稳压管稳压电路

回顾：稳压管的特性

主要参数

• 稳定电压U_Z：是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。器件参数具有分散性。
• 稳定电流I_Z：稳压管工作在状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压，常将I_Z记做I_Zmin。
• 额定功耗P_ZM：P_ZM等于稳压管的稳定电压U_Z与最大稳定电流I_ZM的乘积。一般是根据稳压管的P_ZM求I_ZM。只要不超过额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。
• 动态电阻r_Z：是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比，即r_Z=ΔU_Z/ΔI_Z。r_Z愈小，电流变化时U_Z变化愈小，即稳压管稳压特性愈好。一般取值范围为几欧到几十欧。
• 温度系数α：α表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=ΔU_Z/ΔT。稳定电压小于4V的管子具有负温度系数，属于齐纳击穿（高掺杂，耗尽层宽度窄，不大的反向电压就会在PN节产生强电压，直接破坏共价键）；大于7V的具有正温度系数，属于雪崩击穿（低掺杂，耗尽层宽度宽，反向电压增加时会加快少子漂移，从而与共价键中价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子空穴对，新产生的电子又会撞出其它价电子致使载流子雪崩式增加），而介于4~7V之间的管子，温度系数非常小，近似为零（齐纳击穿和雪崩击穿均有）。

电路的组成

稳压原理
对任何稳压电路都应从两个方面考察稳压特性，一是设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。

电网电压升高，会导致U_I升高，从而导致U_O或U_Z升高，进而导致I_DZ急剧升高，从而导致I_R急剧升高，这就导致了U_R增加，这就导致了输出电压基本不变。也就是：
U_I↑=U_R↑+U_O，也就是ΔU_R≈ΔU_I。

R_L减小，则I_L增大，就会导致I_R增大，就会导致U_O或U_Z减小，从而导致I_DZ急剧减小，从而使I_R基本不变。也就是：
I_R=I_DZ↓+I_L↑，即ΔI_Z≈-∆I_L。

性能指标

• 输出电压：U_O=U_Z
• 输出电流范围：I_Z≤I_DZ≤I_ZM
• 稳压系数S_r：指负载一定时，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。
  
  S_r表明电网电压波动的影响，其值愈小，表明电网电压变化时输出电压的变化愈小。
  如图为稳压管交流等效电路：
  
  得
  
  通常R_L>>r_Z，R>>r_Z，所以
  
  通过此公式可知，R的增大有利于减小稳压系数，但会降低负载电流。因而需要增大U_I来增加电流，但又会增大稳压系数，所以二者取值需合理搭配。
• 输出电阻R_O：稳压电路输入电压一定时输出电压的变化量与输出电流的变化量之比。
  
  R_O表明负载电阻对稳压性能的影响。根据上面的等效电路可知稳压管稳压电路的输出电阻为R_O=R//r_z≈r_z
  也有的资料用电压调整率和电流调整率来描述稳压性能。电压调整率指在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压的变化量ΔU_O。电流调整率指在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压的变化量ΔU_O。
• 纹波电压：通常由测试得来，通常指输出电压或输出电流的交流分量。

电路设计
设计一个稳压管稳压电路就是合理的选择电路元件的有关参数。首先要知道输出电压U_O，负载电流I_L的最小值I_Lmin和最大值I_Lmax（或者说负载电阻R_L的最大值R_Lmax和最小值R_Lmin）,输入电压的波动范围为±10%。
设计过程一般是根据负载逆推的一个过程，包括：

• 确定输入电压：由输出电压确定输入电压U_I：一般，根据经验U_I=(2~3)U_O。
• 稳压管的选择：稳压管稳压电路中，U_O=U_Z，当负载电流I_L变化时，稳压管会产生一个与之相反的变化，即∆I_DZ≈-∆I_L，所以稳压管稳压区所允许的电流变化范围应大于负载电流的变化范围，即
  
  考虑空载时稳压管流过的电流I_DZ将与R上的电流I_R相等，满载时I_DZ应大于I_Zmin，稳压管的稳定电流应留有充分余量，则还应满足
  
• 限流电阻R的选择：满足两个条件，一是稳压管流过的最小电流I_DZmin应大于稳压管的最小稳定电流I_Zmin（即手册中的I_Z）;二是稳压管流过的最大电流I_DZmax应小于稳压管的最大稳定电流I_Zmax（即手册中的I_ZM）,即
  
  根据公式，
  
  当电网电压最低（即U_I最低），而此时负载电流又最大，根据上面的公式，此时，流过稳压管的电流最小，则
  
  则限流电阻的上限
  
  式中，I_Lmax=U_Z/R_Lmin.
  当电网电压最高（即U_I最高），负载电流最小，流过稳压管的电流最大，则
  
  得出限流电阻的下限值为
  
  式中，I_Lmin=U_Z/R_Lmax。
  R的值确定后，可根据电流值确定其功率。
  问题如果下限值大于上限值呢？
  这时更换I_ZM更大的稳压管。因为稳压管的I_Z基本差不多（不可调），所以更换I_ZM更高的稳压管。
  如果在允许范围内，R的取值应该偏大一些，有利于降低稳压系数。
  有几个比较有意义的问题：
• 限流电阻的作用，过大或过小会产生什么问题？
• R>300Ω或R<200Ω会产生什么问题？
• 限流电阻在允许范围内，是大点好，还是小点好？
  *若选择稳压管时，I_ZM<I_Lmax，负担开路会出现什么现象？

总结

• 特点：负载小，限定电流范围小。
• 电源设计流程：
  根据输出电压得到输入电压U_I：U_I=(2~3)U_O；
  然后根据负载电流得到稳压管参数：U_Z=U_O；I_ZM≥I_Lmax；
  基于上面的参数得到限流电阻的范围：
  然后得到滤波电路的等效负载电阻为R+r_Z，然后根据可以得到电容的取值，考虑到电网波动，耐压值选择，一般来说越大越好。
  U_I为滤波后的平均输出电压，可以得到整流的平均输出电压
  同时根据负载电流，可以得到整流二极管的参数，平均电流为负载电流的一半，考虑电网的波动，平均电流要增加10%的余量，即1.1倍。反向耐压为其中，公式中U₂为变压器副边有效值。