设计电源(齐纳二极管)以实现稳定的 6V(±±0.01)

电器工程 电源 电容器 齐纳
2022-02-01 02:24:21

更新:我的目标是获得 6V 作为电压输出。如您所见,它是 5.94 V。我尝试调整变量,但它从 5.6 到 5.94V 不等,从未达到 6V。使它真正接近 6V 的最佳方法是什么±0.01?

我设计了一个直流电源,它有一个稳压二极管作为稳压器。我已经包含了电容器来过滤它并进行一些平滑操作并减少纹波。现在,在齐纳稳压器中添加更多电容器会产生什么影响?此外,在进一步设计时,是否值得将电容器最大化到某个最大值,例如 10,000 uF?

编辑:齐纳二极管为 6V,输入电压为 220 V AC(我将使用 6V 桥式变压器),负载将介于 500Ω 到 20kΩ 之间。通过以 500 欧姆的增量更换负载,负载会有所不同,这意味着一次一个。

我只能使用齐纳稳压器,加上一些电容和电阻。

示意图

3个回答

齐纳二极管是并联稳压器,这意味着它是与实际负载并联的负载。

在此处输入图像描述

齐纳电压为 6 V,因此您需要更多的电压来允许串联电阻 R 两端的电压降。如果输入电压恒定,例如 8 V,如果 6 V 也是恒定的,R 将看到恒定电流. 这就是欧姆定律:V = R×一世。

正如我们将看到的,您的负载可能在 500 Ω 和 20 kΩ 之间变化,这对于齐纳二极管来说是一个很宽的范围。然后通过负载的电流将在 300 µA 和 12 mA 之间变化。所以我们必须至少计算 12 mA 的 R 加上一些齐纳二极管的 R,比如说 10 mA。那是 22 mA,如果我们假设 8 V 输入,那么我们的 R 将为 90 Ω。

齐纳二极管的 10 mA 是正确调节所必需的。如果电流过低变化可能会导致相当大的电压变化。正如您所见,在 500 Ω 的最大负载时,稳压器的效率仅为 50 % 左右;您通过齐纳二极管的电流与通过负载的电流相同。在最小负载时,它真的很糟糕:齐纳二极管将从负载中取出 12 mA 电流,总共有 22 mA,而负载只有 300 µA。效率只有 1.3 %!这就是为什么不建议将齐纳二极管用于负载变化如此之大的原因。

为什么齐纳二极管会从负载中取出 12 mA 电流?如果不是,R 将仅获得 10 mA 而不是 22 mA,并且对于 7.1 V 输出,电压降将为 900 mV。齐纳电压迫使总电流为 22 mA。

所以齐纳电流会随着负载的变化而变化,但也会随着输入电压的变化而变化,因为如果 8 V 变为 9 V,那么总电流将变为 (9 V - 6 V)/90 Ω = 33 mA。如果负载需要其中的 12 mA,则通过齐纳二极管有 21 mA。

您的齐纳二极管将使电压保持在 6 V 左右,但是随着这些不断变化的电流,您无法期待奇迹:6 V 不会保持恒定。齐纳二极管不是一个好的电压调节器。

更好的解决方案是TL431(Russell!;-))。通过更好的监管,这已经更加稳定,而且成本几乎不超过齐纳二极管。

但真正的解决方案当然是串联稳压器。78L06一个 6 V/100 mA 部件,易于使用:一个输入引脚、一个输出和一个公共接地。为输入和输出添加电容器,您就可以设置了。


在向问题添加要求后进行编辑
如果您只能使用齐纳二极管,则必须放宽您的要求。10 mV 的精度是绝对不可能的。这小于 0.2 %,而1N5233一开始就有 5 % 的容差,数据表给出的齐纳阻抗最大为 7 Ω。这意味着 12 mA 的齐纳电流差异将产生 84 mV 的差异,即另外 1.4 %。

显然您正在使用齐纳二极管作为分流稳压器如果它只是紧跟在变压器、整流器和并联电容器之后,那不是一个好主意。原因是您几乎可以保证输出电压将在每个周期的部分时间降至调节限制以下。在峰值期间,齐纳二极管会将电容器电压限制在调节值。在下跌期间,它只能从那里下跌。

您的最大负载仅为 12 mA,因此您不必担心效率。最简单的答案是在整流器和电容器之后加上一个线性稳压器。如果变压器的次级如您所暗示的那样输出 6 VAC,那么它的峰值电压实际上将为 8.5 V。减去两个肖特基(在这些低电压下,肖特基是不费吹灰之力)二极管压降应该留下大约 7.5 到 8 伏。这为线性稳压器留下了至少 1.5 V 的余量,这是非常可行的。

正如其他答案中提到的,齐纳二极管不是一个很好的电压调节器,适用于广泛变化的负载。
改善调节的方法是增加齐纳电流,但要达到接近 +-10mV 的容差(考虑到齐纳容差并在高于平均电流的情况下运行,精度是另一回事)需要大电流。

这是一个 1N750 齐纳二极管,每次将负载从 500Ω 扫描到 20kΩ 时,使用 40Ω、100Ω 和 500Ω 的串联电阻进行 3 次仿真:

齐纳电源

模拟:

齐纳电源模拟

红色迹线与串联 R 为 500Ω,蓝色迹线为 100Ω,绿色迹线为 40Ω。X 轴是从 500Ω 扫描到 20kΩ 的负载,Y 轴是输出电压。
我们可以看到串联电阻越低,对变化负载的调节越好。然而,在 8V 输入和 40Ω 电阻的情况下,齐纳二极管将通过 ~80mA 电流并耗散 4.7 * 80mA = ~380mW,因此无需费力散热就会变得非常热(热阻可高达 300° C/W 根据数据表
同样值得注意的是不同电流的电压“平台”略有不同。该齐纳二极管的标称电压为 4.7V,但当我们以 ~6.5mA (500Ω) 运行齐纳二极管时,电压低于 ~4.65V,而当以 ~80mA 运行时,电压高于此电压至 ~4.77V。因此,如果您需要输出精确到(在您的情况下)6V,则需要考虑这一点。此外,约 0.018%/°C 的温度系数会影响事物,因此在不同条件下运行需要某种方式使其保持合理恒定(显然需要将耗散与环境一起考虑在内)
50°C 的变化将产生 0.018 * 50 = 0.9% 的变化,这相当于 ~42mV,它将淹没您的 10mV 目标。因此,一切都必须“恰到好处”才能有机会遇到它。

因此,如果这只是为了分配/乐趣/等,那么请执行上述操作。如果它用于适当的设计,请多花几分钱并使用线性稳压器(或至少一个带齐纳二极管的晶体管通过元件来调节基极)