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$1K\mathrm{\Omega }-1\mathrm{\Omega }$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)：

$$\begin{array}{}\text{(1)}& \frac{V_2-V_{be}}{R_3+R_2}\ast R_3+V_{be}\ge U_{Z_{D_1}}\end{array}$$

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：

$$\begin{array}{}\text{(2)}& V_2-I_{R_L}\ast R_L>U_{Z_{D_1}}\end{array}$$

$$\begin{array}{}\text{(3)}& I_e=\frac{U_{Z_{D_1}}-V_{be}}{R_3}\end{array}$$

所以只有$R_L$满足以下公式时，负载电流才恒定：

$$\begin{array}{}\text{(4)}& R_L<\frac{V_2-U_{Z_{D_1}}}{U_{Z_{D_1}}-V_{be}}\ast R_3\end{array}$$

调整参数，使$R_2=R_3=50\mathrm{\Omega }$，$V_b$电压确实稳定在5.1V，$I_e$也基本在93~95mA；电路在$R_L=73.5\mathrm{\Omega }$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：

$$\begin{array}{}\text{(5)}& I_{R_L}=\beta I_b=\frac{V_2-V_{be}}{R_2}\ast \beta \end{array}$$

恒流电路达到恒流的条件为：

$$\begin{array}{}\text{(6)}& R_L<\frac{V_2-V_{be}}{\beta I_b}=\frac{R_2}{\beta }\end{array}$$

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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