恒流电路设计之稳压二极管恒流电路

最近看到这样一个恒流电路，乍一看，貌似确实可以实现恒流，但实际情况真的是这样吗？

你认为的工作原理

为了照顾刚入门的同学，我们还是简单介绍下"乍一看"的电路逻辑

1. 信号引脚给一个高于5V的电压，这样稳压管\(D_1\)两端电压稳定在5V；

2. 三极管\(V_{be}\)基本是固定值(假设此处为0.7V)，这样采样电阻\(R_3\)两端的电压为4.3V，从而得到一个恒定的\(I_e\)电流；

3. 对于三极管而言，\(I_c \approx I_e\)，所以通过负载\(R_1\)的电流也是恒定的。

仿真与电路分析

为了搞明白这个电路，我们用LTspice仿真下

在仿真电路中，\(D_1\)是5.1V的稳压管，\(Q_1\)的\(V_{be}=0.35V\)，\(R_L\)设定为CR模式，阻值从\(1K \Omega - 1\Omega\)范围内变化

可以看到，通过负载\(R_L\)的电流并不是恒定的，而且与理论计算值(\((5.1-0.35)/50=95mA\))偏差较多

咦，怎么回事？

测量下\(V_e\)和\(V_b\)的电压，可以发现其并不是恒定的，而且\(V_b\)最高只有3.4V，说明稳压管\(D_1\)实际并没有工作；在这个电路中，这是我们非常容易忽略的一点。

通常可以用下面这个方法判断稳压管在电路中是否工作：

4. 先假设稳压管未连接在电路中，然后计算稳压管所连接的两点的压差；

5. 如果压差大于或等于稳压管的\(U_z\)，则稳压管工作，两点压差稳定在\(U_z\);

6. 如果压差小于稳压管的\(U_z\)，则稳压管不工作;

在这个电路中，如果要稳压管始终保持工作，需要保证(假设负载电流为0)：

\[\frac{V_2-V_{be}}{R_3+R_2}*R_3+V_{be}\geq U_{Z_{D_1}}\tag{1} \]

如果\(V_2=12V\)，\(U_{Z_{D_1}}=5V\)，则\(R_2\)与\(R_3\)将是同一个数量级；

另外这个恒流电路还有一个“坑”：三极管要满足\(I_c \approx I_e\)，则三极管必须工作在放大区(即发射结正偏，集电结反偏)；

换句话说，就是\(V_C>V_b\)，且\(I_e\approx I_{R_L}=\beta I_b\)，则：

\[V_2-I_{R_L}*R_L>U_{Z_{D_1}}\tag{2} \]

\[I_e=\frac{U_{Z_{D_1}}-V_{be}}{R_3}\tag{3} \]

所以只有\(R_L\)满足以下公式时，负载电流才恒定：

\[R_L<\frac{V_2-U_{Z_{D_1}}}{U_{Z_{D_1}}-V_{be}}*R_3\tag{4} \]

调整参数，使\(R_2=R_3=50\Omega\)，\(V_b\)电压确实稳定在5.1V，\(I_e\)也基本在93~95mA；电路在\(R_L=73.5\Omega\)左右进入恒流模式。

但需要注意：\(R_2\)、\(R_3\)、\(D_1\)、\(Q_1\)的功耗都会非常高。

想要降低功耗，也是有办法的，那就是增加\(R_2\)、\(R_3\)的值，但根据式(2)，恒流状态下，\(I_e\)与\(R_3\)成反比，这样就会导致\(I_e\)电流非常小。

电路优化

稳压二极管恒流电路“恒流”的实现主要原理就是：保持\(I_b\)恒定，并且使三极管工作于放大区，就可以得到恒定的\(I_C\)。

所以可以对电路进行优化：去掉稳压管\(D_1\)和采样电阻\(R_3\)。

则电路的恒定电流为：

\[I_{R_L}=\beta I_b=\frac{V_2-V_{be}}{R_2}*\beta\tag{5} \]

恒流电路达到恒流的条件为：

\[R_L<\frac{V_2-V_{be}}{\beta I_b}=\frac{R_2}{\beta }\tag{6} \]

说明：仿真中三极管\(Q_1\)的放大倍数\(\beta=67\)。

如何下载：稳压二极管恒流电路仿真模型

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