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稳压二极管是一个糟糕的调节器

稳压二极管通常用于产生一个参考电压。在教程甚至大学课本中,都提到了要创建基于齐纳二极管的稳压器。这个想法是稳压二极管保持一个已知的电压降。这篇文章介绍了齐纳二极管的概况,并展示了当我试图使用“齐纳二极管稳压器”为微控制器供电时发生的情况。

稳压二极管概述


如果您不熟悉稳压二极管,那么这里简要概述一下。与典型二极管一样, 稳压二极管的正向电压也很低,通常电压约为0.7。但是,不同的材料组可以提供不同的正向电压。

与通用二极管一样,也存在反向击穿电压。如果你看一下像1n4001这样的大型二极管,你会发现击穿电压从50伏开始。

1n4001反向击穿电压
1n4001反向击穿电压

稳压二极管是独特的,因为它们的反向击穿电压相对较低。例如,下图中有一些3.3,5.0,9.1和12伏特的稳压二极管。(很有意思的数字,不是吗?)


稳压二极管示例图
稳压二极管示例图

该曲线表明,在正向电压之上且反向电压“低于”,二极管导通。我在下面加上引号,因为它暗示了一个负电位。这个评论并不意味着你需要一个负电压供应,只是二极管是反向偏置的。也称为转身。

稳压二极管特性曲线


稳压二极管特性曲线
稳压二极管特性曲线

稳压二极管稳压器

如上所述,稳压二极管的原理是二极管在反向偏置时会降低稳定电压。而且,像我之前提到的3.3和5.0这样的值,它听起来似乎是一个不错的选择,不是吗?



BZX79C3v3亮点

我们使用BZX79C3V3作为稳压二极管示例。请注意,在特性表中,反向电压为3.3伏特,为5.0毫安。

我们的想法是你选择一个电阻值,甚至可能是一个精确值,以产生足够的电流,使稳压二极管在5.0毫安时反向偏压。

然而,这个基本电路存在一个问题。流过负载的电流也必须流过电阻器。根据欧姆定律,电阻器的电压降会随其电流的变化而变化。

使用稳压二极管稳压器为ESP8266供电

稳压二极管电路图
稳压二极管电路图

使用上述电路,我尝试用5.0伏电源为ESP8266供电。在构建这个电路之前,我测量了当用3.3伏电源供电时ESP8266的电流消耗为60毫安。

使用3.3伏齐纳电阻,串联电阻降至1.7伏。负载为60毫安,齐纳为5毫安,欧姆定律告诉我们需要28Ω电阻。我最接近的值是22欧姆。

欧姆定律:稳压二极管计算公式

欧姆定律计算公式

当我连接电路时,ESP8266上什么也没发生。VOUT节点的电压约为0.9伏。更糟糕的是,无论我如何设置源电压,VOUT节点都保持在0.9伏特。

凭直觉,我将电阻值降低了大约10欧姆。

当我用万用表测量时,我看到分压器只有1.8伏。然而,ESP8266仍在运行。重置ESP8266后,我看到2.5伏。并且根据我左脚或右脚的重量,在这两者之间的任何值。

万用表1.8V
万用表1.8V

那么这里到底发生了什么?好吧,首先,感谢您继续阅读!

您不能将微控制器,特别是片上系统(SOC)视为恒定负载。

当我按住RESET按钮时,Vout节点会跳到干净的3.4伏特。此时,芯片中的大多数有源电路都被关闭。

由于ESP8266是高阻抗负载,因此该电路中的几乎所有电流都流过串联电阻和ESP8266。电流量惊人,接近200 mA。你可能以为只有60mA,这真是令人咋舌。

更多齐纳稳压器问题

整个测试是为了说明为什么稳压二极管是一个糟糕的调节器。电压降过大地取决于流过结的电流。这意味着“调节器电路”取决于恒定负载。任何有源器件都会导致VOUT节点不稳定。

那么齐纳稳压器电路有什么用呢?好吧,它不是监管机构。相反,它仅是一个参考。

例如,你可以在Arduino的AREF上使用类似的电路。假设您使用的模拟传感器最多只能输出3伏电压。使用稳压基准可以为A / D提供更高的分辨率。

您可以使用稳压电路作为运算放大器的参考。该电路与线性稳压器的工作方式并无太大差别。

这里的教训是,如果您想使用稳压二极管稳压器电路,您需要重新考虑您的设计。在一些非常罕见或极端情况下,它会工作得很好。



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