电路设计学习笔记

电路设计之步步为赢

作者: #蓝色阿拉丁# QQ:80282987

第一章稳压二极管应用

1.1 实现稳压需要满足的条件

1）必须工作在反向击穿状态，即二极管应该反接，负极接电源，且电压必须大于它的稳压值。

2）满足上面的基本条件外，要想达到比较好的稳压效果，还需要考虑其它因素，比如最小稳定电流IZmin(如图1)。在电流小于IZmin时，电压是随着电流的增加而增大的，实际经过它的电压稳压后的电压值要比额定的要小，一般可能相差1V左右，从下面的参数表可以看出，稳压二极管的稳压值是有一定的波动范围的。要想随电流的增加，电压值仍保持基本不变，则应考虑最小稳定电流，一般工程应用参考值为4mA~8mA

3）当然有最小稳定电流，就有最大稳定电流，电流过大会损坏二极管，即有最大耗散功率(Pcm=Icm*Umax)

<表1>

<图1>

1.2 基础应用电路

1.2.1 与电阻串接到电路中降压

1)外部VDD一般为控制线，没起作用时可能悬空，起作用时引入12V电压，所以为了使外接悬空时，三极管不出现微导通状态，所以接一个下接电阻R1到地是有必要的（一般10K左右），而且分得的电流很小，基本不影响电路的导通情况Ir1=0.7v/20k=35uA

2)稳压二极管D2导通时，如果电流达到了最小稳压电流的话，经D2后降压约6.8V，如果实际电流比较的话，实际经稳压二极管D2的降压值会比6.8V小（未进入稳压区前，二极管电压随电流增大而增大，一直到最小稳压电电流时到达最大稳压6.8V）。我们先假设为6.8V计算，则加到R2上的电压

Vr2=12V-6.8V-0.7V=4.5V，则该支路总电流I=4.5V/20K=225uA; 这个电流值比稳压管的参考最小稳定电流4~8mA小了几十倍，可反推想该稳压管D2肯定没达到最大稳压值6.8V，绝对比这个小，以5.8V计算的话Vr2=12-5.8-0.7=5.5v，

I=5.5V/20K=275uA，这与实际仿真出的I=265uA已经很接近了。用

Ib=275uA-Ir1(R1分掉的电流)=265-35=240uA，与实际的234uA也很相近了。

3)由上面参数可以看出，稳压管并没有达到最大稳压值，为何不减小R2电阻，增大该支路电流而使D2达到最大稳压值6.8V呢？这里的一个原因是：在稳压管串联电路中，它的作用更主要的是降压，对电压一定要稳在一个特定的值要求

没那么严，它不像稳压管并联稳压。在这里，输入电压可能是一个宽压值，比如12-30V，我们算下30V时的电压和电流值(如图)：

Vr2 = 30-6.8-0.7=22.5V; Ir2 = 22.5/20=1.125mA;

基极电流Ib=1.125mA-35uA=1.09mA

(注：A点电压为0.7V，因为电阻R1与发射结并联，并联总电压=支路电压)

