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稳压二极管工作原理及特性

稳压二极管的I-V特性曲线可以看出,只要稳压二极管电流保持在击穿电流IZ(min)和最大额定电流IZ(max)之间,则稳压二极管无论流过二极管的电流大小,其反向偏置特性中有一个几乎为恒负电压的区域,即使电流变化较大,稳压二极管的反向偏置特性也几乎保持恒定不变。稳压二极管稳压器工作原理是为与其并联连接的负载提供恒定的输出电压,尽管电源电压波动或负载电流变化,稳压二极管将继续调节产生稳定的输出电压。

半导体二极管阻止反向电流,但如果施加的反向电压变得太高,则会遭受过早击穿或损坏。

稳压二极管或“击穿二极管”(有时也称为齐纳二极管)基本上与标准PN结二极管相同,但是它们被特别设计成具有利用施加到其上的任何反向电压的低且规定的反向击穿电压。

稳压二极管的性能就像由硅PN结组成的普通通用二极管,并且当在正向偏置时,也就是阳极相对于阴极为正时,稳压二极管的性能就像通过额定电流的普通信号二极管。

然而,与传统二极管不同的是,当反向偏置时,二极管会阻止任何电流通过自身,也就是阴极变得比阳极更正极,一旦反向电压达到预先确定的值,稳压二极管就开始反向导电。

这是因为当施加在稳压二极管两端的反向电压超过器件的额定电压时,半导体损耗层就会发生一种称为雪崩击穿的过程,并且电流开始流过二极管以限制电压的增加。

那么,如果流经稳压二极管的电流急剧增加,达到最大的电路值(通常由串联电阻限制),一旦达到,这种反向饱和电流在大范围的反向电压下保持相当恒定。稳压二极管上电压稳定的电压点称为“齐纳电压”(Vz),对于稳压二极管来说,这个电压范围可以从不到1伏特到几百伏特不等。

在二极管半导体结构的掺杂阶段,可以非常精确地控制齐纳电压触发电流流过二极管的点(误差小于1%),从而使二极管具有特定的齐纳击穿电压(Vz),例如4.3V或7.5V。这个齐纳击穿电压在I-V曲线上几乎是一条垂直直线。

稳压二极管IV特性

稳压二极管I-V特性曲线
稳压二极管I-V特性


稳压二极管用于其“反向偏压”或反向击穿模式,即二极管阳极连接到负极电源。从上面的I-V特性曲线可以看出,只要稳压二极管电流保持在击穿电流IZ(min)和最大额定电流IZ(max)之间,则稳压二极管无论流过二极管的电流大小,其反向偏置特性中有一个几乎为恒负电压的区域,即使电流变化较大,稳压二极管的反向偏置特性也几乎保持恒定不变。

这种自我控制的能力可以用来调节或稳定电压源对供应或负载变化的巨大影响。二极管击穿区域的电压几乎是恒定的这一事实被证明是齐纳二极管的一个重要特性,因为它可以用于最简单类型的调压器应用中。

调节器的功能是为与其并联连接的负载提供恒定的输出电压,尽管电源电压波动或负载电流变化,稳压二极管将继续调节电压直到二极管电流低于反向击穿区域中的最小I Z(min)值。

稳压二极管稳压器工作原理

稳压二极管可用于在变化的负载电流条件下产生稳定的低纹波电压输出。通过从电压源通过二极管的小电流,通过合适的限流电阻(RS),稳压二极管将传导足够的电流来维持电压降Vout。

半波或全波整流器的直流输出电压包含叠加在直流电压上的波纹,并且随着负载值的变化,平均输出电压也会发生变化。通过在整流器的输出端连接一个简单的齐纳稳压器电路(如下图所示),可以产生一个更稳定的输出电压。



稳压二极管稳压器电路图
稳压二极管稳压器电路

电阻器RS与稳压二极管串联,以限制流过稳压二极管的电流,电压源VS连接在组合上。稳定的输出电压Vout取自稳压二极管。稳压二极管与其阴极端子相连,阴极端子与直流电源的正极轨道相连,因此稳压二极管被反向偏置并将在其击穿状态下工作。选择电阻器RS是为了限制电路中流动的最大电流。

在没有负载连接到电路的情况下,负载电流将为零(IL = 0),并且所有的电路电流通过稳压二极管,稳压二极管则耗散其最大功率。当负载电阻RL连接时,串联电阻RS值越小,二极管的电流越大,而串联电阻r值越大,则会增加二极管的功耗要求,因此在选择合适的串联电阻值时必须谨慎,以免在这种空载或高阻抗的情况下超过稳压器的最大额定功率。

