杏彩体育平台app·齐纳二极管（稳压二极管）详解及稳压电路分析

时间：2024-04-17 08:17:00 来源：杏彩体育官网app 作者：杏彩体育官网登录入口

　　齐纳二极管是由Clarence Melvin Zener发明的。Zener是一名美国的物理学家，1930年从哈佛大学博士毕业，是他首次描述了齐纳二极管的反向击穿特性。

　　齐纳二极管被重度掺杂以降低击穿电压。这导致了一个非常薄的耗尽区域。因此，在耗尽区域内存在一个强电场。在齐纳击穿电压（VZ）附近，电场的强度足以将电子从其价带中拉出来并产生电流。

　　击穿电压小于约5V的齐纳二极管属于齐纳击穿。那些击穿电压大于5V的齐纳二极管属于雪崩击穿。然而，这两种击穿类型都被称为齐纳二极管。其击穿电压从小于1V到超过250 V，规定容差从1%到20%。

　　引言：由稳压二极管所构成的稳压电路是最简单的线性稳压电源，是设计复杂稳压电源的基础。只有深入掌握了简单稳压电路的分析方法和设计思想，才能通过举一反三设计出复杂的稳压电路。在此过程中，应首先夯实电路分析基础理论，并学会用数学语言描述电路，同时还应掌握一些电路仿真软件的使用（如Multisim，LTspice，Tina，Pspice，立创EDA等）与仿真程序（SPICE）的编写。

　　稳压二极管（zener diode），也称齐纳二极管。它的特点是利用PN结反向击穿时，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变，从而起到稳压作用。稳压二极管是根据击穿电压来分档的，广泛用于稳压电路和限幅电路中，其电路图符号及常见稳压二极管外形如图1-1所示。

　　普通二极管与稳压二极管在结构、工作特性、掺杂程度等方面都存在不同，如表1-1所示为二者区别。

　　\eta—常数，硅管为2，锗管为1。结合图1-3所示二极管IN4007的伏安特性曲线，该伏安特性曲线受温度影响明显，当施加给二极管两端电压不变时，约0.82V，则随着温度升高，流过二极管的电流明显增大，电流分别从25℃时的0.1A，到100℃时的0.42A，再到125℃时的0.82A,即依次从A→B→C。当温度从25℃升高到125℃过程中，同样流过二极管正向电流（forward current）为0.1A的情况下，其对应的正向电压（forward voltage）随温度上升而减小，表现出负温度系数。从图中的水平横线AGH可知，在固定前向电流情况，随着温度升高，VI特性曲线左移（即前向电压减小），工程上一般取-2mV/℃，意味着温度每升高1℃，前向电压减小2mV，从A点左移至H点，温度从25℃上升至125℃，二极管前向电压减小量为（125-25）*2mV=200mV，与图中所示A、H点压差0.82-0.66=160mV较为接近。可见，二极管VI特性对温度很敏感。正因为二极管对温度的敏感性，即利用其负温度系数，工程上可通过采集不同温度下二极管两端电压，计算出二极管两端电压变化量，从而换算出实际温度，这就是二极管温度传感器测温原理。如图1-3(b)为二极管测温原理示意图，VS与R构成一个戴维南等效电路，实际中也可用电桥代替，ADEF为其对应负载线，从图中可知，负载线与二极管正向VI曲线交于ADE点，各点温度依次升高，通过测量各温度下二极管两端电压，即可算出所测温度。

　　反向饱和电流（Reverse Saturation Current）通常很小，范围从纳安到微安，取决于结面积、温度和半导体材料。从图1-1可知，当二极管处于反偏未击穿时，VI曲线下移，说明随着温度升高，反向饱和电流增大，工程上一般认为，每升高10℃，反向饱和电流增加一倍，如公式1-2所示

　　式中：T1—起始温度；T2—变化后的温度；ID(T1)—温度为T1时的反向饱和电流；ID(T2)—温度为T2时的反向饱和电流；

　　峰值反向漏电流（Peak Reverse Leakage Current）是当二极管反向偏置并受到峰值反向电压时流过的最大电流，是在指定的温度下测量的，由反向饱和电流与所施加的反向电压决定。当反向偏置电压和反向饱和电流达到最大时，反向漏电流出现峰值。对于理想的二极管，反向漏电流与反向饱和电流相等。实际中，二极管PN节内电流可能还有泄漏路径，如当二极管被贴片在PCB板上时，由于表面污垢等影响而产生的漏电流，因此漏电流往往比饱和电流大。如下图为IN4007数据手册中对反向漏电流的描述，给二极管施加最大额定反向直流电压1000V，分别测得温度为25℃与125℃时的最大反向漏电流，可知反向漏电流受温度影响明显。

