兒童電子學(VI)：降低供電電壓
作者 : Giovanni Di Maria，EEWeb特約作者
電路經常要在較低的供電電壓下工作，從而避免燒毀安裝在其上的電子元件。本文將探討一種將供電電壓降低到期望值的簡單技術...
隨著時間的推移，電池和電芯可提供固定的恒定電源。但在某些情況下，電路卻經常要在較低的供電電壓(supply voltage)下工作，從而避免燒毀安裝在其上的電子元件。在本文中，我們將探討一種將供電電壓降低到期望值的簡單技術。
引言
假設我們想為一個5V的電子電路供電，但卻只有一個12V的電壓源。如果將電子電路直接連接到電池，它很可能會由於高供電電壓而燒毀。有幾種技術可以將供電電壓降低到所需要的值。本文中研究的方法無疑是最準確的，並且由於其設計簡單，因此是提供最佳結果的方法。
穩壓器
穩壓器這種電子元件已經上市有一段時間了，它們能夠將所提供的供電電壓降低到某個固定的恒定值。顯然，輸入電壓必須略高於我們想要在輸出端獲得的電壓，因為這些穩壓器只能降低電壓而不能升高電壓。
我們要談論的是78XX系列控制器，由於這種IC只有3個接腳，所以外部非常簡單，但內部卻配備了複雜的電子電路。如上所述，這種IC都配備了三個接腳。第一個是輸入，用來施加降低的電壓。第二個是輸出，用來得到進一步降低的電壓並將其調整到所需的值。第三個是接地，它必須與電路的接地相連。例如，使用程式碼為7805的IC，可以得到正好5V固定的恒定電壓值(參見圖1中的例子)。我們需要給該IC提供高於5V的電壓，例如12V或17V。
圖1：7805穩壓器將電壓從12V降低到5V。
這些3接腳IC的使用方式非常簡單，最大可以承受1.5A的電流。如果連接大燈，則建議安裝金屬散熱片，如圖2所示，以便在工作過程中冷卻該元件，因為它往往會發熱很多。
圖2：如果電流消耗很高，則建議使用金屬散熱器。
為5V收音機供電
假設我們想為一個工作於5V固定標稱電壓的收音機供電，但是卻只有一個12V電源，例如，來自我們老爸汽車中的電池。那麼，制作圖3中的電路就足夠了。
從圖中可以看出，電池的正極(實際上承載12V電壓的那個)連接到7805的輸入接腳(位於該IC左側)。7805的接地直接連接到電池的負極，在這種情況下，它構成了電路的公共返回路徑。5V輸出取自右側接腳，也即取自該IC的輸出。儘管主供電電壓為12V，但使用測試儀(萬用表)測得的供電電壓卻完全等於5V，這要歸功於該IC的內部電路以非常高的精度運行。
圖3：用12V電壓為5V收音機供電的正確技術。
該穩壓器可自行完美地工作，而無需任何額外元件。但是為了避免干擾和自振盪，在輸入輸出端和接地之間連接兩個100nF的電容就比較方便，如接線圖所示。下表顯示了市場上可用的不同穩壓器型號。只需閱讀型號最後的兩位數字，就能輕易地知道它們的輸出電壓。
輸入輸出電壓差較大時
在電子學中，兩個觸點之間的電壓差越大，所產生的能量就越多。通常，當輸入電壓遠高於所需的輸出電壓時，級聯使用兩個或多個穩壓器就很有用。使用兩個或三個穩壓器有助於在各個穩壓器之間分配功耗和熱量，如圖4所示。這兩種解決方案都是用來將電壓從20V降低到5V。左側電路僅使用了7805穩壓器，用來負責降低所有電壓，而右側電路則使用了7815、7812和7805級聯(串聯)。
在第一種情況下，必須使用散熱器，電路功耗如下：
7805功耗：7.6W。
在這種情況下，穩壓器會過熱並超過最大允許溫度，從而自行燃燒。
在第二種情況下，不需要使用散熱器，因為功耗分佈在三個器件上。電路具有以下功耗，因此能夠正常運行：
- 7815耗散：2.6W；
- 7812耗散：1.6W；
- 7805耗散：3.5W。
圖4：使用三個穩壓器，有助於分配所產生的熱量。
總結
孩子們會發現這種IC的應用非常有用，因為它們非常簡單並且便宜。即使有其他方法，甚至比這更加精確和先進，今天的大多數電路仍然使用這些穩壓器。這些IC具有極高的反極性、過電流和高溫保護，因此受到意外損壞是相當難的。
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編譯：Franklin
(參考原文：Electronics for Kids: Part 6 – Lowering the Supply Voltage，by Giovanni Di Maria)
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