三端线性稳压器工作原理与典型应用电路分析——78XX与LM317
整理电脑上文件时发现了几年前刚上大学时，整理的一份关于稳压电源的文档，当时是为了实验室培训之用而写，但是最后没有用到。记得那个时候刚学完了模电，还是有一些硬件基础，然后查了好多资料，从电子发烧友，到CSDN，再到芯片的datasheet，再到线性及开关稳压器设计320例一书，弄了很久才整理出了这份文档。当时没有开始写博客，所以就让它在电脑里一直沉睡。今天发现了，就把它放在这里了，我已经很多年不涉及硬件了，可能这些东西已经过时，可能当时的理解很粗浅甚至错误，并且大多只是纸上谈兵，不过总有对的点吧。
意疏：当时忘记了标参考文献，所以图的出处没有标明，通知立标。https://blog.csdn.net/sinat_35907936/article/details/118248716
三端固定式线性稳压器
三端固定式线性稳压器的产品分类
电子设备中常使用输出电压固定的线性集成稳压器。由于它只有输入，输出和接地端，且调整管工作在线性放大区，且一般用于固定输出，故称为三端固定式线性稳压器。现在其通用产品有7800系列和7900系列，两者原理相似，只是前者为正电源，而后者为负电源。7800和7900系列稳压器具有外围电路简单，保护机制完善和电性能指标高等特点，在电子制作中经常使用。其部分封装如图1所示。
图1 部分封装
对于7800系列1，2，3，分别是输入端，公共端和输出端。对于7900系列，1，2，3，分别是公共端，输入端，和输出端。细心的读者就会发现，7800系列与7900系列的封装引脚相比就是把公共端和输入端位置互换了。注意不是每一种型号都有以上的所有的封装。
对于7800和7900这两个系列，如果型号前面有字母，字母表示厂标。型号后面的两个数字代表输出电压，型号后面加字母来区分输出电流，L表示0.1A，AM表示0.5A，无字母表示最大输出电流1.5A。如LM7909表示美国国家半导体公司生产-9V 1.5A稳压器。但要注意尾数超过24的，输出电压为尾数的十分之一，如7833表示3.3V，7847表示4.7V。另外，塑料封装（TO-220）最大功耗为10W（加散热器），金属壳封装（TO-3）最大功耗为20W（加散热器）。
三端固定式线性稳压器的工作原理
认识一个事物，往往是从其外部特征开始，然后逐步的了解其本质。经过上面的介绍，想必大家已对三端固定稳压器的外部特征有了一定的认识。由外而内，由粗入细，现象本质，这一小节笔者将向大家介绍三端固定稳压器的工作原理。但在正式介绍之前，先要简单的介绍一下线性串联反馈式稳压电路的工作原理。了解了这个原理， 更有助于于后面对稳压器稳压原理的理解，因为稳压器的核心也只是稳压电路。
由图2稳压电路结构框图知，该电路主要由，稳压二极管和限流电阻R共同构成的获取基准电压电路；R1，RP，R2组成的取样电路；调整管T和集成运放构成的误差放大器4个部分组成。由于调整管T与负载串联，所以称为串联式稳压电路。
图2 串联负反馈稳压电路结构框图
电压的偏差（VREF-VF），经过运放放大，再通过控制调整管，进而控制输出。其稳压过程可以可简述如下：
如果是在深度负反馈的条件下，最后VREF就会近似的等于VF，此时可得输出电压为:
V o = V R E F ( 1 + R 1 / R 2 ) V_o=V_{REF}(1+R_1/R_2) Vo=VREF(1+R1/R2)
有前面的铺垫，现在就正式进入三端固定稳压器原理的介绍，以具有正电压输出的7800系列为例。框图如图3所示，较线性串联反馈式稳压电路，三端稳压器多了启动电路和保护电路，因为在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路。保护电路包括减流和过热保护电路，可以在过热和过流的情况下保护稳压器。三端稳压器的基本的稳压原理与线性串联反馈式稳压电路类似，也是通过负反馈调节，使输出电压维持相对的稳定，以达到稳压的目的。
图3 7800系列内部结构框图
7800系列三端固定式线性稳压器的典型应用电路
了解了外部形态和内部构造，接下来就是应用了。从7800系列开始，如果抛开前面的原理不谈，三端固定稳压管的稳压方式就显得很简单了，所以前面原理不懂也没有关系，同样可以理解这些电路，可以进行实践。到此，只需要记住7800系列稳压器可以输出稳定正电压，且Vxx=XX；1脚为输入，3脚为输出，2脚为公共端（也就是地）即可。
