如何纠正电源系统中的错误

电池、变压器、电源和转换器不断受到能量损失的影响。因此，负载上的输出电压会较低。温度是性能的另一个关键特征。通过创建误差放大系统，可以在任何类型的负载下稳定输出电压。

稳压二极管稳压器

使用具有电流放大器功能的功率晶体管，您可以创建和构建稳定器电路，提供高工作电流，保持输出电压相当恒定，齐纳二极管上的电流非常低。图 1所示电路是稳定理论的一个例子，也可用于非常高的功率。不幸的是，效率并不是最好的，因为大部分热量由晶体管散发以执行其降低电压的功能。该电路的特点是以下参数和元件：

12 V 输入电压，来自内阻约为 0.07 欧姆的汽车电池，以使其行为更接近真实组件；

所需的 7.5 V 输出电压，以在此电压下为电源灯、立体声系统或其他负载供电；

使用的功率晶体管是经典的 2N3055，如果消耗的电流超过一定水平，则必须配备足够的铝耗散器；

所使用的齐纳二极管为 8.2 V。由于晶体管的 BE 结导致约 0.7 V 的下降，因此在输出端获得的电压略低；

电路负载的阻抗为 100 欧姆，但可以毫无问题地升高或降低；

电解电容具有进一步提高稳定性的作用，使输出信号更干净。

图 1：典型的稳定器

电路的输出电压不再对应于齐纳二极管的电压，但还需要考虑基极和发射极之间的压降（通常等于0.7V左右），使其降低一定值。因此，电路的输出电压等于：

流过晶体管基极的电流显然取决于流过负载的电流除以组件本身的“beta”。这个电流很小。电路的稳定性很好，输出电压相当稳定。事实上，齐纳二极管 （IZ） 上的电流变化减少了“β”倍。如果输出电压必须与齐纳二极管对应，可以在齐纳二极管上串联一个硅二极管来抵消Vbe。这样，硅二极管的压降补偿了晶体管的压降。如前所述，效率不是电路的优势。当输入电压接近输出电压时，它会增加。巨大的差异会导致大量功率消耗在未使用的热量中。

V（in）：11.993 V（由于电池内阻有小电压降）；

V（输出）：7.8 V；

I（电池）：90.98 mA；

I（负载）：78.05 mA；

I（齐纳）：12.93 mA；

P （batt）： 1.09 W;

P（负载）：609.20 毫瓦。

因此效率非常低，约为55.89%。降低电压时，晶体管耗散的功率为322.6 mW，这个值太高了。请记住，对于此类应用，建议使用新的开关转换技术。

改进的稳定性和误差放大器

上面提到的稳压器的优点是非常简单，元件少，但它有一定的不稳定性，由于被齐纳电压阻挡，输出电压不可能改变。要解决此问题，您可以使用提供额外晶体管和一些电位器的解决方案。新的 Q3 晶体管用作直流误差放大器，作用于 Q2 晶体管的导通。因此，可以进一步改善输出电压的调节，使得输出负载、输入电压或温度的异常变化不会影响输出电压。为了获得更好的稳定性，可以实施负反馈电路，以便自动调整操作值的任何变化。图2中的示意图显示了具有误差放大功能的输出电压调节器的理论但功能齐全的电路。该电路的特点是以下参数和元件：

V（in）：11.993 V（由于电池内阻有小电压降）；

V（输出）：8 V；

I（电池）：87.83 mA；

I（负载）：80.08 mA；

I（齐纳）：7.09 mA。这次齐纳的值为 4.7 V。

P （batt）： 1.05 W;

P（负载）：641.31 毫瓦。

图 2：通过误差放大的稳压器图

Q2 晶体管就像一个可变电阻器一样工作，由 Q3 的电流驱动，该电流将齐纳二极管的参考电压与分压器 R5-R6 的参考电压进行比较。这种差异被放大，由于电路的负反馈，输出电压是足够的。这样，一部分输出电压与参考电压VZ进行比较。两个电压之间的差值作用于 Q2 晶体管，该晶体管用作控制元件以稳定 Vout。根据以下公式，输出电压取决于分压器 R5-R6、齐纳二极管和 Q3 的 VBE 功率的电阻值之比。

该解决方案还有助于略微提高电路的效率，在所研究的情况下，该效率达到 61.07%。要确定 R4 电阻（为齐纳二极管供电的电阻）的值，可以使用以下公式：

分压器 R5-R6 的值极为关键。电阻器的尺寸必须精确，并通过连接的电位器或微调器进行精细调整。为了使分压器为 Q3 晶体管提供正确的电流，必须有足够大的电流流过它以确保良好的热稳定性，但又不能太大以免电路输出过载。以下等式可帮助计算两个分压器电阻。

让我们测量作为温度函数的电压偏移

第二个电路大大提高了稳定器的性能，使其几乎不受温度变化的影响。现在让我们检查两个电路的热效应，检查输出端的电压变化。图 3显示了两个电路在上述条件下的静态操作。模拟是在 0°C 到 +50°C 之间的温度范围内进行的。从两张图中可以看出，两个稳定器的输出电压随热条件而变化。特别是，图中的测量显示了以下详细信息：

红色图代表第一个电路的输出，负载为 100 欧姆，工作温度在 0°C 到 50°C 之间。我们可以看到输出电压逐渐线性增加，达到 0°C 7.61 V 和 50 °C 的 7.96 V，最大总偏移为 0.35 V。因此，第一个电路非常依赖于温度；

蓝色图表示第二个电路的输出，负载为 100 欧姆，工作温度在 0°C 到 50°C 之间。输出电压在 0°C 和 8.08 摄氏度之间逐渐线性下降V 和 50 °C 时为 7.94 V，最大总偏移为 0.14 V。因此，第二个电路不受温度影响，受热变化的影响要小得多。

图 3：作为工作温度函数的输出电压图

一个可能的实现

设计人员可以创建一个真实的 PCB 来构建稳定器的实用原型，如图 4 所示。测量和比较电路各点的电压、电流和功率值很有趣。

图 4：纠错稳定器电路 PCB 示例

结论

重要的是要记住，温度会影响半导体的行为，并且 VBE 和 VZ 参数尤其受热变化的影响。VBE 电压下降约 2.5 mV/°C，而对于 VZ 则需要区分齐纳的类型。对于 VZ》 5 V 的模型，温度系数为正，温度升高决定了差分电阻的增加。对于 VZ 《5 V 的模型，温度系数为负，温度升高对应差分电阻降低。在任何情况下，如果您需要效率大于 90% 的转换系统，就必须考虑设计降压型开关系统。

审核编辑：郭婷