模拟基于运算放大器的线性稳压器

在本教程中，我们将看到有关基于运算放大器的线性稳压器的一些模拟。使用的主要电子软件是LTspice。它是一种高性能 SPICE 仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有增强功能和模型，可简化模拟电路的仿真。它可以从Analog Devices免费下载。

这是电源设计系列的另一篇文章。我们将分析几个硬件和仿真方面。这是上一篇文章。享受!

带有运算放大器的经典电路

在图 1 中，我们可以看到一个经典电路。其中包含三个主要组件：齐纳二极管、运算放大器和晶体管。让我们在各个节点执行一些模拟，更改组件的值。在此原理图中，电源电压为 15 V。输出端所需的电压为 12 V。器件的电流取决于晶体管。这些是最重要的使用组件：

齐纳二极管是 Rohm 的型号 EDZV12B (12 V)。

运算放大器是 Linear Technology/Analog Devices 的 LT1001。

使用的晶体管是2N3055，用于大电流和中功率应用。

图 1：带有运算放大器的经典电路的电气图

研究电流和功率

让我们从观察通过电路的电流开始。主要值如下：

通过 R1 的电流：36.4 mA

通过齐纳二极管 D1 的电流：36.4 mA

R1和D1通过相同的电流

流经运算放大器同相引脚的电流：仅 8.16 pA(几乎没有电流)

通过 R3 的电流：7.96 pA(几乎没有电流)

通过 R4(负载)的电流：546 mA

更有趣的是观察单个电子元件上的耗散功率(以瓦特为单位)：

R1 的耗散功率：108.66252 mW

齐纳 D1 的耗散功率：437.37723 mW

运算放大器的耗散功率：28.495907 mW

R3 的耗散功率：0 W

R2 的耗散功率：14.435963 mW

晶体管 Q1 的耗散功率：1.6053177 W

R4 的耗散功率(负载)：6.5618016 W

V1电池产生的功率为8.756091 W。

电路效率

根据以上测量的数据，我们可以确定电路的效率程度。计算效率的公式为：

其中P(Output)是输出功率，P(Input)是输入功率。电路的所有元件显然都耗散了一定的能量;因此，该系统的效率不是 100%。使用 CC 中原理图的组件，我们电路的效率等于：

它不是一个非常有效的电路，其中大量能量因未使用的热量而损失，尤其是晶体管 Q1。你可以使用这个完整的关系：

参数扫描

现在让我们通过对所用电子元件的不同值进行一些扫描来检查电路的行为。让我们从观察电路效率图开始，使用 1 Ω 和 80 Ω 之间的不同负载值。要进行扫描，只需将负载电阻值设置为 {LOAD} 变量并输入 SPICE 指令：

.STEP 参数加载 1 80 1

结果图如图2所示。如我们所见，当负载电阻约为 10 Ω 时，电路具有最大效率 (77.6%)。

图 2：具有可变负载值的效率图

另一个有趣的扫描模拟涉及增加电源电压以测量晶体管和齐纳二极管的相对耗散。从图 3 中的图表可以看出，必须谨慎选择电源电压，以免对齐纳二极管和晶体管造成压力。该图显示了在电源电压从理论 0 V 增加到 50 V 期间齐纳二极管(红线)和晶体管(绿线)的耗散。

图 3：齐纳二极管和晶体管的功耗曲线图

审核编辑：汤梓红