图4 (a) 基础应用电路
图4 (b) 恒流稳压电路
如图4(a)所示的是7800系列最基本，最简单的应用电路，其中C1，C2的参数均来自7800系列的数据手册。大凡电源用IC，其内部多含有运放，其工作状态与高增益的模拟放大器相同，一定要按公司手册指定的容量安装电容器，以免产生振荡。电路中接入电容实现频率补偿，其中C1是抗干扰电容，由于滤波电容与集成稳压器连线较长，容易产生振荡，因此电源输入侧要接入防振电容，也就是为了旁路高频干扰脉冲，使三端稳压器工作稳定，这种电容要用频率特性好的陶瓷或钽电容，大小在0.1u到0.47u之间，一般选0.33u；C2称为防自激电容，为了改善从负载到到电源的过渡特性，接入频率特性较好的电容，一般取0.1u。
但在真正的应用中，还会在输出端接入10u的电解电容C3，在输出与输入之间接入一个保护二极管。前者是为了减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。后者是为了保护稳压器，当输入意外短路时，给输出电容C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的发射结，造成发射结被击穿而使稳压器损坏。
如图4(b)所示的是以78XX为核心的恒流稳压电路，RL为负载电阻。很容易得到:
I o = V X X / R 1 + I Q I_o = V_{XX}/R_1 + I_Q Io=VXX/R1+IQ
由于稳压器的输出标称电压偏差很小，因此IO具有较高的准确度和稳定度。
图5 (a) 增强型稳压电路
图5 (b) 可调型稳压电路
如图5(a)所示的是以7800为核心的增强型稳压电路。在实际的运用中，可能电路所需要的电压值，并不是固定稳压器的标准输出电压值，这时就需要对电压适当改变后再使用。很容易得到:
V o = V X X ∗ ( 1 + R 2 / R 1 ) + I Q R 2 V_o = V_{XX}*(1+R_2/R_1)+I_QR_2 Vo=VXX∗(1+R2/R1)+IQR2
通过适当的选取R1，R2的值，就可以得到想要的电压值。但值得注意的是，在R2取得较大时，稳压器的输入变化对输出的影响会增大，一般该电路适用于比标称电压稍高的场合。
如图5(b)所示的是以7800为核心的可调型型稳压电路。该电路用集成运放将稳压器与采样电阻隔离。电路用运放做电压跟随，滑动变阻器滑片处的电势与2脚相同，调节滑片的位置就可以实现输出电压可调。但在实际的应用中常常用三个电阻R1，RP，R2来代替图中的一个滑动变阻器，RP为一滑动变阻器，R1，R2为固定电阻。此时的调节范围:
V O m i n = V X X ∗ ( R 1 + R P + R 2 ) / ( R 1 + R P ) V_{Omin}=V_{XX}*(R_1+RP+R_2)/(R_1+RP) VOmin=VXX∗(R1+RP+R2)/(R1+RP)
V O m a x = V X X ∗ ( R 1 + R P + R 2 ) / R 1 V_{Omax} = V_{XX}*(R_1+RP+R_2)/R1 VOmax=VXX∗(R1+RP+R2)/R1
当设计电路时，可根据输出电压调节范围和输出电流大小来选择器件。
图6 (a) 高电流电压稳压电路
图6 (b) 高输出电流短路保护稳压电路
如图6(a)所示的是以7800为核心的高电流电压稳压电路，外接了一个PNP管。7800系列的最大输出电流IOM为1.5A（部分产品为1A），当负载电流IL大于最大电流时，可以通过外部接大功率管的方式拓展电流。外部的PNP管基级接输入端，从稳压器的输入端进行调节。当IL<=IOM时，仅7800工作；当IL>IOM时，超出部分的电流就由外部调整管来输出。其中外部功率调整管的偏置电阻由下式确定:
R 1 = U B E / ( I R E G − ( I Q 1 / β ) ) R_1 = U_{BE}/(I_{REG}-(I_{Q1}/ \beta)) R1=UBE/(IREG−(IQ1/β))
其中，UBE为外部调整管发射结压降，β为其放大系数。外部调整管的选择，由输出电流和功率决定。注意，如果外接NPN，则应该接在输出端。
如图6(b)所示的是以7800为核心的高输出电流短路保护稳压电路，PNP管Q2与检流电阻Rsc构成了过电流保护电路，Q1为外部调整管。R1用来设定Q1的导通阈值电压。该电路主要参数的计算公式如下:
