在電源系列教程的第二部分中，我們講解了如何測試和使用非穩壓電源，并展示了非穩壓電源在控制輸出電壓方面的局限性。如今，在第三部分中，我們將重點介紹線性穩壓電源，分析串聯穩壓器和并聯穩壓器如何更好地控制電源輸出。

一、什么是線性穩壓電源？

線性穩壓電源（Linear Regulator）是一種最基本的穩壓電源類型，廣泛應用于許多電子設備中。它通過調節通過電源的電流，以保持一個穩定的輸出電壓。相比于非穩壓電源，線性穩壓電源能夠有效地維持輸出電壓在負載變化時的穩定性，因此，適用于需要精確電壓控制的應用。

1. Zener 穩壓器

首先，線性穩壓電源中的一個常見設計是Zener二極管穩壓器。它由Zener二極管和電阻器組成，電阻器限制電流的流動，防止電流過大燒毀Zener二極管。Zener二極管的電壓通常比較穩定，但由于其依賴負載電流和溫度等因素，輸出電壓的穩定性較差。

這種穩壓器的優點在于結構簡單且成本低，但它的輸出電壓受到Zener二極管本身的電壓、溫度變化以及負載變化的影響。因此，這類穩壓器適用于低功率的應用。

2. TL431 并聯穩壓器

相比傳統的Zener穩壓器，TL431穩壓器提供了更好的穩定性。TL431是一種集成電路（IC），常用于穩壓電源中，盡管它的工作原理類似于Zener二極管，但其控制精度更高。TL431通過電阻分壓電路和反饋控制來調整輸出電壓，從而實現穩壓。

在此電路中，TL431 IC通過內部的晶體管和參考電壓（Ref引腳）將輸出電壓調節到所需值。與傳統的Zener二極管穩壓器相比，TL431具有更高的精度和可調性，適用于一些需要調節輸出電壓的應用。

二、線性并聯穩壓器的測試

1. 測試TL431穩壓器

在進行實際測試時，我們使用了一個基于TL431的并聯穩壓電路，并連接了一個75Ω的負載電阻。通過觀察輸入和輸出電壓的變化，我們可以看到，即使在負載變化時，TL431依然能夠維持相對平穩的輸出電壓。

例如，在負載為66mA時，輸入電壓可能略有下降，但輸出電壓依然保持在設定值。通過示波器觀察波形，我們可以看到輸出電壓的波形非常平滑，表明TL431穩壓器有效地減小了電源波動和噪聲。

2. 負載下的穩壓效果

盡管TL431在負載下能夠維持輸出電壓，但需要注意的是，這類并聯穩壓器的效率較低。因為TL431總是要消耗一定的電流，即使在沒有負載的情況下，它仍然會消耗電流來維持穩定的輸出電壓。這意味著在低負載或無負載情況下，它的功率消耗相對較高，可能會浪費一定的能量。

三、串聯線性穩壓器

與并聯穩壓器不同，串聯穩壓器（Series Regulator）將一個晶體管串聯在輸入和輸出之間，通過調整電流來維持穩定的輸出電壓。串聯穩壓器比并聯穩壓器效率更高，因為它不需要額外的電流消耗來維持輸出電壓。

1. 串聯穩壓器的工作原理

串聯穩壓器通過將電流流過晶體管來調節輸出電壓。常見的串聯穩壓器如LM317系列穩壓器，通常配有反饋電路，通過電阻分壓器來調整輸出電壓。LM317通過不斷調整晶體管的工作狀態，保持輸出電壓穩定。

LM317系列穩壓器可以提供更多的輸出電流，并且通常比并聯穩壓器更適合處理較大的負載。例如，在某些應用中，LM317能夠提供1A以上的電流，而TL431則適用于較低功率的應用。

2. LM317的測試與應用

在實際應用中，我們使用了LM317穩壓器來調整輸出電壓。在實驗中，LM317能夠有效地提供穩定的5V輸出，并且在負載變化時，輸出電壓依然保持在設定值附近。

與并聯穩壓器相比，LM317的輸出更為穩定，且其效率較高。在實際測試中，當使用LM317穩壓器時，輸出電壓非常平穩，波紋和噪聲得到了有效抑制。

3. 溫度管理

雖然LM317穩壓器在負載變化時能夠保持穩定的輸出電壓，但需要注意的是，線性穩壓器的功率損耗較大，尤其是在輸入電壓和輸出電壓之間的差異較大時。功率損耗等于輸入電壓與輸出電壓之差乘以負載電流。例如，當輸入電壓為12V，輸出電壓為5V時，差值為7V，負載電流為1A，那么功率損耗將為7W。為避免過熱，線性穩壓器需要配備散熱器或風扇。

四、低壓差線性穩壓器（LDO）

1. 低壓差穩壓器的優勢

傳統的串聯穩壓器，如LM317，存在較高的壓降（dropout voltage），通常在2.5V左右。這意味著輸入電壓必須比輸出電壓高出至少2.5V才能保持穩定的輸出。而低壓差穩壓器（LDO，Low Dropout Regulator）使用PNP晶體管或MOSFET，能夠將輸出電壓控制得非常接近輸入電壓，從而在更低的輸入電壓下提供穩定的輸出。

LDO穩壓器特別適用于現代電子電路，例如低功耗設備或需要精確電壓控制的設備。某些LDO穩壓器的壓降可低至幾十毫伏，適用于對電壓要求極為嚴格的場合。

2. LDO穩壓器的工作原理與測試

例如，LTC3025是一款低壓差穩壓器，能夠在非常低的輸入電壓下提供穩定的輸出電壓。在實際應用中，LDO能夠顯著減少功率損耗，并通過提高效率來減少熱量生成。

我們在實驗中使用了LDO穩壓器，發現它能夠在負載變化時穩定地維持輸出電壓，并且與傳統的線性穩壓器相比，LDO穩壓器的溫升較低。

五、總結

通過本部分的學習，我們深入了解了線性穩壓電源的工作原理及其應用，包括并聯穩壓器（如TL431）和串聯穩壓器（如LM317）。雖然線性穩壓器能夠提供穩定的輸出電壓，但它們的效率較低，且功率損耗較大，因此在高負載情況下可能需要額外的散熱措施。

低壓差線性穩壓器（LDO）在現代電子設備中越來越常見，因為它們能夠在較低的輸入電壓下提供穩定的輸出電壓，并且具有較低的功率損耗。

在下一部分的教程中，我們將探討開關電源，并了解如何使用降壓（Buck）和升壓（Boost）轉換器來調節輸出電壓。敬請期待！