11-5 降压电路

好的，我们来一步步分析您描述的这个电路。

首先，根据您的描述，我绘制了以下电路图，以便我们更清晰地进行分析：

circuit TD
    VCC_24V["+24V"] --> R1_240k["R1: 240kΩ"]
    VCC_24V --> R2_1k["R2: 1kΩ"]

    R1_240k --> B[B: 2N3904 Base]
    R2_1k --> C[C: 2N3904 Collector]

    ZD["Dz: Zener"] -- Cathode --> B
    ZD -- Anode --> GND1[GND]

    C1["C1: 100nF"] -- Node_A --> E[E: 2N3904 Emitter]
    C1 -- Node_B --> GND2[GND]

    E --> VOUT_3V3["Vout = +3.3V"]

根据电路结构和元件值，这是一个简单的 并联稳压电路，也常被称为 “三极管射极跟随稳压器”。

电路设计逻辑与工作原理

它的核心设计逻辑是：利用稳压二极管提供一个稳定的基准电压，再利用三极管作为电流放大器（射极跟随器），将这个稳定的电压“跟随”输出，同时提供比稳压管本身大得多的负载电流。

下面是其实现降压和稳压的详细步骤：

1. 建立基准电压

• 关键元件：240kΩ电阻 和 稳压二极管 (Dz)。
• 工作过程：
  • 24V输入电压通过240kΩ电阻（R1）向稳压二极管的阴极供电。
  • 这个240kΩ电阻的主要作用就是为稳压管提供合适的反向击穿工作电流。假设稳压管的工作电流需要1mA，那么它在R1上的压降就是 240kΩ * 1mA = 240V？这显然不对。
  • 这里需要修正一个关键点：240kΩ的电阻对于从24V汲取工作电流来说太大了。计算一下：如果稳压管稳压值是3.3V，那么R1上的压降为24V - 3.3V = 20.7V。流过R1的电流 I_R1 = 20.7V / 240kΩ ≈ 0.086mA (86µA)。这个电流非常小。
  • 尽管如此，这个微小的电流依然能使稳压管进入反向击穿状态，在其两端（即三极管的基极B到地之间）建立一个稳定的电压 Vz。根据输出为3.3V来推断，这个稳压管的稳压值 Vz 应该是 3.3V + 0.7V = 4.0V 左右（后面会解释为什么）。

2. 三极管作为电压跟随器

• 关键元件：NPN三极管 (2N3904)。
• 工作过程：
  • 三极管的基极(B)电压被稳压二极管钳位在 Vz。
  • 三极管工作在放大区，其发射极(E)电压会始终“跟随”基极电压，但总是比基极电压低一个 基极-发射极导通压降 Vbe。
  • 对于硅管（如2N3904），Vbe ≈ 0.6V ~ 0.7V。
  • 因此，输出电压 Vout = Vz - Vbe。

现在我们可以准确推断稳压值：
由于 Vout = 3.3V，且 Vbe ≈ 0.7V，那么：
Vz = Vout + Vbe = 3.3V + 0.7V = 4.0V。
所以，您电路中使用的稳压二极管实际是一个 4.0V 的稳压管。

3. 提供负载电流与放大作用

• 这是使用三极管的核心原因。稳压管本身只能提供很小的电流（如几mA），而通过三极管后，负载电流（从发射极流出的电流）基本上是基极电流的 β倍（β是三极管的放大倍数）。
• 负载电流主要由集电极电路提供。24V电源通过1kΩ电阻（R2） 流向三极管的集电极(C)。

4. 各元件的详细角色

• R1 (240kΩ)： 偏置/限流电阻。为稳压二极管提供建立稳定电压Vz所需的反向击穿电流。虽然阻值偏大，但在微功率应用中可以工作。
• Dz (4.0V稳压管)： 电压基准。产生一个不受输入电压波动影响的稳定参考电压Vz。
• Q1 (2N3904)： 调整/功率元件。它作为射极跟随器，将基极的稳定电压传递到发射极，并利用其电流放大能力，为负载提供足够的电流。
• R2 (1kΩ)： 集电极限流电阻。这个电阻非常重要，它有两个作用：
  1. 限制最大输出电流：当输出短路时，最大集电极电流被限制在 (24V - Vce_sat) / 1kΩ ≈ 24mA，防止三极管烧毁。
  2. 它与C1电容一起，影响电路的启动特性和高频响应。
• C1 (100nF)： 输出滤波电容。用于滤除输出电压中的高频噪声，抑制电源纹波，并在负载电流突变时提供瞬时电流，提高电路的稳定性。

电路总结

降压机制：通过稳压管和三极管的BE结进行电压钳位，将输出固定在比基准电压低一个Vbe的水平，从而实现从24V到3.3V的降压。

稳压机制：

1. 如果由于负载变重导致Vout略有下降 → Ve下降 → Vbe (= Vz - Ve) 增大 → Ib增大 → Ic和Ie显著增大 → 从而将Vout拉回到3.3V，补偿了负载的消耗。
2. 如果输入电压Vin升高，试图引起Vout升高，但Vz被稳压管牢牢钳位，Vbe基本不变，因此Vout也保持稳定。多余的电压主要降落在了R1和R2这两个电阻上。

优点：电路结构非常简单，成本低，具备基本的稳压能力。

缺点：

• 效率低：多余的电压以热的形式消耗在电阻和三极管上，特别是R2和Q1。
• 负载能力弱：受限于R2（1kΩ）和Q1，最大输出电流很小。计算一下，假设Vce最小为0.3V，那么最大输出电流 Ie_max ≈ (24V - 0.3V - 3.3V) / 1kΩ = 20.4mA。
• 精度不高：输出电压受三极管Vbe影响，而Vbe会随温度和电流变化。
• 空载功耗：即使不接负载，电路也持续消耗电流。

这个电路非常适合用于对成本和体积要求苛刻、对效率和精度要求不高的微功率、小电流待机或参考电源场合。