R s c = U B E 2 / I O 2 R_{sc}=U_{BE2}/I_{O2} Rsc=UBE2/IO2
R 1 > = U B E 1 / I O 1 R_1>=U_{BE1}/I_{O1} R1>=UBE1/IO1
I O 1 + I O 2 = I O I_{O1}+I_{O2}=I_O IO1+IO2=IO
其中，IO1为稳压器的输出电流，IO2为外部调整管可提供的最大电流。如果输出短路，输出大于最大输出电流时，Rsc上的压降就会大于Q2的导通压降，Q2导通，Q1截止，从而实现了过流保护的功能。
图7(a) 跟踪式稳压电源的应用电路
图7(b) 稳压器，变压器和桥式整流电路组成的电源应用电路
如图7(a)所示是用7800正集成稳压器和运算放大器组成的跟踪式稳压电源的应用电路。在有些使用正、负电源的场合，需用负电源跟踪正电源的变化。图中用7800 做正电源，用运算放大器和功率管组成可跟踪的负电源。图中用两只完全相同(精度要高)的4.7 kΩ电阻，将运算放大器的输入端电位控制在零电平，而用运算放大器的输出端去控制负电源回路中的调整管，以保持负输出对正输出的跟踪，运算放大器的电源采用正、负的输入电压源。
如图7(b)所示是用7800正集成稳压器，变压器和桥式整流电路组成的电源应用电路。如果只有7800，又要获得负电压，就可以像图中那样，将地与输出端互换，正负其实是一种相对的说法。稳压器的输入电压是经过，整流，滤波后得到的比较稳定的电压。如果电源是市电，还需要变压器降压。
图8 7800典型应用电路
7900系列三端固定式线性稳压器的典型应用电路
上面介绍了7800构成的稳压电路，7900无论是原理还构成的电路都与7800系列很相似，有前面7800的铺垫，所以以下就比较简单的介绍7900的应用电路，重点介绍以下两个基本电路，比较两者的不同。
图1.1.9 7900基本应用电路
如图9，所示的电路，也是7900系列应用电路中最基础和简单的电路。通过电路，大家应该明白7900系列输出的为负电压，其电路接法与7800系列是相同的，只是为了凸显负电压的特点，故意将接地端放在上面。输入端的抗干扰电容，按7900数据手册的要求取2.2uF；同样，按数据手册的要求，输出端防自激电容，取1uF。这两个电容的具体作用与7800系列相似。
图10 7900升压电路
如图10所示的电路，可以对应图5(a)。通过该电路，可以把输出适当的提高:
V O = V X X ∗ ( R 1 + R 2 ) / R 2 V_O = V_{XX}*(R_1+R_2)/R_2 VO=VXX∗(R1+R2)/R2
R2的是根据稳压器的稳压值来选定的，如LM7905CT取300欧姆电阻；LM7912 -CT选750欧姆电阻；LM7915CT选1k欧姆电阻。细心的你可能已经发现，R2为一可变电阻，只要改变两电阻的比值，就可以输出不同的电压值，实现电压输出值从标定值到更大电压值的持续的变化。
最后再介绍一种判断三端稳压器好坏和分辨输入输出端口的方法。用万用表检测，以7812为例。在它的1，2脚加上直流电压（注意极性，且要比稳压值高2~3V，低于35V）。用万用表电压档，测3，2脚电压，若读数与稳压值相近或相同，则稳压器是好的。在用欧姆档1k档，红表笔接散热板（与公共端接通），黑表笔接另外两端。阻值大的 （几十千欧）为输入端，小的为输入端。
图11 三端稳压器检测
到此，对固定式的稳压器的介绍就将结束。7800或7900的输入电压可以是市电或其他交流电经过降压，整流，滤波，稳压得到的输出，也可以是24V或12V的恒压源。其输入电压都是稳定后的直流电压，注意输入电压应该比输入大2~3 V以上，且公共端不能开路（因为开路时，其输出近于不稳定的输入电位，可能使负载过载而受损）。在平常的项目，设计中最常用的电源是12V和5V的恒定电源，常用12V电源给电机供电，5V给单片机供电，在设计时就可以用一个12V的电池，接一个7805稳压器搭建的稳压电路，最终就得到5V和12V的电压。
三端可调式线性稳压器的设计
三端可调式集成线性稳压器的产品分类
