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三端集成稳压器扩流方法分析

作者: 发布于:2015/3/13 12:41:05 点击量:

三端集成稳压器扩流方法分析

在电子电路中,直流稳压电源是其中必不可少的部分。线性稳压电源由于其稳压性能好,输出纹波电压小,电路简单,成本低廉等优点应用普遍。线性稳压电源中的稳压部分大多由三端集成稳压器来实现。通过其将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压输出。

三端集成稳压器一般可分为固定式输出和可调式输出两种类型。三端集成稳压器的芯片只引出三个端子,分别接输入端、输出端和公共端(或调整端),基本上不需外接元件,而且内部都有限流保护、过热保护和过压保护电路,使用十分安全、方便。

三端集成稳压器的最大输出电流为 ,与产品型号有关,具体的有0.1A,0.3A,0.5A,1.0A,1.5A,3A,5A和10A等几种。在实际使用中,如果所需稳压电路的输出电流超过三端集成稳压器的最大输出电流,就需要在原来基础上设计扩流电路来扩展输出电流。本文以三端可调式稳压器LM317K扩流为例来说明三端集成稳压器扩流的方法,并通过具体电路对其进行深入分析。

1 LM317K工作原理

LM317K是一种三端可调式稳压器,其输出电压的范围为 ,其最大输出电流为1.5A。其典型的应用电路如图1所示。

图1 LM317K典型应用电路

在图1中, 和 为取样电阻。输出电压的计算公式为

(1)

式(1)中, [1]。因此,当 =0V时, ;当 时, 。

的取值方法有两种:一种是取 ,此时的LM317K的最小负载电流 , 选用6.8k 的可调电阻;另一种是取 , , 可选3.4k 的可调电阻。上述两种取值下调整 时均可得到 的稳压输出。 和 的作用是消除输入端和输出端可能产生的自激振荡, 的作用是滤除 两端的纹波, 和 为保护二极管,防止输入端或输出端发生短路故障时对LM317K内部放电而损坏芯片[2]。

若使用中需要LM317K构成的稳压电路最大可输出3A的电流,则可通过下面介绍的几种方法来实现扩流。

2 扩流的方法

目前,三端集成稳压器扩流的方法主要有晶体管扩流、电阻扩流和并联扩流三种。

2.1 晶体管扩流

这种方法主要是通过在稳压电路中接入大功率晶体管来实现。

(1) NPN晶体管

这是一种经常使用的方法,在稳压电路的输入端和输出端之间接入一NPN型大功率晶体管,如图2所示。

图2 外接NPN晶体管扩展输出电流电路

负载所需的大电流由大功率晶体管T来提供,而晶体管的基极由三端集成稳压器输出端来驱动。

由图2可见,经过扩流后的稳压电路输出电压值已经发生了变化, , 是三端集成稳压器的固有输出电压值, 是外接T的发射结压降值,因此采用这种方法扩流后的稳压器输出电压值比原来固有的输出电压值降低了。为了克服扩流后输出电压值下降的弊端,可将图2电路做改进,如图3所示。

图3 图2改进电路

图3中接入了一个二极管D,用以补偿晶体管发射结电压 ,使电路的输出电压 基本上等于三端集成稳压器的输出电压 。只要适当选择二极管的型号,并通过调节电阻

的阻值以改变流过二极管的电流,即可得到 ,此时,由图3可见

同时,接入二极管D也补偿了温度对三极管 的影响,使输出电压比较稳定[3]。

这种直接接入NPN型大功率晶体管扩流的方法较为常用,但由于LM317K内部电路限制,LM317K不直接配NPN型大功率晶体管。

(2) PNP晶体管

LM317K适合于PNP型大功率晶体管,用PNP型大功率晶体管扩流的电路如图4所示,将PNP型大功率晶体管的基极改接入三端集成稳压器的输入端,因此不再影响三端集成稳压器固有的输出电压值,即 。

图4 外接PNP型大功率晶体管扩展输出电流的电路

图4中的电阻R是三端集成稳压器的泄流电阻,作用是使三端集成稳压器的静态电流不再流过外接扩流晶体管T的基极。因为三端集成稳压器的所有偏置电流与调整端电流都从输入端流入,若全部流经T的基极,并经过T的放大,那么三端集成稳压器的输出端将需加接假负载来泄放这些对真正的负载无用的电流。R的选取原则是:

