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手把手教 | 三极管稳压电路仿真分析

2020/07/23
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利用三极管稳压管可以构成一个稳压保护电路,这个电路经常用来作过压保护

先来看一下下面电路稳压的原理

R3 和 Z1 构成简单的稳压电路,当 VIN 的电压高于 Z1 的稳压值 Vz 时,Z1 的负极被稳压在 Vz。

 

Z1 的负极连接到三极管的基极,三极管发射极 E 是输出,形成了一个射极跟随器,也就是说,E 极的电压随着 B 电压变化而变化,但 BE 之间有一个压降,一般硅管 0.7V 左右,假设 B 极是 6.7V,那 E 极就是 6.7-0.7=6V,所以就有一个公式 VOUT=Vz-Vbe,可以根据 VOUT 来选择合适的稳压管。

如下用 Tina-TI 进行仿真验证

Z1 是 5.1V 稳压管,限流电阻 R1 是 1.25K,输入 V1=30V,仿真结果 VF1=4.14V,我们发现这个电路是可以用的。那又有人会说了,三极管导通之后,30V 会直接从 CE 到 VF1,为什么输出还是 4.14V 呢?

 

三极管导通之后,E 点电压会升高,当升高到 Vbe<0.7V,三极管会关闭,IC 电流急剧下降,E 点的电压急剧下降,当 E 的电压下降到 Vbe=0.7V,此时三极管再次导通,E 点的电压往上升,当 Vbe<0.7V 时,三极管再次关闭,如此的循环,使得 E 点的电压会一直稳定在 4.14V。

R1 的阻值如何确定呢?

如下是稳压二极管的特性曲线,结合图形,更好的可以理解参数,稳压管的 Breakdown 区域是 Izt~Izm,在这个范围内,稳压管的稳压效果最佳。

从稳压管的 SPEC 中我们可以看到,Vz@Izt 这个参数,指在 Izt=20mA 时,稳压管的稳压值 Vz=5.1V,也就是说流过稳压管的电流在 20mA 以上,稳压效果最佳。

再看上面的仿真图,忽略流入三极管基极的电流,那可以算出:

R1≤(30-5.1)/20mA=1.245K

但是 R1 的下限又是多少呢?

 

R1 的下限取决于 Izm,稳压管有一个参数耗散功率 Pd,正常工作状态稳压管不能超过这个值,因为稳压值 5.1V 不变,所以流过稳压管的电流最大 Izm=500/5.1=98mA,所以 R1 最小值为:(30V-5.1V)/98mA=0.25K

 

再次仿真,将 R1 改为 2K,加在稳压管上的电流减小了,VF2 变为 4.68V,VF1 变为 3.99V,稳压效果没有 R1=1.25K 好,验证了上面的理论。

电阻 R1 的功率怎么算呢?

按照 R1=1.25K,稳压管击穿电流 Izt=20mA 计算,那加在 R1 上的功率为:

P=0.02*0.02*1250=0.5W

所以 R1 的功率需要 0.5W 以上,否则电阻可能会损坏。

今天的文章内容到这里就结束了,希望对你有帮助,我们下一期见。

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公众号记得诚主笔,CSDN博客专家,硬件-基带工程师,从事2G/3G/4G无线通信、GNSS定位、车载电子、物联网等产品的硬件开发工作,用文字和读者交流,总结,分享,提高,共同进步。