三极管串联线性稳压电路原理详解及Multisim仿真

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前言

这段时间在工作中接触到了基于三极管、稳压二极管实现降压稳压的电路。在熟悉电路和阅读文章的时候，发现不少文章对于三极管线性稳压电路的原理介绍得不太详细、不太正确的问题。

本文首先介绍了三极管的输入/输出特性曲线，并在此基础之上利用Multisim搭建了三极管稳压电路，最后对所搭建的稳压电路进行了原理解析。

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一、三极管输入/输出特性曲线

1. 输入特性曲线

当三极管共射极连接，集电极与发射极之间的电压$U_{CE}$维持在不同的电压时，反映$U_{BE}$与$i_B$之间关系的一簇曲线，称为三极管的共射极输入特性曲线。

一般情况下，当$U_{CE}\ge 1V$时，集电结处于反向偏置状态，此时$U_{CE}$的增大对$i_B$的影响很小，因此$U_{CE}\ge 1V$以后的共射极输入特性曲线与$U_{CE}＝1V$的特性曲线基本重合。

所以，三极管的器件手册中通常只给出一条$U_{CE}\ge 1V$时的输入特性曲线，如上图所示。
输入特性曲线的数学表达式为：
$$i_B=f(U_{BE}{|}_{U_{CE}=常数})$$
三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区；硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。导通后，硅管的$U_{BE}$约为0.5V，锗管的$U_{BE}$约为0.3V。

2. 输出特性曲线

1）截止区
截止区为$i_B=0$的那条特性曲线以下的区域。在截止区，三极管的发射结与集电结均处于反向偏置状态，集电极只有十分微弱的电流$I_{CEO}$通过，此时三极管失去了放大作用。

2）饱和区
当加在三极管发射结的电压大于$PN$结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再变化，这时三极管失去对电流的放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

在饱和区内，对应不同的$i_B$值的特性曲线几乎重合在一起。此时，$U_{CE}$较小，$i_C$虽然增加，但$i_C$增加不大，$i_B$失去对$i_C$的控制能力。饱和时，三极管的发射结和集电结均处于正向偏置状态。三极管集电极和发射极之间的电压称为集-射饱和压降，记为$U_{CES}$。在中小功率硅管中，通常$U_{CES}＜0.5V$。

3）放大区
当加在三极管发射结的电压大于$PN$结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用。

在放大区内，特性曲线近似于一簇平行等距的平行线，$i_C$的变化量与$i_B$的变化量基本保持线性关系，此时$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$，且$\Delta i_C＞＞\Delta i_B$，$\beta$为三极管的电流放大倍数。

同时，在此区域内集电极电压对集电极电流的控制作用很弱，当$U_{CE}\ge 1V$，$U_{CE}$的增加很难引起$i_C$的增加。此时，若$i_B$不变，则三极管可以看作一个恒流源。

二、三极管稳压电路及原理解析

1. 三极管串联稳压电路

本文基于Multisim搭建了由三极管、稳压二极管、电阻、电容等分立元件构成的三极管串联线性稳压电路，实现将12V直流电压通过三极管、稳压二极管等元件降压至5V，为负载供电。为便于观察，选用LED灯（红）作为电路负载，其工作电压为1.66V，电流5mA。其基本电路拓扑如下图所示：

电阻R1和稳压二极管D1组成基本稳压电路，通过稳压二极管将电压稳定在5.6V；稳压二极管与三极管基极连接，发射极输出，形成一个简单的三极管射极跟随器；此时，发射极电压跟随着基极电压变化，即$U_E=U_B-U_{BE}$，其中$U_{BE}$为基极与发射极之间的管压降。根据跟随器原理我们就可以产生需要的电压，图中仿真电路的输出电压理论上为5V。

Multisim仿真结果，如下图所示：

从仿真结果可以看出该电路中稳压二极管将电压稳在5.602V，电路的最终输出电压为4.889V（5.602V - $U_{BE}$，硅管0.6V~0.7V），且输出电压波形稳定，电路的功能基本实现。

2. 稳压原理解析

下面针对电源变化以及负载变化情况，详细分析三极管串联线性稳压电路的输出电压调整过程。

1）负载不变，输入电压$U_{in}$减小
当负载不变，输入电压$U_{in}$减小时，输出电压$U_{out}$有下降趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压$U_{BE}$增大。由输入特性曲线可知，$i_B$随着$U_{BE}$的增大而增大。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$，即$i_C$增加。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，$U_{out}=i_C\ast R_{load}$，$U_{out}$增加。

2）负载不变，输入电压$U_{in}$增大
当负载不变，输入电压$U_{in}$增加时，输出电压$U_{out}$有增加趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压$U_{BE}$减小。由输入特性曲线可知，$i_B$随着$U_{BE}$的减小而减小。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$，即$i_C$减小。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，$U_{out}=i_C\ast R_{load}$，$U_{out}$减小。

3）输入电压$U_{in}$不变，负载减小
输入电压$U_{in}$不变，负载减小时，输出电压$U_{out}$有下降趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压$U_{BE}$增大。由输入特性曲线可知，$i_B$随着$U_{BE}$的增大而增大。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$，即$i_C$增加。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，$U_{out}=i_C\ast R_{load}$，$U_{out}$增加。

4）输入电压$U_{in}$不变，负载增大
当输入电压$U_{in}$不变，负载增大时，输出电压$U_{out}$有增大趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压$U_{BE}$减小。由输入特性曲线可知，$i_B$随着$U_{BE}$的减小而减小。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有$\Delta i_C=\beta \Delta i_B$，即$i_C$减小。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，$U_{out}=i_C\ast R_{load}$，$U_{out}$减小。

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总结

1）介绍了三极管的输入/输出特性曲线；
2）基于Multisim搭建了三极管串联线性稳压电路；
3）详细阐述了三极管串联线性稳压电路的输出电压调整过程；

以上便是本文的全部内容，希望本文能对大家理解和运用三极管串联线性稳压电路有所帮助。
当然，本文内容如有错误或不严谨之处，也恳请大家及时指出，谢谢！

参考

三极管串联稳压电路 - 稳压电源 - 电子发烧友网；
三极管稳压线性电源 - CSDN博客；
三极管的特性曲线型图解;