DIYZONE - 電源供應器 (五) 穩壓器 (Regulators) 概述

電源供應器 (五) 穩壓器 (Regulators) 概述

孫恩宏/Steve Sun

1. Zener 二極體與穩壓 (Regulation)
這裡我們只想要大概的介紹一下穩壓器的概念及如何使用穩壓器. 順便想灌輸一個概念: 穩壓的使用並不只限於電源級, 擴大機的其他部分, 只要是需要穩定電壓的地方, 就可以使用穩壓器。

最簡易的穩壓器應該是 Zener 二極體. Zener 二極體的電路符號是:

先看一下 Zener 二極體的 V-I 曲線:

Zener 二極體的 V-I 曲線和一般二極體的 V-I 曲線幾乎沒有不同. 和一般二極體不同的是: Zener 二極體是利用電流, 逆向工作. 這是 Zener 二極體最與眾不同的地方。

假設 Zener 二極體的陰極電位高於陽極電位:

從 Zener 二極體的 V-I 曲線, 可以看到: 通過 Zener 的電流是 I0 時, Zener 兩端的電位差是 V0通過 Zener 的電流是 I1 時, Zener 兩端的電位差是 V1. 而且 V0, V1 的差距很小. 因為這個現象, Zener 二極體可以用來當成並聯穩壓器 (shunt regulator):

當負載需要較大電流時, 流經 Zener 的電流會減少. 反之, 當負載需要較少電流時, 流經 Zener 的電流會增加. 因為通過電流的大小對 Zener 兩端的電位差影響很小. 所以可以達到穩壓的效果. 上圖中的電阻是用來控制通過 Zener 的最大電流. 假設輸入電壓是 15 – 20 V, 使用 1N4733 (5.1 V, 1W), R = 300 Ohm, 利用歐姆定律, I = V/R = (20 – 5)/300 = 50 mA。

所以, 通過 Zener 的最大電流是 50 mA. 輸出電壓 “大概” 是 5.1 V. 如果您更仔細觀查 Zener 的 V-I 曲線, 您應該看出: Zener 只能用來作粗糙的穩壓. 拿 1N4733 為例, 它的輸出電壓在 4.8 – 5.4 V 之間。

Zener 並聯穩壓器對抑制漣波的功效並不好, 但是可以提供較穩定的電壓, 當成穩壓 IC 的輸入使用。

對要求較高的電路, Zener 並不非常實用, 但是可以與電晶體, OP, 穩壓 IC 等綜合運用提供高穩定度的直流電源. Zener 二極體另外一個缺點是噪音. 在擴大機中應用時, 通常都與電容並聯, 以減低 Zener 的噪音。

2. 蒸氣管 (Gas Tube) 與穩壓
蒸氣管穩壓的原理和 Zener 穩壓的原理相同: 利用調節電流的特性, 達成穩壓的效果. 它們的使用方法如下:

蒸氣管需要達到最低起動電壓後才會開始工作. 蒸氣管中充滿特殊氣體, 達到最低起動電壓後, 蒸氣管中特殊氣體開始導電. 流經蒸氣管的電流在最低與最高工作電流之間時, 蒸氣管兩端的電位差保持在特定的工作電壓。

較常使用的小型蒸氣管有: OA2, OB2. OA2的起動電壓是 160 V, OB2的起動電壓是 115V. 起動後, OA2 的工作電壓是 150 V, OB2的工作電壓是 108 V. 它們的工作電流需要保持在 5 mA – 30 mA 之間. 請您調整 R1 使最高工作電流為 30 mA. 如果省略 R1, 將有大量電流進入蒸氣管, 蒸氣管會被燒毀。

蒸氣管可以串聯使用, 達到高電壓的要求:

3. LM78xx, LM79xx, LM317, LM337 IC 穩壓器
這節要介紹穩壓 IC. 穩壓 IC 可以相當有效的減低成本, 減小佔用的空間. 但是, 真空管擴大機電壓要求很高, 穩壓 IC 的使用必須配合適當的設計, 才不會讓真空管擴大機的高熱量與高電壓影響到 IC 的穩定度。

