。在開關電源中，穩(wěn)壓器起著關鍵作用。

按照功能和原理劃分，穩(wěn)壓器主要分為兩類，即線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器，它們廣泛的應用與不同的電路中。其中，線性穩(wěn)壓器是最簡單的穩(wěn)壓器，它分為多種類型，由于結(jié)構(gòu)緊湊，主要用于低功率、低壓系統(tǒng)。

與此同時，線性穩(wěn)壓器還提供熱過載保護、安全限流等功能特性。在本文中，小編就線性穩(wěn)壓器的作用、工作原理和類型進行簡單的介紹。

基本概念

調(diào)節(jié)電源的調(diào)節(jié)器的最原始形式就是線性穩(wěn)壓器(Linear Voltage Regulators)，在線性穩(wěn)壓器中，有源傳輸元件(通常是BJT或MOSFET)的可變電導率負責調(diào)節(jié)輸出電壓。

當連接負載時，輸入或負載的變化將導致通過晶體管的電流發(fā)生變化，從而使輸出保持恒定。為了使晶體管能夠改變其電流(在BJT的情況下為集電極-發(fā)射極電流)，它必須工作在有源或歐姆區(qū)域(也稱為線性區(qū)域)。

在整個過程中，線性穩(wěn)壓器會消耗大量功率，因為晶體管內(nèi)的凈電壓會下降，從而像熱量一樣消散。

工作原理

線性穩(wěn)壓器是通過輸出電壓反饋，然后經(jīng)誤差放大器等組成的控制電路來控制調(diào)整管內(nèi)的壓降VDO(即壓差)來達到穩(wěn)壓的目的，其主要特點是：VIN>VOUT，且調(diào)整管工作是在線性區(qū)，其原理圖如下所示：

當輸入電壓的變動或負載電流的變化引起輸出電壓變動時，可通過反饋及控制電路，改變VDO的大小，使輸出電壓VOUT基本不變。

此外，不管是普通線性穩(wěn)壓器，還是LDO(低壓差)穩(wěn)壓器，其工作原理都是一樣的，主要的區(qū)別在于二者調(diào)整管結(jié)構(gòu)的方法不同，其中LDO比普通線性穩(wěn)壓器壓差更小，功耗也更低。

主要類型

通常情況下，線性穩(wěn)壓器可以分為五類，分別是：

• 正向可調(diào)穩(wěn)壓器
• 負向可調(diào)穩(wěn)壓器
• 固定輸出穩(wěn)壓器
• 跟蹤式穩(wěn)壓器
• 浮動穩(wěn)壓器

對于正可調(diào)線性穩(wěn)壓器，其典型的型號是LM317穩(wěn)壓器 IC，LM317的輸出電壓可以在1.2V和37V之間調(diào)節(jié)。而對于固定輸出線性穩(wěn)壓器，典型的是78XX系列穩(wěn)壓器IC屬，例如7805是一種常用的5V輸出的固定電壓穩(wěn)壓器。

此外，線性穩(wěn)壓器根據(jù)負載的連接方式可以再次進行分類，分別是：

• 串聯(lián)穩(wěn)壓器
• 并聯(lián)穩(wěn)壓器

下面簡單介紹一下這兩種類型的線性穩(wěn)壓器的工作過程。

1、串聯(lián)穩(wěn)壓器

在線性穩(wěn)壓器中，如果有源傳輸元件(例如晶體管)與負載串聯(lián)，則稱為串聯(lián)穩(wěn)壓器。以下電路顯示了典型的線性串聯(lián)穩(wěn)壓器：

在該電路中，穩(wěn)壓器的輸出電壓通過分壓器網(wǎng)絡R1和R2進行檢測。將該電壓與參考電壓VREF進行比較，產(chǎn)生的誤差信號將控制傳輸晶體管的導通。結(jié)果是，晶體管兩端的電壓發(fā)生變化，負載兩端的輸出電壓基本保持恒定。

一種典型串聯(lián)穩(wěn)壓器是齊納二極管穩(wěn)壓器，它可以在負載上保持恒定電壓，其電路圖如下所示：

2、并聯(lián)穩(wěn)壓器

并聯(lián)穩(wěn)壓器可以與串聯(lián)穩(wěn)壓器形成對比。也就是如果線性穩(wěn)壓器中的傳輸晶體管與負載并聯(lián)，則穩(wěn)壓器稱為并聯(lián)穩(wěn)壓器。此外，電路中還應有一個與負載串聯(lián)的限壓電阻。下圖顯示了一個典型的并聯(lián)電壓穩(wěn)壓器：

在這個電路中，晶體管的導通是基于反饋和參考電壓來控制的，這樣通過串聯(lián)電阻的電流保持恒定。隨著通過晶體管的電流變化，負載兩端的電壓基本保持恒定。

與串聯(lián)穩(wěn)壓器相比，并聯(lián)穩(wěn)壓器的效率略低，但實現(xiàn)更簡單。

主要優(yōu)點

線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點包括以下幾方面內(nèi)容：

線性穩(wěn)壓器的實現(xiàn)非常簡單并且易于使用。

盡管存在功耗，但線性穩(wěn)壓器在過流保護和熱保護方面非常穩(wěn)健。

可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器只需要很少的外部元件即可實現(xiàn)其操作，而固定電壓調(diào)節(jié)器幾乎不需要外部元件(可能是幾個旁路電容器)。

花費較低成本便可以選用多種電壓和電流。

快速響應負載或線路變化

低電磁干擾，低噪音

主要缺點

線性穩(wěn)壓器的缺點主要包括以下幾方面內(nèi)容：

線性穩(wěn)壓器只是降壓，即輸出電壓總是低于輸入電壓。

當使用交流電源供電時，需要使用降壓變壓器將電壓降至可操作水平。因此，通常情況下線性穩(wěn)壓器體積龐大。

由于調(diào)節(jié)是通過將多余的功率作為熱量消散來完成的，因此它們往往會變得非常熱，因此不可避免地需要使用散熱器。

此外，線性穩(wěn)壓器的效率通常非常低，在20%到60%之間。

總結(jié)

簡單來說，線性穩(wěn)壓器就是使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的恒定輸出電壓。其突出優(yōu)點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流，而且外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容。但是，線性穩(wěn)壓器在工作時可能需要變壓器或者散熱器，所以它具有大體積、效率低等缺點。