学好模拟电路第一课（续）：稳压二极管电路经典应用案例与分析

在《学好模拟电路第一课》，我详细讲解了稳压二极管（以下简称“稳压管”）的基本原理以及参数设计，那么今天这一课再分析几种稳压管的典型应用案例，以帮助大家熟练使用稳压管进行设计工作。

一、利用稳压管设计具有强大带载能力的线性稳压电源

上一章讲解的典型稳压管应用电路主要是为了帮助大家理解稳压管的工作原理，这种电路带负载能力是比较差的，只能带一些小负载，目前市场上应用较多的稳压管的额定功率一般有：0.2W、0.25W、0.5W、1W、2W、3W、5W 这几种，5W以上的比较少见，并且同功率同系列的稳压管，随着稳压值的升高，其最大输出电流能力也是逐渐变小的，如图1所示为某品牌5W功率等级的稳压管1N5333B-1N5388B技术参数表，因此稳压管使用功率会进一步受限，并且稳压管满负荷使用时发热量比较严重，产生较大安全隐患。

图1 某品牌5W功率等级的稳压管1N5333B-1N5347B技术参数表

那么如何扩展稳压管的输出电流能力呢，我们可以使用“稳压管+NPN型三极管”的搭配方式来解决该问题，三极管具有很多优良的特性，比如：集电极和发射极之间电压（Vce）调节范围很宽，射极电流（Ic）可以做的很大（可以到5A），并且发射结电压降（Vbe）是固定值。另外，功率型三极管分为小功率、中功率、大功率三种，因此我们可以通过选择不同功率等级的三极管来制作不同功率大小的线性稳压电源，应用电路如图2所示。

图2 利用稳压管设计不同功率等级的直流线性稳压电源

直流稳压电源我们在电路设计中经常会遇到，直流稳压电源分为开关稳压电源和线性稳压电源，因为线性稳压电源没有开关噪声，纹波很小，所以经常在模拟采集电路中用到，比如电路主电源是12V，而模数转换采集芯片（ADC）和模拟信号调理电路需要5V来供电，那这种情况就需要将12V直流电源转换为5V直流电源。下面我们利用图2来设计一个5V/1A功率能力的直流电源转换电路，同时分析其工作原理。

（1）首先选择三极管型号。 因为需要提供1A输出电流（Ic），输入电压为12V，而输出电压为5V，因此三极管集电极和发射极之间需要承受的电压Vce=VI-Vo=7V。据此，我们可以选择MOTOROLA的NPN型三极管BCP68T1，其规格参数如图3所示。

图3 NPN型三极管BCP68T1主要参数（a）

图3 NPN型三极管BCP68T1主要参数（b）

根据图3三极管BCP68T1规格参数，BCP68T1的集射之间电压Vce动态调整范围在0.5V～20V区间，显示满足7V的动态压差设计要求。

（2）选择稳压管型号及限流电阻值。 图2稳压管部分其实是一个标准的稳压电路，详细原理请参考上一篇文章，R为稳压管的限流电阻，三极管基极即为稳压管的并联负载，电容C1和C2分别为输入端和输出端的滤波电容。三极管在线性稳压电路中是工作在线性区的，而非开关状态，因此三极管的输出电流Ic需要遵循电流放大公式：Ic=Ib*β；当三极管Ic=1A时，根据β值至少大于60，故基极电流Ib≤1A/60=16.7mA，基极电流Ib即是稳压管需要提供的负载电流。另一方面，鉴于图2中电压关系：Vz=Vbe+Vo，以及三极管的发射结（基极和发射极之间）电压降为1V，因此稳压管应该选择6V左右的稳压值，这样输出才能得到5V的电源电压。

据此，选择某品牌稳压管型号：BZT52C6V2S，其稳压值为6.2V，额定功率200mW，最小击穿电流Izk为1mA，最大允许击穿电流为200mW/6.2V=32mA，推荐击穿电流为5mA，这样当稳压管工作在最佳击穿电流下时，还能提供32mA-5mA=27mA的负载电流，非常适合图2设计需求，最后得到的输出电源电压Vo在5.2V左右。当稳压管功率选的过大，会造成浪费及成本增加；当稳压管功率选的过小，稳压管可能会发热甚至不能为三极管提供正常工作的基极电流。有关限流电阻R的选择请参考上一篇文章，这里不再赘述。