三端 IC 穩壓器是非常容易使用的電子元件. 讓我們從最簡單的穩壓 IC, LM78xx, LM79xx 看起。

LM78xx 有三隻接腳: in, out, gnd. 分別接到輸出, 輸出及地線. 輸出的電壓固定. 7805 輸出 +5 V, 7812輸出 +12 V,… 使用這些 IC 時要注意輸入電壓要在 data sheet 的範圍內. 下圖是 LM7805 的實際應用:

輸出端並聯 0.1 mf 電容的目的是要降低高頻阻抗, 改善 “暫態反應” (transient response). 使用時, 輸入端也常常加上一個 0.33 mf 以上的電容。

如果需要負電壓供應, 可以換用 79xx 系列. LM7905 輸出 – 5 V, LM7912 輸出 –12 V.....等等，依此類推。

78xx, 79xx 最不方便的地方是輸出電壓已經固定. (當然您可以在 gnd 下方加上 Zener, 把 gnd, out 腳的電位墊高的手段達成高壓穩壓的目的。)

接下來, 讓我們看一些更好, 更易使用的穩壓 IC: LM317, LM337。

LM317 與 LM78xx 一樣有三隻接腳: in, out, adj. 不同的是 adj 接腳取代了 gnd 接腳. LM78xx 穩壓 IC 有固定的輸出電壓. LM317 並沒有固定的輸出電壓, LM 317 只控制 out 與 adj 接腳間的電位差為 1.25 V。

讓我們來看一下 LM317 的用法:

假設 R2 是一個固定電阻. 因為 out 的電位高, 電流經 R1, R2 流入接地點. 317 的 adj 消耗非常少的電流, 可忽略不計. 所以, adj 的電位是 I x R2. 又因為 317 adj, out 接腳間的電位差為 1.25 V, 所以 out 的電位是:

接下來, 計算 I: out 與 adj 接腳間的電位差為 1.25 V, 電阻 R1. 電流 I 是: 1.25/R1。

結論: 這個計算說明了一件事: 適當調整 R1, R2, 可以達成高壓穩壓的目的. 但請您注意: 317 的 in, out 接腳間的電位差不能超過 35 V. 所以在高壓應用時, 通常都會在 in 與 out 之間加入 Zener 保護 LM317. LM317 的 data sheet 中有很多實例可以參考。

另一個要注意的是: 317 的最大供應電流是 1 A。如果需要更高的電流，則應尋求不同的封裝形式，或者使用其他編號，如LM317對應的LT1085CT或LM337對應的LT1033CT，就能夠提供3A的電流，但仍為TO-220封裝。

LM317 使用時, 如果 R2 並聯一個電容, 可以大幅提高抵抗漣波的能力. 並聯一個電容的同時, 您應該多加一個二極體, 使得電容放電時, 保護 317。

這樣的架構已經是相當優秀的穩壓器了!最後, 想提出幾點供參考:

1.需要負電壓時, 可以使用 LM337。
2.使用時, 通常會加上 “逆向保護” (1N4004)

上面的這個穩壓器, 如果配合 “恆流源” 使用效果更佳 (如果您不懂電晶體與恆流源, 不要擔心, 將來我們會慢慢的介紹它們). 例如 National LM317 data sheet 中的範例:

或如下圖的架構:

請您靈活運用被動元件, 大膽假設, 小心求證。

4. 以LM317擔任恆流源
顧名思義, 恆流源 (constant current source, sink) 可以提供或是吸收穩定的電流。 LM317 out 與 adj 接腳間的電位差是 1.25 V. 如果加上一個1.25 Ohm 電阻, 流入電阻的電流就會是穩定的 1A! 也就是說 LM317 的 in 有穩定的 1 A 流入, out 有穩定的 1 A 流出 (adj 會有大約50uA 流出), 可以用來提供或是吸收負載穩定的 1 A 電流:

除了利用穩壓器與電阻之外, 還有很多建構恆流源的方法，以後有機會，我們再來慢慢針對實例進行解說。

圖說：LM317/337是使用上非常簡易的穩壓IC，只要使用少數的零件配合，就能提供各種所需的電壓變化，甚至可以搭配更複雜的電路架構，獲得高壓、高電流等目的，因此對DIY玩家來說，有必要對這些基礎元件有更深入的瞭解。