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电子电路学习笔记(12)——稳压二极管

一、简介

稳压二极管(又称齐纳二极管)的英文名称Zener diode)表面接触晶体二极管由硅材料制成,简称稳压管。

二、符号

三、工作原理

。这样,当稳压管连接到电路时,如果电源电压波动或其他原因导致电路中的点电压发生变化,负载两端的电压保持不变。

  • 状态①: 正偏置状态。在这种状态下,稳压二极管的特性是普通二极管的特性,即随着正偏压的增加,正电流变化很大,很陡!Vf(0.3V~0.7V左右)很小,这种正偏置状态基本没有使用价值。需要注意的是,不同稳压二极管的正压降是不同的。

  • 状态②: 当反向电压未达到时,反向偏置状态。Vz在此之前,稳压二极管基本通;当反向偏压接近时Vz值时,稳压二极管开始导通,产生Ir电流。随着反向偏压的增加,反向电流Ir也会变化很大,很陡!虽然电流在很大范围内发生变化,但二极管两端的电压基本稳定在击穿电压附近,从而实现了二极管的稳压功能。图中的黄色区域(击穿区)是稳压二极管的正常工作状态,通常与该区域对应Vr该电压是稳压二极管的工作点和稳压值。

四、主要参数

  • 指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别,同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如,稳压二极管BZV55-C16(立创商城商品号:C128822)的Vz(min)为15.3V, Vz(max)则为17.1V。
  • 工作电压等于稳定电压时的反向电流。组件工作时,通过反向基础电流,稳压二极管的工作电流过小,稳压效果会变差,电流过大会因温度过高而损坏管体。当低于此值时,虽然稳压管不能稳压,但稳压效果会变差;当高于此值时,只要不超过额定功率损耗,也允许稳压性能更好,但需要消耗更多的电能。
  • 当稳压二极管工作时,我们希望当电流变化范围较大时,稳定的电压变化应尽可能小。为了准确反映这一性能,规定了电压变化与电流变化的比值,称为稳压二极管的动态电阻。比值随工作电流而变化,工作电流越大,动态电阻越小。可见稳压二极管动态电阻越小,稳压管性能越好
  • 通过稳压二极管的反向电流PN结时,要产生一定的功率损失,PN结的温度也将升高。根据允许的PN结工作温度决定了管道的耗散功率。小功率管通常在几百毫瓦到几瓦之间。:稳压管的最大功率损失取决于PN结的面积和散热条件。反向工作时,PN结的功率损耗为:Pz=Vz*Iz,由Pzm和Vz可以决定Izmax。
  • 温度的变化VZ当|VZ|>7V时,Vz具有正温度系数,反向击穿是雪崩击穿。 当|Vz|<4V时,VZ齐纳击穿具有负温度系数,反向击穿。当4V<|Vz|<7V稳压管可获得接近零的温度系数。这种稳压二极管可作为标准稳压管使用。例如2CW58稳压管的Ctv是 0.07%/°C,即温度每升高1°C,其稳压值将上升0.07%。在电源要求较高的情况下,可以将两个温度系数相反的稳压管串联起来作为补偿。由于相互补偿,温度系数大大降低,温度系数可达0.0005%/℃。
  • 指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如,2CW58稳压管的VR=1V时,IR=0.1uA;在VR=6V时,IR=10uA。

五、区别于二极管

  1. 二极管一般在正压下工作,而稳压管则在反向击穿状态下工作,两者用法不同;
  2. 普通二极管的反向击穿电压一般为40V以上高度可达数百伏至上千伏,伏安特性曲线反向击穿不陡,即反向击穿电压范围大,动态电阻大。对于稳压管,当反向电压超过其工作电压时Vz(也称齐纳电压或稳定电压),反向电流会突然增加,设备两端的电压基本保持恒定。对应的反向伏安特性曲线很陡,动态电阻很小。稳压管可用作稳压器、电压基准、过压保护、电平转换器等。

六、应用电路

6.1 稳压电路简单

该电路利用齐纳二极管的稳压特性,但输出电流很小。 U I = U R U O U_I = U_R U_O UI=UR UO​ I R = I D z + I L I_R = I_{D_z}+I_L IR​=IDz​​+IL​

  • U z U_z Uz​为稳压管电压

6.2 改进型稳压电路

此电路利用齐纳二极管的稳压特性,实现稳压,可输出较大的电流。

6.3 LED指示灯的ESD保护电路

此电路利用齐纳二极管的反向偏置特性,防止LED受静电过高而损坏。

6.4 过压保护电路

如果输出电压过高,此电路中的齐纳二极管会导通,进而触发可控硅SCR对输入电压端进行限制。

6.5 过压保护电路

如果输入信号过大,容易损坏运放OP,通过放置齐纳二极管可对Input信号的幅度大小进行限制。注意这种情况下,要选用反向漏电流很小的D1;而信号频率过高的话,还要考虑D1的等效电容要足够小。

七、选取原则

要求导通电压低时选锗管; 要求反向电流小时选硅管; 要求导通电流大时选面结合型; 要求工作频率高时选点接触型; 要求反向击穿电压高时选硅管; 要求耐高温时选硅管。

  1. 稳压二极管的稳压值离散性很大,即使同一厂家同一型号产品,其稳定电压值也不完全一样,这一点在选用时应加以注意。对要求较高的电路,选用前应对稳压值进行检测。
  2. 对于过电压保护的稳压二极管,其稳定电压的选定要依据保护电压的大小选用,其稳定电压值不能选的过大或过小,否则起不到电压保护的作用。
  3. 在选用稳压二极管时,除了要注意稳定电压、最大工作电流等参数外,还要注意选用动态电阻较小的稳压二极管,因为动态电阻越小,稳压性能越好。
  4. 使用稳压管时应注意,二极管的反向电流不能无限增大,否则会导致二极管的过热损坏。因此,稳压管在电路中一般需要串联限流电阻。
  5. 选用稳压二极管时,要根据具体电子电路来考虑,简单的并联稳压电源,输出电压就是稳压二极管的稳定电压。

• 由 Leung 写于 2021 年 10 月 21 日

• 参考:元件科普之稳压管     稳压管的使用与选取     稳压管稳压电路基本理解

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