(2)

其中: 为三端集成稳压器的静态工作电流,其值约为10mA,设计中一般设定最小输出电流约为数十毫安,因而R的选值约为几欧姆即可[4]。在此可选择R为3.3 。

经扩展后的输出电流 。当 时,仅LM317K工作;当 时,LM317K和外接PNP型大功率晶体管一起工作。

(3) NPN+PNP晶体管

若使用中遇到要求必须用NPN型晶体管来扩大LM317K输出电流的情况,则可通过增加一只PNP型驱动管与之配合来达到扩流的要求,电路如图5所示。

图5 外接NPN配合PNP大功率晶体管扩展输出电流的电路

晶体管扩流的方法应用较为广泛,扩流较为灵活,在扩流时选择使用何种类型的大功率晶体管根据所使用的三端集成稳压器的型号和类型来决定。但晶体管扩流法会降低稳压精度,增加稳压器的输入和输出电压之差,这对大电流的工作的电源是不利的[5]。

三端集成稳压器内部都有安全保护功能,但外接的扩流晶体管却没有任何保护措施,在实际使用中,为了防止输出端短路或其他原因引起输出电流过大而损坏扩流晶体管,需要在电路中增加限流保护电路。

2.2 电阻扩流

这种方法是在三端集成稳压器的输入端和输出端之间加入一个电阻R来实现扩流目的,如图6所示。

图6 外接电阻扩展输出电流的电路

在图6中,要扩大的电流 与所选的电阻R关系为:

(3)

如前所述,要将LM317K最大输出电流扩展至3A,即要扩大的电流为1.5A,若 =24V, =12V,则按上式计算可得R=8 ,可取标称值8.2 。此时,最大的负载电流

(4)

其中: 为三端集成稳压器的最大输出电流[6]。

由式(4)可知,该电路的最小负载电流为 。

因此,使用电阻扩流法需要注意的是:

⑴ 输入电压 必须稳定。若 不稳定,则 也不稳定,则输出电流必然不稳定。

⑵ 负载的最小电流必须大于等于 。

在图6中,LM317K经电阻扩流后,要求负载电流必须满足: 。而LM317K标称的最小负载电流为30mA,扩流后电路的最小负载电流比扩流前大得多。

由此可见,电阻扩流的方法一般适合于小电流扩流,当需要扩展的电流较大,输入输出压差较大时,R的功耗也较大。

2.3 并联扩流

如果所需扩展的电流较大时,可以采用将几片三端集成稳压器并联使用来达到扩流的目的,但不能直接并联使用,在并联时应注意使各片三端集成稳压器的输出电流都能维持在平衡状态。将LM317K最大输出电流扩大至3A的并联扩流电路如图7所示。

图7 并联扩展输出电流的电路

在图7中, 用来平衡两片LM317K的输出电流。改变 的值即可调节输出电压。LM317K(1)和LM317K(2)的输入端分别串接入 的电流取样电阻 和 。当LM317K(1)的输出电流增大时, ↑→ ↑,给 的同相输入端加一个信号,使其输出电压降低, ↓→ ↓→ ↓,维持 。反之,当 ↑→ ↑时,就给 的反向输入端加一个信号,使 ↑→ ↑→ ↑,仍保持 。这样,两片LM317K的输出电流总维持平衡状态[7]。

通过并联扩流的方法来扩展输出电流时,扩展的输出电流必须成倍增加。扩流的同时,也要成倍的增加三端集成稳压器的数目,电路的成本增加。但并联扩流法稳压精度高,在实现大电流扩展时较为方便。

3 结束语

本文以LM317K为例介绍了三端集成稳压器的三种扩流方法,并对其进行了深入的分析和比较。晶体管扩流法应用最为广泛,扩流较为灵活,选择合适的大功率晶体管最为关键,需要设计限流保护电路,但稳压精度会降低。电阻扩流法方法最为简单,实现较为方便,但输出负载电流的范围有限制,一般只适合于小电流扩流的场合,尤其是输出固定的三端集成稳压器使用较为方便。并联扩流法的稳压精度高,功耗小,但成本增加,且需要考虑并联的三端集成稳压器输出电流的平衡问题,可方便的实现大电流扩流。在实际应用中,可根据扩流的大小和使用的三端集成稳压器的型号来选择合适的扩流方法。




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