关于BJT的电源仿真设计解决方案

在本教程中，我们将看到涉及使用BJT的电源的仿真，尤其要注意性能和效率。所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，具有用于简化模拟电路仿真的增强功能和模型。

更大的力量

单个齐纳二极管不能管理很多功率。为了驱动强大的负载，必须将基本电路连接到功能强大的晶体管。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的值很关键。齐纳二极管有低电阻的危险，但高电阻会导致二极管的不良工作点。让我们看一下图1中的电气原理图。它是12V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）的基极提供电流的电阻
• 齐纳二极管1N4742A（D1）
• 功率晶体管2N3055（Q1）
• 5Ω的电阻负载（R2）

齐纳二极管1N4742A的SPICE子电路如下：

.SUBCKT DI_1N4742A 1 2

*端子AK

D1 1 2 DF

DZ 3 1 DR

VZ 2 3 10.9

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

型号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了通过组件的以下电流值：

• 通过电池V1的电流：2.31 A
• 通过电阻R1的电流：117.44 mA
• 流过齐纳二极管D1的电流：21.63 mA
• 流经晶体管Q1基极的电流：95.82 mA
• 流经晶体管Q1集电极的电流：2.19 A
• 通过晶体管Q1的发射极的电流：2.29 A
• 流经负载R2的电流：2.29 A

图2：流经组件的电流

晶体管的Beta

在这种配置中，晶体管是电流倍增器。集电极上的电流等于基本电流乘以2N3055的hFE。在2N3055的数据表中，hFE值在20到70之间。在本例中，除法结果为：

表示目前的收益约为23.90。通过在LTspice接线图中插入以下SPICE指令，可以达到相同的结果：

.meas TRAN增益AVG I（R2）/ Ib（Q1）

电路效率非常低，约为47.21％。电阻R1，齐纳二极管和晶体管2N3055的热量损失了很多功率，这些热量必须通过良好的铝散热器适当地冷却。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（输出）* I（R2））/（V（输入）*-I（V1））* 100

一些评论

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将该电流调节到正确的值。齐纳二极管的功耗约为260 mW。R1的功耗很重要，约为1.4W。晶体管的功耗约为27.5W。该电路虽然很热，但仍能正常工作。齐纳二极管阴极上的电压为12 V（黄色信号）。为负载供电的电路的输出功率要小一点，为11.4 V（绿色信号）。为什么？必须计算出电压降Vbe，对于硅晶体管而言，大约为0.6 V（图3）。

图3：电压Vbe将调节器输出电压降低0.6 V.

扫描参数

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的范围为12 V至24V。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：直流扫描的仿真

关于这种类型的仿真，在图5中，我们可以看到齐纳二极管和晶体管基极电流的趋势。查看该图，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“职责”。

图5：流过齐纳二极管和晶体管基极的电流

现在，让我们尝试在7Ω和20Ω之间使用不同的负载（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。为了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参数负载7 20 0.5

在图6中，我们可以观察到输出电压的曲线，这取决于负载R2的不同值。无论如何，它介于11.543 V和11.665 V之间。

图6：负载R2变化时的输出电压

下表列出了不同的载荷值：

图7显示了相对图。

图7：改变负载的电路效率

编辑：hfy