恒流电路设计之稳压二极管恒流电路

恒流电路设计之稳压二极管恒流电路

本文将分析一个基于稳压二极管的恒流电路设计，通过仿真和理论计算揭示其工作原理，并提出优化方案。

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：

1. 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；
2. 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);
3. 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)。