解释 12 V 到 9 V 转换的逻辑

电器工程 转换器 12v
2022-01-14 13:42:07

下面的电路是如何工作的?

我知道电阻器、电容器和晶体管的作用,并在微控制器板上使用过它们,但我是否试图理解电路的逻辑。

在此处输入图像描述

我假设 22 欧姆和 470 欧姆电阻之间存在关系。

3个回答

它分为三个简单的部分,每个部分都相对容易解释:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

第一部分是提供反向电压保护的二极管。如果由于某种原因输入电压的极性与应有的极性相反,则\$D_1\$将阻止它,并且输出也将基本上关闭。只有极性正确,电路的其余部分才能正常工作。包含这种附加保护的代价是可能会产生\$700\:\text{mV}\$的电压降。(我在图中稍微夸大了这个电压降。但它明白了这一点。)

下一节在此之下。这是一个齐纳稳压器。电阻是用来限制电流的。当以足够的电压反向偏置时,齐纳二极管往往具有相同的电压(并且\$11-13\:\text{V}\ $ 绰绰有余。)对于给定的\$R_1\$,你' d 预计电流大约在\$5\:\text{mA}\$\$10\:\text{mA}\$之间。这是许多齐纳二极管的“正常”工作电流。(你可以去查看数据表并找出答案。我没有在这里打扰。)所以齐纳管顶部的电压应该接近\$9.1\:\text{V}\$通过齐纳二极管的确切电流将对此产生轻微影响。但并不多。(电容器,\$C_1\$,是否可以“平均”或“消除”齐纳噪声。这并不重要。但是很有帮助。)

右侧的最后一部分用于“提高”当前的合规性。由于齐纳二极管只有几毫安可以使用,如果你不包括这个附加部分,你的负载最多只能消耗很少的几毫安,而不会弄乱齐纳二极管的稳压电压。因此,要获得更多,您需要一个电流提升部分。它由通常称为“发射极跟随器”的 BJT 组成。这个 BJT 的发射极将“跟随”基极的电压。由于基极在\$9.1\:\text{V}\$,并且由于基极-发射极电压降约为\$600-700\:\text{mV}\$,您可以期望发射极“跟随”,但这里的电压略低(如图所示)。这个 BJT 不需要太多的基极电流来允许大量的集电极电流。所以这里的 BJT 可能会从它的集电极“吸取”电流,同时吸取一个更小、微小的基极电流(从齐纳二极管“偷走”,所以不能允许太多),然后这个总和二成为总发射极电流。该发射极电流可以是基极电流的数百倍。所以在这里,BJT 可能会消耗\$1\:\text{mA}\$的基极电流(这没关系,因为由于\$R_1\$有几倍的可用电流),以便处理可能多达\$200\:\文本{毫安}\$的发射极电流。为了与“保守”的想法保持一致,规范只写了\$100\:\text{mA}\$ - 当告诉某人它的能力时,这是非常正确的方法。保守一点。

\$R_2\$有一点短路电流限制。它没有其他作用。但是,如果负载试图通过发射极拉出过多的电流,则\$R_2\$上的电压降将越来越大,这将导致集电极获得较低的剩余电压。在某些时候,发射器会“狭窄”。在这种情况下,超过\$2\:\text{V}\$(可能更多一点)的下降可能会开始限制输出的过程。这意味着限制高于\$\frac{2\:\text{V}}{22\:\Omega}\approx 100\:\text{mA}\$总的来说,\$R_2\$是一种非常便宜的方法,可以添加一些适度的保护,以帮助使整个事情变得更加防弹,可以这么说。

注意:\$C_2\$是一个输出电容器,如果负载有瞬时、短期需求,它会提供一些额外的电流顺从性。我通常还希望在可能\$4.7\:\text{k}\Omega\$的\$C_2\$(未显示)上包括一个输出电阻器作为泄放电阻器,以提供从输出到地的 DC 路径并在几秒钟后释放\$C_2\$,当输入电源被移除时。

  • TIP41A 配置为电压跟随器。发射极电压将等于基极电压减去约 0.7 V。
  • 470 Ω 电阻器提供基极电流以开启晶体管并将基极拉向电源电压。
  • 如果基极电压高于 9.1 V(其击穿电压),齐纳二极管将开启。因此,基准电压将保持在 9.1 V。
  • 470 Ω 电阻器上将有大约 3 V 的电压下降,因此电流约为 \$ \frac {3}{470} = 6 \ \mathrm {mA} \$。
  • 负载电流将通过 22 Ω 电阻器和晶体管。在 100 mA 时,电阻器电压降将为 \$ IR = 0.1 \cdot 22 = 2.2\ \mathrm V \$ 并且消耗的功率将为 \$ I^2R = 0.1^2 \cdot 22 = 0.22 \ \mathrm W \美元。
  • 降低电阻两端的大部分电压会降低晶体管中的功耗。我们会回到那个。
  • 1N4007 用于保护电路免受反向电压输入连接。我们将在其上损失约 0.7 V。

回到晶体管:让我们计算出最大 14 V 输入。

  • 输入电压 = 14 V。
  • 1N4007 之后的 V = 13.3 V。
  • 100 mA 时 22 Ω 电阻后的 V = 13.3 - 2.2 = 11.1 V。
  • 晶体管两端的 V = 11.1 - 8.5 = 2.6 V(允许基极和发射极之间的压降约为 0.6 V)。
  • 晶体管的功耗 \$ = VI = 2.6 \cdot 0.1 = 0.26\ \mathrm W \$。
  • 如果没有 22 Ω 电阻,晶体管中的功耗将为 \$ (2.2 + 2.6)0.1 = 0.46\ \mathrm W \$。

我假设 22 欧姆和 470 欧姆之间存在关系。

并不真地。它们提供独立的功能并且不交互。

该电路产生+9 V输出的关键元件是齐纳二极管1N757。当电路通电(+12 至 +14 V)时,1 µF 电容器放电,晶体管关闭。稍加延迟后,1 µF 电容器通过 470 欧姆电阻充电至齐纳二极管的标称电压,并打开晶体管至其具有 9 V 输出电压的发射极。

如果出现问题,此处的 22 欧姆电阻器会限制电流(将在短时间内防止短路/过流,但在较长时间内晶体管可能会过热和烧毁)。据我了解,1N4007二极管是为了确保如果您不小心连接了交流输入电压,电路不会因负电压而烧毁。