电子设计教程4：稳压管稳压电路

  良好的电源是一切电路工作的基础。电源质量不过关的电路，就像得了心脏病的病人。

能够为负载提供稳定的电源的装置，就是稳压电源。我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。

线性电源与开关电源的区别

  所谓“线性”电源，是与“开关”电源相对应的。
  开关电源通过控制某个器件的通断时间实现稳压。它的优点：体积小，重量轻，功耗小，稳压范围宽，效率较高，通常在80%~90%。它的缺点：输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

  线性电源的稳压器件工作在线性状态下。它的优点：稳定性好，瞬态响应速度快，可靠性高，输出电压精度高，输出纹波电压精度小。它的缺点：变换效率较低，尤其是在输入输出电压差较大的情况下。如果输出电流也较大，会有明显的发热发烫现象，甚至可能烧坏调整管。

稳压二极管的工作原理

  稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。
  它的正向伏安特性曲线与普通二极管类似。实际应用时常常反向接入电路中。当稳压管外加反向电压的数值大于某个特定数值，则击穿，电流瞬间增大，而电压几乎不变。这个特定数值称为反向击穿电压。对于普通二极管来说，反向击穿以后二极管失去了单向导电性，可以说就坏掉了。但是二极管的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压二极管又恢复正常。但是如果反向电流太大，稳压管会发生热击穿，被烧坏，这是不可逆的。

图 稳压管的伏安特性

稳压管的参数

  在规定电流下，稳压管的反向击穿电压被称为稳定电压Uz。这是选用稳压管最关心的参数。例如SMAJ5.0稳压管的稳定电压大约是5V（严格来说，指的是这个稳压管可以用于5V工作场景，它的反向击穿电压略大于5V）。当稳压管工作在稳压状态时的参考电流，称为稳定电流。如果电流低于某个值，稳压管无法工作在稳压状态，这个最小的稳定电流写作Imin；如果电流大于某个值，稳压管就会烧坏，那么这个最大的稳定电流写作Imax。可以看出规定电流的大小有一个范围，通过伏安特性曲线，稳定电压Uz其实也是一个范围。
  稳定电压与最大稳定电流Imax的乘积是额定功耗。通常额定电压与器件封装大小有关，例如SMAJ5.0稳压管的封装是SMA，它的额定功耗是1W。这个稳压管的名字中包含了功耗与稳定电压两个信息，可以由此计算出最大稳定电流是200mA。从伏安特性曲线中可以看出，只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。

使用稳压管作为稳压电源

  将电阻与稳压管串联，就是一个简单的稳压电路。稳压管的稳定电压与流过稳压管的电流相关，而改变电阻值的大小，可以改变流过稳压管的电流的大小，也可以微调稳定电压。并联的电容可以吸收稳压二极管的齐纳噪声，以改善稳压二极管的输出特性。在不带负载时，根据欧姆定律可以轻松写出计算稳定电流的公式：

稳压管稳压电路的实测与应用

  如果接入负载，则负载与稳压管形成并联，负载会流过一定的电流，导致流过稳压管的电流变小，进而导致稳定电压发生变化。如果负载电阻Rl很小，流过负载的电流很大的话，稳压管甚至不能得到足够的电流，来工作在稳压的状态。所以在负载不确定的情况下，稳压管的稳压效果并不理想。
  我实测，使用SMAJ5.0稳压管+100Ω限流电阻，空载电压为5.302V，1K负载时电压为5.296V，100Ω时电压为5.082V。可以看出负载阻值变小以后，输出电压与输出电流都变小了。这是因为负载与稳压管是并联关系，负载阻值变小以后，需要更多的电流，限流电阻中电流变大，那么经过限流电阻上的压降也变大，输出电压变小。输出电压变小，根据伏安特性曲线可以看出，稳压电流也变小。
  此外，限流电阻通常有一定的功率要求。如果我们设置稳定电流为70mA，通过公式算出限流电阻取值100Ω;，消耗在限流电阻上的功率有0.49W，所以要选择功率足够的电阻。电阻上的功率会以发热的形式白白浪费掉。
  所以，稳压管稳压电路如果作为电源，只适合用于电流很小，负载确定，对电压要求精度不高的场合。