ADALM2000：齊納二極管穩(wěn)壓器
本文作者：ADI?公司 ?Doug Mercer，Antoniu Miclaus
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目標(biāo)
穩(wěn)壓器是一種讓負(fù)載上的輸出電壓保持恒定而不隨負(fù)載電流變化的電路。例如，負(fù)載可以是微控制器系統(tǒng)，這就要求電源電壓保持恒定，即使其電流會(huì)隨著系統(tǒng)活動(dòng)的變化而變化。圖1中的齊納二極管穩(wěn)壓器提供了一種非常簡(jiǎn)單的方法來(lái)將負(fù)載電壓VL保持與齊納二極管的反向擊穿電壓相同的值，只要負(fù)載電阻RL保持在高于某一下限。電壓源VIN和電阻RS通過(guò)戴維寧等效電路模擬了輸入電路特性，比如將一個(gè)高電壓（如120 V交流電源）轉(zhuǎn)換為未經(jīng)調(diào)節(jié)和濾波的較低直流電壓源。
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材料
??ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
??無(wú)焊面包板
??1個(gè)1 kΩ電阻(RS)
??1個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計(jì)(RL)
??一個(gè)齊納二極管（1N4735或類似產(chǎn)品）
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指導(dǎo)
使用1N4735 6.2 V齊納二極管在無(wú)焊面包板上構(gòu)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VIN。RL使用各種固定和可變電阻。
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程序步驟
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步驟1?對(duì)于下列值的RL，使用Scopy電壓表測(cè)量 VL以監(jiān)視并報(bào)告負(fù)載電壓VL：
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??開(kāi)路（見(jiàn)圖3）
??10 kΩ（見(jiàn)圖4）
??1 kΩ（見(jiàn)圖5）
??100 Ω（見(jiàn)圖6）
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步驟2?用5 kΩ電位計(jì)替換負(fù)載RL，并調(diào)節(jié)電位計(jì)以確定VL保持在齊納電壓VZ的10%以內(nèi)的RL的最小值。測(cè)量并報(bào)告設(shè)置的電位計(jì)電阻。該阻值與RS的值有何關(guān)系？
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進(jìn)一步探索
使用步驟2所述的操作，利用示波器通道2測(cè)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(guān)系圖，研究齊納二極管的電流/電壓特性曲線。務(wù)必調(diào)整水平電壓范圍和偏移，以將6.2 V擊穿電壓包括在內(nèi)。討論您的結(jié)果，尤其要討論齊納二極管與常規(guī)二極管的相似和不同之處。
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驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載電流
正如我們?cè)趫D1的簡(jiǎn)單齊納二極管穩(wěn)壓器中看到的那樣，最大負(fù)載電流由電阻RS決定。另外，相對(duì)于最大電流，該電路在較小負(fù)載電流下的效率非常低，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載中的電流較小時(shí)，額外電流會(huì)流入齊納二極管。相對(duì)于如圖2所示的穩(wěn)壓電路，增加一個(gè)射極跟隨器或達(dá)林頓射極跟隨電流放大器可以大大提高穩(wěn)壓電路的效率。
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附加材料
??兩個(gè)NPN晶體管（2N3904和TIP31）
??兩個(gè)小信號(hào)二極管（1N914或類似元件）
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指導(dǎo)
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(wú)焊面包板上構(gòu)建圖7所示的任一電路。Q2可以是2N3904，D2、D3可以是1N914。
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增加二極管D2與齊納二極管串聯(lián)，用以部分抵消射極跟隨器Q1引起的額外VBE壓降。類似地，在達(dá)林頓配置中添加兩個(gè)二極管（D2、D3），同樣用來(lái)部分抵消達(dá)林頓跟隨器的兩個(gè)VBE壓降。
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問(wèn)題：使用圖1所示電路，計(jì)算VL值等于齊納電壓VZ的20%時(shí)的電阻RL。
您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。
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作者簡(jiǎn)介
Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
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Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)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(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。
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目標(biāo)