负载与稳压二极管并联连接,因此R L两端的电压始终与稳压电压相同( V R = V Z )。存在最小稳压电流,对于该稳压电流,电压的稳定是有效的,并且稳压电流必须始终保持高于在其击穿区域内在负载下操作的这个值。电流的上限当然取决于设备的额定功率。电源电压Vs必须大于VZ。

稳压二极管稳压电路的一个小问题是,当稳压二极管试图稳压时,有时会在直流电源上产生电子噪声。通常,对于大多数应用来说这不是问题,但可能需要在稳压二极管输出端添加一个大值去耦电容,以提供额外的平滑效果。

然后总结一下,稳压二极管始终在反向偏置条件下工作。可以使用稳压二极管设计电压调节器电路,以在输入电压变化或负载电流变化的情况下在负载两端保持恒定的DC输出电压。齐纳电压调节器包括与输入电压V S串联连接的限流电阻器R S,稳压二极管在该反向偏置状态下与负载R L并联连接。稳定的输出电压总是选择为与二极管的击穿电压V Z相同。

稳压二极管示例No1

需要从12V DC电源输入源生产5.0V稳定电源。稳压二极管的最大额定功率P Z为2W。使用上面的齐纳稳压器电路计算:

A). 流过稳压二极管的最大电流。

稳压二极管电流计算公式

稳压二极管电流计算公式


B). 串联电阻的最小值R S.
稳压二极管串联电阻计算公式

稳压二极管串联电阻计算公式


C). 如果1kΩ的负载电阻连接在稳压二极管上,则负载电流I L.
稳压二极管负载电流计算公式

稳压二极管负载电流计算公式


D). 满载时的稳压电流I Z.
满载稳压电流计算公式

满载稳压电流计算公式


稳压电流

稳压二极管电压

除了产生单个稳定电压输出外,稳压二极管还可以与普通硅信号二极管串联在一起,以产生各种不同的参考电压输出值,如下所示。

稳压二极管串联连接

稳压二极管参考电压
稳压二极管参考电压

可以选择各个稳压二极管的值以适合应用,而硅二极管在正向偏置条件下总是下降约0.6-0.7伏。电源电压V > IN当然必须高于最大输出参考电压,在上面的示例中,这是19v。

用于一般电子电路的典型稳压二极管是500mW,BZX55系列或更大的1.3W,BZX85系列是齐纳电压,例如,用于7.5V二极管的C7V5,给出二极管参考数字BZX55C7V5。

500mW系列稳压二极管的电压范围约为2.4至100伏,通常具有与5%(E24)电阻系列相同的数值序列,这些小型但非常有用的二极管具有单独的额定电压。下表。

稳压二极管标准齐纳电压

稳压二极管标准电压表

稳压二极管标准电压表

稳压二极管钳位电路

到目前为止,我们已经研究了如何使用稳压二极管来调节恒定的直流电源,但是如果输入信号不是稳态直流而是交流波形,那么稳压二极管如何对不断变化的信号作出反应。

二极管限幅和箝位电路是用于对输入AC波形(或任何正弦波)进行整形或修改的电路,其根据电路布置产生不同形状的输出波形。二极管限幅器电路也称为限幅器,因为它们限制或切断输入交流信号的正(或负)部分。由于稳压钳位电路限制或切断电路中波形的一部分,它们主要用于电路保护或波形整形电路中。

例如,如果我们想在+7.5V时对输出波形进行削波,我们将使用7.5V稳压二极管。如果输出波形试图超过7.5V的限制,则稳压二极管将“切断”来自输入端的多余电压,产生一个平顶的波形,仍然保持输出恒定在+7.5V的波形。注意,在正向偏置条件下,稳压二极管仍然是二极管,当交流波形输出低于-0.7V时,稳压二极管会像普通硅二极管一样“打开”,并将输出保持在-0.7V的波形,如下图所示。

方波信号

稳压二极管方波信号

稳压二极管方波信号

背靠背连接的稳压二极管可以用作交流调节器,产生被戏称为“穷人的方波发生器”的东西。使用这种配置,我们可以在7.5V稳压二极管的正值+ 8.2V和负值-8.2V之间剪切波形。

因此,例如,如果我们想要在两个不同的最小值和最大值(+ 8V和-6V)之间剪切输出波形,我们只需使用两个不同额定值的稳压二极管。请注意,由于增加了正向偏置二极管电压,输出实际上会将交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之间。

换句话说,峰值到峰值电压为15.4伏而不是预期的14伏,因为二极管上的正向偏置电压降在每个方向上再增加0.7伏。

这种类型的限幅器配置对于保护电子电路免受过电压是相当普遍的。两个稳压二极管通常放置在电源输入端子上,在正常工作期间,其中一个稳压二极管“关闭”,二极管几乎没有影响。但是,如果输入电压波形超过其极限,则稳压二极管变为“ON”并钳位输入以保护电路。