IC 7805 线性模式
线性电源 我们假设大多数读者已经使用过78xx系列稳压器,其基本示意图如图1所示。
对于 7805,输出当然固定在 5 V 的电位,输入必须至少接收 7.5 V 才能正常工作。两个电容器是去耦电容器,可防止稳压器可能的振荡。
C1是“储能”电容器,用于滤除来自整流器的直流电压。另一个“储能”电容通常在输出端(C2)提供,但容量较小。
这种类型的电源长期以来一直令人满意,但它有一个主要缺陷:一旦提供给负载的电流超过几十毫安,稳压器就会开始显着升温。
如果希望为 TO1 封装提供 220 A的最大允许电流,则必须使用相当大的散热器。这种耗散的热量是对我们试图尽可能限制的能量浪费,尤其是在用电池或蓄电池为原型供电时,以及当人们想要获得显着的自主权时。
迈向交换拓扑
很明显,需要一个开关稳压器。要访问它,您可能会惊讶地发现,只需要在之前的电路图中添加四个组件。您将在图 2 中找到这种演变。
乍一看,这张图可能看起来有点令人困惑,但你会发现操作很简单。需要考虑两种操作条件:
负载中的电流小于 30 毫安
电流明显更高。
在第一种情况下,调节器单独执行工作,互补组件处于非活动状态。因此,工作为线性模式(图3a),输出提供完全连续的5V电压。在第二种情况下,负载使得消耗的电流大于30
mA。
您应该知道,当基极和发射极之间的电压约为 1.4 V 时,达林顿晶体管会变得导电。
负载中的30 mA电流也通过电阻R1,因此其两端出现1.41 V(47欧姆x 30 mA=R1两端的压降)的电压。因此,晶体管通过电感L1传导并向输出提供电流。然后将能量传输到输出,为负载供电。输出电压将很快超过5 V(图3b)。
7805 稳压器可适应这种情况,不再向负载提供电流。因此,R1中不再有电流,R1上不再有电压,晶体管不再导电。这是波形相位(b)的结束。
我们提醒您,电感器(也称为“线圈”)可防止通过它的电流的任何快速变化。晶体管不再导电,但由于其性质,电感器反对电流的突然中断。
它存储了必须使用的电磁能量。它也被称为“存储电感器”或“扼流线圈”。这种能量可以继续流过新的路径,因为二极管D1直到现在还没有发挥作用,它以自动导电的方式放置(图3c)。
因此,电感器可以继续向负载提供电流,但它可以释放的能量很低,输出电压会迅速降低。几十微秒后,它将降至5V以下。因此,仍监控输出的稳压器将“恢复服务”并提供必要的电流。循环再次开始,晶体管再次导电,为电感器供电等。
5 V左右的输出变化很小,约为20 mV。它们可能因调节器制造商而异。周期的精确频率取决于负载中的电流、稳压器的特性和电感值。它大约是 30kHz。
性能
为了证明这项技术的兴趣,我们测量了该电源输入和输出端的电压和电流,负载电阻为2.35 Ω(表I)。因此,负载中的电流接近2 A。
您可以看到,输入端供应的能量中约有 80%返回到负载。我们只损失“仅”20%的能量。如果我们使用常规法规,效率将在19%到48%之间。这一次,我们将损失50%到80%的能量,稳压器消耗的功率将是负载的四倍!
现在您明白了为什么开关稳压器如今在大多数电子设备中使用。当需要减少设备消耗时,它们是必不可少的。
注意这种电源的特殊性:当输入电压增加时,提供给负载的电流减少。这令人惊讶,但完全正常,因为输入端提供的功率大致相同(P = 电压 x 电流)。
在“线性”调节中,电流保持恒定(与负载相同),提供的功率变得越来越重要,这解释了效率的差异。
然而,开关稳压器不仅具有优势。开关产生高频谐波:最好提供连接到地面的金属外壳,以避免干扰敏感的电子设备。因此,它是一种不适合的技术,例如音频前置放大器。
IC 7805 开关稳压器电路
最终原理图如图4所示。我们增加了一个整流桥,以便您可以直接使用来自变压器次级的电压。该电路非常简单,可以进行所有类型的蚀刻。在直接蚀刻的情况下,请注意轨道的宽度,不应太薄。
电感没有临界值。我们使用的是一个220 uH的自给,最大电流为5 A,来自电子扩散。您可以使用 150 uH 到 800 uH之间的值,只是效率可能略有不同。磁芯和漆包线的尺寸必须为几安培的电流。
晶体管必须是达林顿。我们选择的BDX34A是大电流晶体管。D1是肖特基二极管,具有非常低的压降和出色的开关特性。如果使用简单的整流二极管,电路将正常工作,但二极管的发热会很大,效率会显着降低。
7805 可以是 78L05 塑料封装 TO-92(如我们的原型机)或 7805 封装 TO-220。在这两种情况下,性能将保持不变。
我们使用的TO-220小型散热器适用于在高达2 A的负载下消耗的电流。
除此之外,对于连续运行,有必要调整其大小。请注意,使用适应性良好的散热器,该板可以提供 5 A 的电流。
如何使用
将电路板连接到 9 V 至 24 V RMS 之间的交流电压,并在没有任何负载的情况下测量输出电压。您应该在 4.75 V 和 5.25 V之间。如果没有,请仔细检查稳压器的方向和R1的值。
然后,您可以将负载连接到输出,例如简单的47 Ω / 1W电阻。输送的电流足以使开关处于活动状态。如果您仍然测量与负载不存在时相同的输出电压,则一切正常。否则,请检查晶体管和二极管D1的方向。
如果您有示波器,则可以观察晶体管集电极上的斩波电压。然后,您可以可视化流过负载的电流对开关频率的影响。
结论
总而言之,这种简单的开关稳压器并不声称可以与可实现90%以上效率的专用电路的性能相匹配。
目标主要是表明可以使用常用材料实现切换。这个简单的电路便于分析。使用专用电路时,工作原理保持不变。
现在您已经了解了原理,您可以考虑通过简单地更改稳压器类型来获得 5 V 以外的其他电压:7812 表示 12 V,7815 表示 15V,依此类推。您甚至可以考虑使用LM317型可变调节器。
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