學子專區—ADALM2000：齊納二極管穩壓器

目標

穩壓器是一種讓負載上的輸出電壓保持恒定而不隨負載電流變化的電路。例如，負載可以是微控制器系統，這就要求電源電壓保持恒定，即使其電流會隨著系統活動的變化而變化。圖1中的齊納二極管穩壓器提供了一種非常簡單的方法來將負載電壓 V_L 保持與齊納二極管的反向擊穿電壓相同的值，只要負載電阻 R_L 保持在高于某一下限。電壓源 V_IN 和電阻 R_S 通過戴維寧等效電路模擬了輸入電路特性，比如將一個高電壓（如120 V交流電源）轉換為未經調節和濾波的較低直流電壓源。

材料

u   ADALM2000 主動學習模塊

u   無焊面包板

u   1個1 kΩ電阻(R_S)

u   1個5 kΩ可變電阻、電位計(R_L)

u   一個齊納二極管（1N4735或類似產品）

指導

使用1N4735 6.2 V齊納二極管在無焊面包板上構建圖1所示電路。使用 AWG1（5 V恒定）和–5 V Vn用戶電源作為直流電源 V_IN。R_L 使用各種固定和可變電阻。

圖1.齊納二極管穩壓器

圖2.齊納二極管穩壓器面包板電路

程序步驟

步驟1

對于下列值的R_L，使用 Scopy 電壓表測量 V_L 以監視并報告負載電壓 V_L：

u   開路（見圖3）

u   10 kΩ（見圖4）

u   1 kΩ（見圖5）

u   1 00 Ω（見圖6）

圖3. R_L = 開路齊納二極管穩壓器波形

圖4. R_L = 10 kΩ齊納二極管穩壓器波形

圖5. R_L = 1 kΩ齊納二極管穩壓器波形

圖6. R_L = 100 Ω齊納二極管穩壓器波形

步驟2

用 5 kΩ 電位計替換負載 R_L ，并調節電位計以確定 V_L 保持在齊納電壓 V_Z 的10%以內的 R_L 的最小值。測量并報告設置的電位計電阻。該阻值與 R_S 的值有何關系？

進一步探索

使用步驟2所述的操作，利用示波器通道2測量RS中的電流，并在示波器XY模式下繪制齊納二極管兩端電壓與電流的關系圖，研究齊納二極管的電流/電壓特性曲線。務必調整水平電壓范圍和偏移，以將6.2 V擊穿電壓包括在內。討論您的結果，尤其要討論齊納二極管與常規二極管的相似和不同之處。

驅動更大負載電流

正如我們在圖1的簡單齊納二極管穩壓器中看到的那樣，最大負載電流由電阻RS決定。另外，相對于最大電流，該電路在較小負載電流下的效率非常低，因為當負載中的電流較小時，額外電流會流入齊納二極管。相對于如圖2所示的穩壓電路，增加一個射極跟隨器或達林頓射極跟隨電流放大器可以大大提高穩壓電路的效率。

附加材料

u    兩個NPN晶體管（2N3904和TIP31）

u    兩個小信號二極管（1N914或類似元件）

圖7.添加一個電流放大器級

指導

D1使用1N4735 6.2 V齊納二極管，Q1使用2N3904或TIP31功率晶體管，在無焊面包板上構建圖7所示的任一電路。Q2可以是2N3904，D2、D3可以是1N914。

增加二極管D2與齊納二極管串聯，用以部分抵消射極跟隨器Q1引起的額外 V_BE 壓降。類似地，在達林頓配置中添加兩個二極管（D2、D3），同樣用來部分抵消達林頓跟隨器的兩個 V_BE 壓降。

問題

使用圖1所示電路，計算 V_L 值等于齊納電壓 V_Z 的20%時的電阻 R_L。

您可以在 學子專區博客 上找到問題答案。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab^?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。