电源设计说明：模拟BJT

在本教程中，我们将看到一个涉及 BJT 电源的模拟，特别关注性能和效率。使用的主要电子软件是 LTspice，这是一种高性能 SPICE 仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有增强功能和模型，可简化模拟电路的仿真。

更大的力量

单个齐纳二极管无法管理太多功率。为了驱动强大的负载，有必要将基极电路连接到一个强大的晶体管。在图 1 的配置中，晶体管的基极电压由 12 V 的齐纳二极管固定。R1 的值至关重要。低电阻对齐纳二极管来说是危险的，但高电阻会导致二极管工作不良。我们来看看图1中的电气原理图；它是一个 12-V 稳压器。

图 1：晶体管稳压器

以下是其一些最重要的功能：

电源电压：24 V (V1)

向齐纳二极管和晶体管 (R1) 基极提供电流的电阻器

齐纳二极管 1N4742A (D1)

功率晶体管2N3055（Q1）

5 Ω (R2) 的电阻负载

齐纳二极管1N4742A的SPICE子电路如下：

.SUBCKT DI_1N4742A 1 2

* 终端 AK

D1 1 2 DF

DZ 3 1 博士

VZ 2 3 10.9

.MODEL DF D (IS=34.3p RS=0.620 N=1.10 CJO=94.2p VJ=1.00 M=0.330 TT=50.1n)

.MODEL DR D (IS=6.87f RS=0.550 N=1.49)

.ENDS

如图 2 所示，电路的瞬态仿真显示以下通过组件的电流值：

通过电池 V1 的电流：2.31 A

通过电阻器 R1 的电流：117.44 mA

通过齐纳二极管 D1 的电流：21.63 mA

通过晶体管 Q1 基极的电流：95.82 mA

通过晶体管 Q1 集电极的电流：2.19 A

通过晶体管 Q1 发射极的电流：2.29 A

通过负载 R2 的电流：2.29 A

图 2：通过组件的电流

晶体管的 Beta

在这种配置中，晶体管是一个电流倍增器。集电极上的电流等于基极电流乘以 2N3055 的 hFE。在2N3055的datasheet中，hFE值在20到70之间。在我们的例子中，除法的结果：

表示目前的收益约为 23.90。您可以通过在 LTspice 接线图中插入以下 SPICE 指令来获得相同的结果：

.meas TRAN 增益平均值 I (R2) / Ib (Q1)

该电路的效率很低，约为47.21%。电阻器 R1、齐纳二极管和晶体管 2N3055 上的热量会损失大量功率，必须通过良好的铝散热器适当冷却。使用以下公式计算效率：

您还可以通过在 LTspice 原理图中插入以下 SPICE 指令来计算效率：

.meas TRAN EFF AVG (V(Out)*I(R2))/(V(In)*-I(V1))*100

一些备注

齐纳二极管 1N4742A 的数据表指出其工作电流 I(zr) 必须约为 21 mA。电阻器 R1 将这个电流调节到正确的值。齐纳管的功耗约为 260 mW。R1 的功耗很重要，约为 1.4 W。晶体管的功耗约为 27.5 W。电路虽然很热，但运行正常。齐纳二极管阴极的电压为 12 V（黄色信号）。为负载供电的电路的输出略少，为 11.4 V（绿色信号）。为什么？必须计算压降 Vbe，硅晶体管的电压降约为 0.6 V（图 3）。

图 3：电压 Vbe 使稳压器输出电压降低 0.6 V。

参数的扫描

对某些操作参数运行一些扫描模拟非常有趣。让我们开始改变输入电压，范围在 12 V 和 24 V 之间。如您所见，输出电压不稳定，但很大程度上取决于 V1 的值（图 4）。

图 4：直流扫描仿真

关于这种类型的模拟，在图 5 中，我们可以看到齐纳二极管和晶体管基极的电流趋势。查看此图，我们可以说齐纳二极管在电源电压约为 23-25 V 时开始执行其“任务”。

图 5：通过齐纳二极管和晶体管基极的电流

现在让我们尝试 7 Ω 和 20 Ω 之间的不同负载 (R2) 值。我们可以检查电路如何响应各种阻抗，最重要的是，我们可以验证其效率。要通过尝试不同的负载值来执行仿真，我们可以插入 SPICE 指令：

.step 参数加载 7 20 0.5

在图 6 中，我们可以观察到输出电压的曲线图，这取决于负载 R2 的不同值。在任何情况下，它都在 11.543 V 和 11.665 V 之间。

图6：负载R2变化时的输出电压

不同的负载值产生下表：

R2 ( Ω )	锅 R2 (W)	锅 V1 (W)	效率 （％）
7.0	19.037	41.025	46.402
7.5	17.811	38.568	46.181
8.0	16.732	36.405	45.960
8.5	15.775	34.489	45.740
9.0	14.921	32.779	45.522
9.5	14.155	31.243	45.305
10.0	13.463	29.857	45.091
10.5	12.835	28.599	44.879
11.0	12.263	27.453	44.669
11.5	11.740	26.405	44.462
12.0	11.260	25.441	44.257
12.5	10.817	24.554	44.054
13.0	10.408	23.733	43.853
13.5	10.028	22.972	43.654
14.0	9.675	22.264	43.457
14.5	9.347	21.604	43.262
15.0	9.039	20.988	43.070
15.5	8.752	20.410	42.879
16.0	8.482	19.869	42.690
16.5	8.228	19.359	42.503
17.0	7.989	18.879	42.318
17.5	7.764	18.426	42.134
18.0	7.551	17.998	41.953
18.5	7.349	17.593	41.773
19.0	7.158	17.209	41.594
19.5	6.976	16.844	41.418
20.0	6.804	16.497	41.243

图 7显示了相对图。

图 7：改变负载的电路效率



审核编辑：刘清