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一次搞懂线性稳压器/LDO的工作原理

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这个元器件能把电压放大100万倍,它就是运算放大器。计算方法很简单,同相输入端电压,减去反向输入端电压,再乘以100万倍,就等于输出电压。假设同相输入是0.5V,反相输入是0.3V,再乘以100万,得出200,000V。

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当然实际应用中不可能这么猛。运放还要接上电源,假设接上10V的电源,那么此时输出的电压,最高只能达到10V。

现在将正输入端电压值固定,然后负输入端抬高,同样遵循正输入减负输入,得出的是负数,那么此时输出的电压就变成接地0V。

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大家发现没有,由于放大倍数过于大,假设差异只有0.0001V,只要Vp大于Vn,输出就等于(正)电源电压,反过来Vp小于Vn,输出就等于接地/负电源电压。也就是此时输出只有两种状态,要么最高,要么最低。

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现在将输出和负输入端相连,也就是输出端和Vn相等。此时当Vn大于Vp,输出端会往下降。一旦降到Vn反而小于Vp,输出端又会往上提,所以最终会使得输出端无限接近等于Vp,也就是这三个的电压值会相等。

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接下来可以利用这个特性,制作一个线性稳压电路,我们先看左右两边。左边电源提供15V,然后在右边这个位置给负载输入5V的电压,但是电源和负载会有波动,导致这个点的输入会变化。我们要做的,是将它锁定在5V,如果比5V高了它能自动降下来,如果比5V低了,又能自动提高。我们来看看,这个电路是怎么实现的。

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先看这个位置,通过电阻和稳压二极管分压,这里会固定一个电压值作为运放的同相输入电压。

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再来看另一侧,在5V的基础上,通过两个电阻分压得到中间这个点的电压,将它直接连接反相输入端。这里设定这两个点的电压相同,也就是Vp=Vn。

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当上边等于5V时,也就是这个点Vn等于Vp,输出Vo控制三极管导通,5V保持不变。

当上边大于5V时,意味着这个点电压跟着升高,也就是就Vn大于Vp,所以运放控制Vo下降,使得三极管基极导通电流减小,从而控制上边这条路线电流减小,那么这个点电压就会下降。同理如果这个点低于5V,就会使这个点电压下降,也就是Vn小于Vp,那么Vo输出增大,基极导通电流增大,控制上边通过电流增大,从而使这个点电压回升。

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根据三极管的伏安特性曲线,控制这条路CE之间的电流变化,从最大值到最小值,都要确保是在放大区之内。

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这个电路还有个缺点,输入15V,稳压输出5V,也就是另外10V压在三极管上,会导致三极管发热严重。如果改为稳压输出为12V,那么三极管分压只有3V,发热就会好很多,所以这个电路输入和输出的差距太大的话,能耗会比较严重。

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