与三端定式稳压器相似，可调式也可以分为两大类，正电源与负电源。正电源最常使用的是LM117，LM217，和LM317，它们输出电压的范围是1.25-37V，输出的最大电流要依据型号后面的字母来判断，型号前面的字母也是表示厂家，厂家不同一般不会影响其性能。如LM317L，表示美国国家半导体公司生产的最大输出电流为0.1A的三端可调式线性正电压稳压器。负 电源主要就有LM137，LM237和LM337这三种，输出电压-1.25到-37V。三端可调式线性稳压器，较常用的封装如图12所示，不同型号的稳压器可能会采用不同的封装。对于正电源而言，1，2，3引脚，从分别为ADJ，OUTPUT和INPUT。对于负电源，INPUT和OUTPUT引脚位置互换即可。注意，这里的1，2，3只是为了说明而标的，与器件本身的引脚标号无关。
图12 部分封装
三端可调式集成线性稳压器的工作原理
以LM317为例，三端可调线性稳压器的结构框图如图12所示，其内部电路主要由电流源电路，基准电压电路，比较误差放大电路和偏置电路等构成。在图中很容易找到输入，输出和公共端的一个相对位置。
图13 结构框图
由图可知稳压器的基准电压为1.2V，如果外部接上图示的调整电阻R1，R2，由深度负反馈的特点，误差比较放大器总是想让R1上的电压与基准电压相同，即可推知UR1=VREF。所以可得输出电压
V O = V R E F + I 2 R 2 = V R E F + R 2 ∗ ( V R E F / R 1 + I a d j ) = V R E F ( R 2 / R 1 + 1 ) + I a d j R 2 V_O=V_{REF}+I_2R_2 = V_{REF}+R_2*(V_{REF}/R_1+I_{adj})=V_{REF}(R_2/R_1+1)+I_{adj}R_2 VO=VREF+I2R2=VREF+R2∗(VREF/R1+Iadj)=VREF(R2/R1+1)+IadjR2
R1和R2的作用除了VO的值外，还为误差放大器和其余电路在负载不存在时提供静态电流对地的通路，又称空载偏置电阻，一般建议此时通过R1的电流I1=5mA。LM317的VREF=1.2V，Iabj=50uA。由Iabj<< I1故可以将Iabj忽略。此时输出电压可以近似表示为:
V O ≈ V R E F ( R 2 / R 1 + 1 ) = 1.2 ( R 2 / R 1 + 1 ) V_O≈V_{REF}(R_2/R_1+1)=1.2(R_2/R_1+1) VO≈VREF(R2/R1+1)=1.2(R2/R1+1)
实际运用中VREF常取1.25V。其他的常用三端电压可调式线性稳压器，与LM317的基本原理是相似的，只是在细节上会存在一些不同。
LM117/ LM217/ LM317集成线性稳压器的典型应用电路
由于LM117，LM217，LM317的应用电路图均是大同小异，而且在三种稳压器中又要属LM317最为常用，所以以下的电路图均是以LM317为例。
图14 LM317电压输出可调电路图
LM317组成的电压可调电路图如图14所示。其中R1，R2为取样电阻，LM317的最小负载电流IL=5mA，若为留出余量，亦可取IL=10mA。R1的的阻值一般有两种取法：取R1=240欧姆，此时IL=1.25/240≈5mA，R2取6.8kΩ。取R1=120欧姆，此时IL=1.25/240≈10mA，R2取3.4kΩ。调整R2时均可获得1.25-37的稳压输出。CAdj可滤除R2两端的纹波，使之不能经放大后从Vout端输出一般取10uF。D2是保护二极管，一旦Vin端出现短路，由D1给CAdj提供泄放回路，避免CAdj经过LM317内部放电而损坏芯片。当Vout<7V或Co较小时，可不接D2。当LM317接500~5000pF的容性负载时，输出端容易产生自激振荡，为此可在输出端接C1，一般选1uF的钽电容，若采用普通的铝壳电解电容，容量需增加到22uF。当线性稳压器的输出端接大容量负载电容CL时，D1可起到保护作用，一旦线性稳压器输入端短路，CL上积存的电荷便经过D1对地放电。输出电压计算公式:
V O ≈ 1.25 ( R 2 / R 1 + 1 ) V_O≈1.25(R_2/R_1+1) VO≈1.25(R2/R1+1)
显然当R2为零时，可得到Vout等于1.25V，当R2最大时，Vout等于37V。为了输出电压的精度，所以电阻宜采用误差为±1%或±0.5%的精密金属膜电阻。
图15 输出电压0~30V连续可调电路图
