在本教程中，我們將看到一個(gè)涉及 BJT 電源的模擬，特別關(guān)注性能和效率。使用的主要電子軟件是 LTspice，這是一種高性能 SPICE 仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強(qiáng)功能和模型，可簡(jiǎn)化模擬電路的仿真。

更大的力量

單個(gè)齊納二極管無(wú)法管理太多功率。為了驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的負(fù)載，有必要將基極電路連接到一個(gè)強(qiáng)大的晶體管。在圖 1 的配置中，晶體管的基極電壓由 12 V 的齊納二極管固定。R1 的值至關(guān)重要。低電阻對(duì)齊納二極管來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的，但高電阻會(huì)導(dǎo)致二極管工作不良。我們來(lái)看看圖1中的電氣原理圖；它是一個(gè) 12-V 穩(wěn)壓器。

圖 1：晶體管穩(wěn)壓器

以下是其一些最重要的功能：

電源電壓：24 V (V1)

向齊納二極管和晶體管 (R1) 基極提供電流的電阻器

齊納二極管 1N4742A (D1)

功率晶體管2N3055（Q1）

5 Ω (R2) 的電阻負(fù)載

齊納二極管1N4742A的SPICE子電路如下：

.SUBCKT DI_1N4742A 1 2

* 終端 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

如圖 2 所示，電路的瞬態(tài)仿真顯示以下通過(guò)組件的電流值：

通過(guò)電池 V1 的電流：2.31 A

通過(guò)電阻器 R1 的電流：117.44 mA

通過(guò)齊納二極管 D1 的電流：21.63 mA

通過(guò)晶體管 Q1 基極的電流：95.82 mA

通過(guò)晶體管 Q1 集電極的電流：2.19 A

通過(guò)晶體管 Q1 發(fā)射極的電流：2.29 A

通過(guò)負(fù)載 R2 的電流：2.29 A

圖 2：通過(guò)組件的電流

晶體管的 Beta

在這種配置中，晶體管是一個(gè)電流倍增器。集電極上的電流等于基極電流乘以 2N3055 的 hFE。在2N3055的datasheet中，hFE值在20到70之間。在我們的例子中，除法的結(jié)果：

表示目前的收益約為 23.90。您可以通過(guò)在 LTspice 接線圖中插入以下 SPICE 指令來(lái)獲得相同的結(jié)果：

.meas TRAN 增益平均值 I (R2) / Ib (Q1)

該電路的效率很低，約為47.21%。電阻器 R1、齊納二極管和晶體管 2N3055 上的熱量會(huì)損失大量功率，必須通過(guò)良好的鋁散熱器適當(dāng)冷卻。使用以下公式計(jì)算效率：

您還可以通過(guò)在 LTspice 原理圖中插入以下 SPICE 指令來(lái)計(jì)算效率：

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

一些備注

齊納二極管 1N4742A 的數(shù)據(jù)表指出其工作電流 I(zr) 必須約為 21 mA。電阻器 R1 將這個(gè)電流調(diào)節(jié)到正確的值。齊納管的功耗約為 260 mW。R1 的功耗很重要，約為 1.4 W。晶體管的功耗約為 27.5 W。電路雖然很熱，但運(yùn)行正常。齊納二極管陰極的電壓為 12 V（黃色信號(hào)）。為負(fù)載供電的電路的輸出略少，為 11.4 V（綠色信號(hào)）。為什么？必須計(jì)算壓降 Vbe，硅晶體管的電壓降約為 0.6 V（圖 3）。

圖 3：電壓 Vbe 使穩(wěn)壓器輸出電壓降低 0.6 V。

參數(shù)的掃描

對(duì)某些操作參數(shù)運(yùn)行一些掃描模擬非常有趣。讓我們開(kāi)始改變輸入電壓，范圍在 12 V 和 24 V 之間。如您所見(jiàn)，輸出電壓不穩(wěn)定，但很大程度上取決于 V1 的值（圖 4）。

圖 4：直流掃描仿真

關(guān)于這種類(lèi)型的模擬，在圖 5 中，我們可以看到齊納二極管和晶體管基極的電流趨勢(shì)。查看此圖，我們可以說(shuō)齊納二極管在電源電壓約為 23-25 V 時(shí)開(kāi)始執(zhí)行其“任務(wù)”。

圖 5：通過(guò)齊納二極管和晶體管基極的電流

現(xiàn)在讓我們嘗試 7 Ω 和 20 Ω 之間的不同負(fù)載 (R2) 值。我們可以檢查電路如何響應(yīng)各種阻抗，最重要的是，我們可以驗(yàn)證其效率。要通過(guò)嘗試不同的負(fù)載值來(lái)執(zhí)行仿真，我們可以插入 SPICE 指令：

.step 參數(shù)加載 7 20 0.5

在圖 6 中，我們可以觀察到輸出電壓的曲線圖，這取決于負(fù)載 R2 的不同值。在任何情況下，它都在 11.543 V 和 11.665 V 之間。

圖6：負(fù)載R2變化時(shí)的輸出電壓

不同的負(fù)載值產(chǎn)生下表：

圖 7顯示了相對(duì)圖。

圖 7：改變負(fù)載的電路效率



審核編輯：劉清