电子电路学习笔记(12)——稳压二极管

一、简介

稳压二极管(又叫齐纳二极管,英文名称Zener diode)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,简称稳压管。利用PN结反向击穿状态,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象

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二、符号

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三、工作原理

稳压二极管的特点就是击穿后,其两端的电压基本保持不变。这样,当把稳压管接入电路以后,若由于电源电压发生波动,或其它原因造成电路中各点电压变动时,负载两端的电压将基本保持不变。

  • 状态①: 正向偏置状态。此状态下,稳压二极管的特性表现为普通二极管的特性,即:随着正向偏压的提高,正向电流变化很大、很陡!但由于Vf(0.3V~0.7V左右)很小,此正向偏置状态基本无使用价值。需要注意的是,不同的稳压二极管的正向压降是不同的。

  • 状态②: 反向偏置状态。此状态下,当反向电压没达到Vz之前,稳压二极管基本没导通;而当反向偏压接近Vz值时,稳压二极管开始导通,产生Ir电流。随着反向偏压的提高,反向电流Ir也会激烈变化得很大、很陡!尽管电流在很大的范围内变化,而二极管两端的电压却基本上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)就是稳压二极管的正常工作状态,通常此区域对应的Vr区间范围很小,此电压就是稳压二极管的工作点、稳压值。

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四、主要参数

  • 稳定电压(Uz):
    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(立创商城的商品编号:C128822)的Vz(min)为15.3V, Vz(max)则为17.1V。
  • 稳定电流(Iz):
    工作电压等于稳定电压时的反向电流。元器件工作时,通过的反向基础电流,稳压二极管的工作电流偏小,稳压效果就会变差,而电流过大,又会导致管体由于温度过高而损坏。低于此值时,稳压管虽并非不能稳压,但稳压效果会变差;高于此值时,只要不超过额定功率损耗,也是允许的,而且稳压性能会好一些,但要多消耗电能。
  • 动态电阻(Rz):
    稳压二极管工作时,我们希望在电流变化范围很大时,所稳定的电压变化尽量小一些,为了准确反映这一性能,规定把电压变化量与电流变化量的比值,叫做稳压二极管的动态电阻。该比值随工作电流的不同而改变,一般是工作电流愈大,动态电阻则愈小。可见稳压二极管的动态电阻越小,说明稳压管的性能越好
  • 耗散功率(Pz):
    反向电流通过稳压二极管的PN结时,要产生一定的功率损耗,PN结的温度也将升高。根据允许的PN结工作温度决定出管子的耗散功率。通常小功率管约为几百毫瓦至几瓦。最大耗散功率Pzm:是稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。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。
  • 温度系数(Ctv):
    温度的变化将使VZ改变,在稳压管中,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具有负温度系数,反向击穿是齐纳击穿。当4V<|Vz|<7V时,稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以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,其稳压值将升高0.07%。对电源要求比较高的场合,可以用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,温度系数大大减小,可使温度系数达到0.0005%/℃。
  • 反向漏电流(IR):
    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、和二极管区别

  1. 二极管一般在正向电压下工作,稳压管则在反向击穿状态下工作,二者用法不同;
  2. 普通二极管的反向击穿电压一般在40V以上,高的可达几百伏至上千伏,而且在伏安特性曲线反向击穿的一段不陡,即反向击穿电压的范围较大,动态电阻也比较大。对于稳压管,当反向电压超过其工作电压Vz(亦称齐纳电压或稳定电压)时,反向电流将突然增大,而器件两端的电压基本保持恒定。对应的反向伏安特性曲线非常陡,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 简易稳压电路

此电路利用齐纳二极管的稳压特性,实现稳压,但输出电流很小。
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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

  • 电网电压波动:
    U z U_z Uz为稳压管电压
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  • 负载变化:
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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。
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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。
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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。
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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。
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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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