电子设计教程4:稳压管稳压电路
良好的电源是一切电路工作的基础。电源质量不过关的电路,就像得了心脏病的病人。
能够为负载提供稳定的电源的装置,就是稳压电源。我们常把稳压电源分成两类:线性稳压电源和开关稳压电源。
线性电源与开关电源的区别
所谓“线性”电源,是与“开关”电源相对应的。
开关电源通过控制某个器件的通断时间实现稳压。它的优点:体积小,重量轻,功耗小,稳压范围宽,效率较高,通常在80%~90%。它的缺点:输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。
线性电源的稳压器件工作在线性状态下。它的优点:稳定性好,瞬态响应速度快,可靠性高,输出电压精度高,输出纹波电压精度小。它的缺点:变换效率较低,尤其是在输入输出电压差较大的情况下。如果输出电流也较大,会有明显的发热发烫现象,甚至可能烧坏调整管。
稳压二极管的工作原理
稳压二极管又称齐纳二极管,简称稳压管。稳压管在反向击穿时,在一定的电流范围内,端电压几乎不变,表现出稳压特性,因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。
它的正向伏安特性曲线与普通二极管类似。实际应用时常常反向接入电路中。当稳压管外加反向电压的数值大于某个特定数值,则击穿,电流瞬间增大,而电压几乎不变。这个特定数值称为反向击穿电压。对于普通二极管来说,反向击穿以后二极管失去了单向导电性,可以说就坏掉了。但是二极管的反向击穿是可逆的,当去掉反向电压后,稳压二极管又恢复正常。但是如果反向电流太大,稳压管会发生热击穿,被烧坏,这是不可逆的。
图 稳压管的伏安特性
稳压管的参数
在规定电流下,稳压管的反向击穿电压被称为稳定电压Uz。这是选用稳压管最关心的参数。例如SMAJ5.0稳压管的稳定电压大约是5V(严格来说,指的是这个稳压管可以用于5V工作场景,它的反向击穿电压略大于5V)。当稳压管工作在稳压状态时的参考电流,称为稳定电流。如果电流低于某个值,稳压管无法工作在稳压状态,这个最小的稳定电流写作Imin;如果电流大于某个值,稳压管就会烧坏,那么这个最大的稳定电流写作Imax。可以看出规定电流的大小有一个范围,通过伏安特性曲线,稳定电压Uz其实也是一个范围。
稳定电压与最大稳定电流Imax的乘积是额定功耗。通常额定电压与器件封装大小有关,例如SMAJ5.0稳压管的封装是SMA,它的额定功耗是1W。这个稳压管的名字中包含了功耗与稳定电压两个信息,可以由此计算出最大稳定电流是200mA。从伏安特性曲线中可以看出,只要不超过稳压管的额定功率,电流越大,稳压效果越好。
使用稳压管作为稳压电源
将电阻与稳压管串联,就是一个简单的稳压电路。稳压管的稳定电压与流过稳压管的电流相关,而改变电阻值的大小,可以改变流过稳压管的电流的大小,也可以微调稳定电压。并联的电容可以吸收稳压二极管的齐纳噪声,以改善稳压二极管的输出特性。在不带负载时,根据欧姆定律可以轻松写出计算稳定电流的公式:
稳压管稳压电路的实测与应用
如果接入负载,则负载与稳压管形成并联,负载会流过一定的电流,导致流过稳压管的电流变小,进而导致稳定电压发生变化。如果负载电阻Rl很小,流过负载的电流很大的话,稳压管甚至不能得到足够的电流,来工作在稳压的状态。所以在负载不确定的情况下,稳压管的稳压效果并不理想。
我实测,使用SMAJ5.0稳压管+100Ω限流电阻,空载电压为5.302V,1K负载时电压为5.296V,100Ω时电压为5.082V。可以看出负载阻值变小以后,输出电压与输出电流都变小了。这是因为负载与稳压管是并联关系,负载阻值变小以后,需要更多的电流,限流电阻中电流变大,那么经过限流电阻上的压降也变大,输出电压变小。输出电压变小,根据伏安特性曲线可以看出,稳压电流也变小。
此外,限流电阻通常有一定的功率要求。如果我们设置稳定电流为70mA,通过公式算出限流电阻取值100Ω;,消耗在限流电阻上的功率有0.49W,所以要选择功率足够的电阻。电阻上的功率会以发热的形式白白浪费掉。
所以,稳压管稳压电路如果作为电源,只适合用于电流很小,负载确定,对电压要求精度不高的场合。