此时的值与仿真得到的值已经非常相近了！而我们仍用的是6.8V稳压值计算出的结果，得到流经稳压管的电流值是1.125mA，这已经接近参考稳压电流值

4-8mA了，这就近一步证明了，电流值越接近稳压管最小稳压电流值，经稳压管后降下的电压值越接近稳压值(6.8V)。输入30V时的检测电路

1.2.2 与负载并联稳压

首先看两个图，我们再根据这个电路讲解它怎样去设计

图2-1

图2-2

首先，我们在设计一个电路之前，要搞清哪些东西是已知的，不管是经验值还是查芯片手册查到的数字，你能确定它就算已知量。在这里，我们已知：

1> 查看1Z6.8的芯片手册，可以知道它的最小稳压电流为10mA，也就是说要想稳压管稳定在6.8V，必须给它10mA左右电流。

2> 三极管导通时，BE极电压经验值为0.7V

3> 发光二极管导通时所需电流为一般为5-20mA，电压为2V左右

4> 使三极管进入饱和区后，集电极-发射极电压Uce电压在0.03-0.2V左右，几乎可以不计，我们以0计算

知道以上几个条件就可以设计电路了。

1：首先要使稳压管稳压，则需使它反向并联接入电路中。

2：电阻R3是必须的，用以控制支路总电流以及分到稳压管D1电流

3：电阻R1也是必须的，用以控制三极管基极电流，使三极管进入饱和区

4：电阻R2用以限制发光二极管电流

现在我们计算这几个器件应取多大的值

1] D1需要10mA左右电流才可很好的稳压，基极分掉一部分电流（微安级），所以流过R3支路总电流必须10mA以上。R3上电压Vr3=12-6.8=5.2V 5.2V/470=11mA；所以取470欧电阻能够满足要求

2] 接下去计算基极电流；电阻R1+三极管发射极一起与ZD1并联，电压也为6.8V，所以加到R1上的电压Vr1=6.8-0.7=6.1V 取20K电阻，Ib=6.1/20k=305uA电流，几百微安电流应该足以使三极管进入饱和状态了

3] 11mA总电流- 基极电流=1100uA-305uA=10.7mA这个电流全部都加到ZD1稳压管上，不会超过它的最大稳压电流，因此也是符合要求的。

4] 因为Uce不计，发光二极管导通电压2V左右，所以电阻R2电压Vr2=3.3V-2=1.3V/R2 = (5~20mA)；我们取200欧得1.3V/200=6.5mA，在5-20mA之间，因此是满足要求的。

至些，电路设计完毕。

注：有些电路中用三极管驱动LED，而不直接用IO口驱动，是因为IO驱动能力有限，能使用三极管，可以通过基极小电流控制集电极大电流输出。

1.2.3 钳位二极管

这里V1输入电压在实际应用中可能是宽压，比如5-36V都可以，5V以下算掉电处理，10V 以下做低压处理，30V以上做高压处理。变化的电压通过MCU IO Check引脚，通过AD采集可以对相应电压作处理，比如低压报警，掉电报警，高压报警。两个二极管做钳位用，当电压很高时，它相应的电流也就越大，只要电流不超过它的最大电流，两二极管上的电压始终能保持在0.7+0.7=1.4V左右，电阻R1与D1/D4并联，那么它上的电压与两串联二极管电压是一样的，也即MUC IO口电压，其电压最大不会超过1.4V，因此保护了IO口不被高压损坏。

IO口实际电压计算方式: V= 1K/(20K+1K) *V1 = (1/20)*V1，按这个式了计算，当IO 口达到最大电压1.4V时，输入电压V1=20*1.4=29.4V。也就是说，当电压大于29.4V时，单片机IO口的电压由于两个二极管的钳位作用，使它的电压稳定在1.4V左右不变，如果不加的话，该点电压仍会随外部电压的增加而升高导致IO口烧坏。

这里电阻R3起了很关键的作用。通过调节R3的大小，可以控制IO口检测电压的范围。比如将电阻增大到47K，那么IO口实际电压V=1/(47+1)*V1，V最大值仍为1.4V，那么可检测到的变化输入电压范围为V1=1.4*48=67.2V，也就是说，输入电压在0-67.2V之间变化，在IO口都能检测到相应的变化的AD值与之对应。而前面一种，当电压>30V，采样到的AD值是差不多一样的，比如你需要在超过36V时报高压警报，前面一种你就做不到了，因为最大AD值可能对应的是32V，也可能是36V，或更高，而48K电阻的话就完全可以做到了。

二极管起了钳位作用，两个二极管使IO电压保持在1.4V，三个二极管使之保持在2.1V，选择0.2V的锗管或0.6V的硅管按理应该是都可以的，用硅管时，当输入电压低时，会出现不导通的状态，此时出了两个电阻分压的情况，但并不影响整体的功能。当电压升高到一定的时候，二极管导通，它的钳位功能就体现出来了