图4 稳压管BZT52C6V2S规格参数（a）

图4 稳压管BZT52C6V2S规格参数（b）

大家理解了吗？这是利用三极管固定的发射结电压以及稳压管提供较小基极偏置电流，从而来驱动三极管提供大电流输出的原理来设计直流稳压电路，我们可以选择不同功率等级的三极管和合适的稳压管来制作我们所需要的直流线性稳压电源电路。

二、利用稳压管设计各种保护电路

因为稳压管在准确的电压下齐纳击穿，这就使得它可作为限制或保护元件来使用，在各种场合下限制电压、过压保护，消除线路上的雷击浪涌、尖峰干扰，或者用作能量泄放，图5示意了两种可以泄放雷击浪涌和电压保护的电路原理图。

图5 稳压管用作电压保护和能量泄放电路

图6 电力供电系统中一种靠互感器取电的自供电电源

图5所示电压保护和能量泄放电路可以用在图6所示的互感器自取电电源电路中，其目的主要用于保护后端开关电源芯片的安全，防止芯片被野外雷电波击穿损坏。图5(a)中，当正负母线Udc之间电压大于10V时，稳压管会齐纳击穿而导通工作，此时，三极管Vce导通泄放母线上的浪涌电压，当母线Udc之间电压小于10V时，稳压管不会齐纳击穿，三极管处于断开状态，不会影响后端电路正常工作；图5(b)工作过程类似，只不过增加了一个泄放电阻R，以免泄放能量过大而损坏MOS管，这种电路一般用于泄放高压大电流的场合。

注意：电路中稳压管可以根据实际保护需要选取不同电压和功率的稳压管，当需要过高电压等级的稳压管时，根据图1所示其最大允许击穿电流会逐渐减小，这时为了保证用在高电压泄放电路场合的安全，可以采用多个小电压稳压值的稳压管串联的方式来达到目的，如图7所示。

图7 采用多个稳压管串联以达到用于泄放高电压大电流的场合

三、利用稳压管作为钳制电路来提高门槛电压，以达到增强电路鲁棒性的作用

图8 电力系统中常用的开关量检测电路

图8所示为电力系统中常用的开关量检测电路，用于检测（采样）外界输入的湿节点或干接点信号，比如当外界输入一个5V的湿节点信号时（此时“接入端A”连接5V高电平，“接入端B连接信号地”），光耦将导通，“输出端C”将会由高电平变为低电平，供CPU检测高低电平变化。但是，会存在这么一种情况：当电路或系统中存在一个电压波动或尖峰噪声，可能会引起光耦检测端误导通，从而误触发引起“输出端C”的电压跳变，导致CPU做出错误的判断。

这时，我们可以在光耦检测端电路上串联一个3.3V的稳压二极管来提高检测门槛电压，将3.3V以下的干扰信号彻底滤除掉，只有高于3.3V的开关量信号才能触发光耦导通工作，达到增强检测电路可靠性的目的。当然，这样设计后需要好好计算一下检测电路上各个电阻值的选取值，不然可能导致光耦电路不能正常触发工作。

稳压二极管的应用千变万化，根据使用场景可以灵活设计，这里我不可能全部枚举出来分析，希望大家认真总结、思考，理解掌握。（本文章完）

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系统化学习，第15节：稳压二极管知识

稳压二极管又叫齐纳二极管。 利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。稳压二极管是根据击穿电压来实现稳压的，因为这种特性稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压

一.常见的稳压二极管种类：

常见的稳压二极管有插件式、贴片式、锁附式稳压二极管,如下图所示

二.稳压二极管主要参数：

1.稳定电压 UZ：正常工作时管子两端的电压

2.稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin.

3.最大允许功耗

4.动态电阻

5.电压温度系数：稳压值受温度变化影响的系数。数值上等于温度每升高1。C时稳定电压的相对变化量.

6.稳压管运用在反向击穿区，普通二极管在正向区，稳压管比普通二极管的反向特性更陡

三.稳压管电路应用.

1.稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。

电阻的作用：一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

例题1：稳压管的参数是：Uz=8V，Iz=10mA，Izm=29mA.选择600Ω ，0.125w的电阻作为限流电阻，是否合适？

限流电阻R的阻值选得合适，但电阻的额定功率选得太小（0.125W<0.24W），会烧坏电阻,应选600Ω，0.25W的电阻比较合适.因此在选择限流电阻时，要注意电阻的额定功率必须大于其实际消耗的最大功率.

例题2：已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600 Ω，求限流电阻R的取值范围。

例题3：图示中的二极管型号规格都一样稳定的都是5.1V，只是放置不一样，这样呈现的特性也不一样，你能说出有什么区别吗？如果不懂可以在下方给我留言。

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