穩(wěn)壓器是一種讓負(fù)載上的輸出電壓保持恒定而不隨負(fù)載電流變化的電路。例如，負(fù)載可以是微控制器系統(tǒng)，這就要求電源電壓保持恒定，即使其電流會(huì)隨著系統(tǒng)活動(dòng)的變化而變化。圖1中的齊納二極管穩(wěn)壓器提供了一種非常簡(jiǎn)單的方法來(lái)將負(fù)載電壓VL保持與齊納二極管的反向擊穿電壓相同的值，只要負(fù)載電阻RL保持在高于某一下限。電壓源VIN和電阻RS通過(guò)戴維寧等效電路模擬了輸入電路特性，比如將一個(gè)高電壓（如120 V交流電源）轉(zhuǎn)換為未經(jīng)調(diào)節(jié)和濾波的較低直流電壓源。
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材料
??ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
??無(wú)焊面包板
??1個(gè)1 kΩ電阻(RS)
??1個(gè)5 kΩ可變電阻、電位計(jì)(RL)
??一個(gè)齊納二極管（1N4735或類似產(chǎn)品）
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指導(dǎo)
使用1N4735 6.2 V齊納二極管在無(wú)焊面包板上構(gòu)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VIN。RL使用各種固定和可變電阻。
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?圖1.齊納二極管穩(wěn)壓器
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?圖2.齊納二極管穩(wěn)壓器面包板電路
?程序步驟
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步驟1?對(duì)于下列值的RL，使用Scopy電壓表測(cè)量 VL以監(jiān)視并報(bào)告負(fù)載電壓VL：
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??開(kāi)路（見(jiàn)圖3）
??10 kΩ（見(jiàn)圖4）
??1 kΩ（見(jiàn)圖5）
??100 Ω（見(jiàn)圖6）
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?圖3.RL?= 開(kāi)路齊納二極管穩(wěn)壓器波形
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?圖4.RL?= 10 kΩ齊納二極管穩(wěn)壓器波形
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?圖5.RL?= 1 kΩ齊納二極管穩(wěn)壓器波形
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?圖6.RL?= 100 Ω齊納二極管穩(wěn)壓器波形
?步驟2?用5 kΩ電位計(jì)替換負(fù)載RL，并調(diào)節(jié)電位計(jì)以確定VL保持在齊納電壓VZ的10%以內(nèi)的RL的最小值。測(cè)量并報(bào)告設(shè)置的電位計(jì)電阻。該阻值與RS的值有何關(guān)系？
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進(jìn)一步探索
使用步驟2所述的操作，利用示波器通道2測(cè)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(guān)系圖，研究齊納二極管的電流/電壓特性曲線。務(wù)必調(diào)整水平電壓范圍和偏移，以將6.2 V擊穿電壓包括在內(nèi)。討論您的結(jié)果，尤其要討論齊納二極管與常規(guī)二極管的相似和不同之處。
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驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載電流
正如我們?cè)趫D1的簡(jiǎn)單齊納二極管穩(wěn)壓器中看到的那樣，最大負(fù)載電流由電阻RS決定。另外，相對(duì)于最大電流，該電路在較小負(fù)載電流下的效率非常低，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載中的電流較小時(shí)，額外電流會(huì)流入齊納二極管。相對(duì)于如圖2所示的穩(wěn)壓電路，增加一個(gè)射極跟隨器或達(dá)林頓射極跟隨電流放大器可以大大提高穩(wěn)壓電路的效率。
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附加材料
??兩個(gè)NPN晶體管（2N3904和TIP31）
??兩個(gè)小信號(hào)二極管（1N914或類似元件）
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?圖7.添加一個(gè)電流放大器級(jí)
指導(dǎo)
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(wú)焊面包板上構(gòu)建圖7所示的任一電路。Q2可以是2N3904，D2、D3可以是1N914。
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增加二極管D2與齊納二極管串聯(lián)，用以部分抵消射極跟隨器Q1引起的額外VBE壓降。類似地，在達(dá)林頓配置中添加兩個(gè)二極管（D2、D3），同樣用來(lái)部分抵消達(dá)林頓跟隨器的兩個(gè)VBE壓降。
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問(wèn)題：使用圖1所示電路，計(jì)算VL值等于齊納電壓VZ的20%時(shí)的電阻RL。
您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。
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作者簡(jiǎn)介
Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
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Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)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(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。