如图15所示的电路，是LM317构成的输出电压0~30V连续可变的稳压电路。为使输出电压能从0V开始调节，R2下端应接-1.25V的负电位。该电位可由稳压管VDZ提供，VDZ再经过限流电阻R3接-5V电源。VDZ亦可以用两只硅整流管串联后代替，若负电源电压选择-10V，则R3的电阻值应增加到680欧姆。很容易得到，当R2为零时，输出电压为零，当R2最大时，输出电压为1.25*（1+3000/120）-1.25≈31V。
图16 两片LM317构成的3A可调式线性稳压器电路
LM317的最大输出电流为1.5A，如果要得到3A的输出电流，图16所示，把两片LM317并联就可以实现3A的输出电流。通用型集成运放741用来平衡两片LM317的输出电流。改变R5的值可以调节输出电压。LM317-1和LM317-2的输入端分别串入0.1Ω的电流取样电阻R1，R2。当LM317的输出电流增大时IO1↑→UR1↑，给741的同相端加一个信号，使其电压降低。Uadj↓→UO1↓→IO1↓，维持IO1=IO2。反之也是，两片LM317的输出电流总维持在平衡状态。
图17 LM317构成高稳定度+10V线性稳压器电路
由LM317构成的+10V高稳定度线性稳压电路如图17所示。LM317虽然本身就有很高的精度，但受R2和IADJ的影响，输出电压的精度会降低，为此可以采用具有温度补偿的稳压管2DW7C来代替调整电阻R2。2DW7C的稳定电压UZ=6.3V，若UZ<UO，应串联电阻R3再接地。其输出电压由下式确定：
U O = ( 1.25 + U Z ) ( R 2 / R 1 + 1 ) U_O = (1.25+U_Z)(R_2/R_1+1) UO=(1.25+UZ)(R2/R1+1)
将UZ=6.3V，R3=560Ω和R2=1.5kΩ一并代入上式中可得，UO=10.3V
图18 外接PNP型功率管拓展输出电流的电路
前面提到过，多个LM317并联可以实现扩流，当然用功率管也可以实现扩流。如图18所示，外接PNP型功率管拓展输出电流的电路。受LM317内部电路限制，如果是在输入端加功率管，它适合配PNP型功率管，不能直接配NPN管。LM317采用发射极输出方式，功率管提供超出原输出电流的部分，当输出电流I≤IO时，仅LM317工作，当输出电流I>IO时，LM317和外接调整管一起工作。扩展输出电流之后，输出电流I=IO+IC。
图19 由TTL电平控制的线性稳压器
有时我们可能需要一个输出可以被控制的电路，这样电路的实现，往往会用到电子开关，可以是三极管。由TTL电平控制的线性稳压器如图1.1.25所示。该线性稳压器的输入电压范围是U1=+7~35V。而输出电压受TTL电平控制，当输入高电平时2N2219导通，R2被短路，输出电压UO=1.25V。当输入为低电平时，输出电压为:
U O = 1.25 ( 360 / 120 + 1 ) = 5 U_O=1.25(360/120+1)=5 UO=1.25(360/120+1)=5
图20 由LM317构成的带降压整流滤波的稳压电路
LM137/ LM237/ LM337集成线性稳压器的典型应用电路
图21 LM337电压输出可调电路图
与LM317相同的部分这里就不说了，对于LM337，要记住的是：基准电压，即输出端与ADJ间的电压为-1.25V。我们可以通过外加取样电阻实现输出电压-1.25~-37V连续可变。由于是负电压的缘故，所以两个保护二极管的方向与前面介绍的图21电路的保护二极管的方向相反。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆（I>5mA）。通常 LM337 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM337 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。
图22 LM337构成高稳定度-10V线性稳压器电路
如图22所示的就是由LM337构成的高稳定度-10V线性稳压器电路。图中的R1和R2应采用误差为±1%的精密金属膜电阻。LM129A为6.9V精密基准电压源。
图23 LM317构成高稳定度-10V线性稳压器电路
利用一片LM317（正电压输出）和一片LM337（负电压输出），可构成正、负可调式线性稳压器，如图23所示。
意疏：当时忘记了标参考文献，所以图的出处没有标明，通知立标。https://blog.csdn.net/sinat_35907936/article/details/118248716