　　图1-4为基于Multisim的1N4007仿线(b)为对反向电压进行直流扫描，反向电压范围为0-1000V，从图中可知，随着反向电压增大，反向饱和电流维持恒定，约32nA，相当于断开，体现了二极管的单向导通特性。图1-4(a)为当反向电压为20V时，对温度进行扫描，扫描范围为20~150℃，从图中可知，40℃时反向饱和电流为62nA，60℃时反向饱和电流为147nA。根据公式1-2，并基于TJ=40℃，ID(40℃) =62nA来计算ID(60℃) =62nA× (2(60-40)/10) ≈ 248nA，其结果偏离仿线nA较大，考虑到仿真条件较为理想，可认为每上升10℃，反向饱和电流增加70%，则ID(60℃) =62nA× (1.7(60-40)/10) ≈ 179nA。

　　稳压二极管是非线性元件，它的伏安特性曲线是非线性的。当稳压二极管处于正向偏置时，即工作在图1-5中的第一象限时，其伏安特性曲线与普通二极管一致。当稳压二极管处于反向偏置且当所施加的反向偏置电压小于VZ时，流过稳压管的反向电流几乎为0，可等效为开路状态。随着所施加的反向偏置电压增大，当超过VZ时，稳压管被击穿，此时VI曲线很陡，电压变化量很小，引起急剧的电流变化。曲线越陡，动态电阻越小，稳压管的稳压性能越好。IZ(min) 和IZ(max) 为稳压管工作在正常稳压状态的最小和最大工作电流。反向电流小于IZ(min) 时，稳压管进入反向特性的转弯段，稳压特性消失；反向电流大于IZ(max) 时，稳压管可能被烧毁。

　　它是在稳压管工作在击穿区时在规定测试电流下的电压。同一型号的稳压管VZ存在一定的差异性，但就某一只管子而言，VZ是确定的。以BZV55C5V1为例，其稳压值VZT范围为4.8V~5.4V，标称稳压值VZnom为5.1V，该稳压值是在规定测试电流IZT=5mA的情况下测得的。

　　当稳压管工作在图1-5中的区域，即击穿区（或稳压区）时，稳压管端电压变化量与电流变化量之比，即动态电阻

　　。曲线越陡，动态电阻 rz 越小，稳压管的稳压性能越好。对于不同型号的稳压管，rz将不同，从几欧到几十欧。如图1-8所示为BZV55C5V1稳压管Iz与rz的关系，随着工作电流Iz增大，rz随之减小。

　　Sz表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即。从图1-8可知，BZV55有不同Vz的稳压管，当Vz＜ 5.1V时，Sz为负值，呈现出负温度系数，这是因为此时稳压管以齐纳击穿为主。当Vz＞ 5.6V时，Sz为正值，呈现出正温度系数，这是因为此时稳压管以雪崩击穿为主。从图中也可知，当4.7V＜Vz＜6.2V时，Sz最小，这是因为在此区间，齐纳击穿与雪崩击穿同时存在，两种击穿程度相近，温度系数接近0，这就是为什么许多电路使用4-6V稳压管的原因。

　　。只要齐纳二极管用于稳压，那么通过电阻R的电流基本不变。R_{L}\downarrow，I_{L}\uparrow，I_{Z}\downarrow。齐纳二极管继续稳压，直到I_{Z}达到其最小值I_{ZK}，此时负载电流为最大，处于满载状态。Q1：为什么所接负载R_{L}从空载到满载时，流过齐纳二极管的电流逐渐变小？即

　　，从图2（b）可知满载时流过齐纳二极管电流I_{zf}空载时流过齐纳二极管电流I_{zn}。且I_{zf}趋向于I_{zk}，I_{zn}趋向于I_{zm}。2、计算齐纳二极管输出电压>

　　齐纳二极管除了用于稳压，还可以用于交流信号中限幅。图7显示了齐纳二极管限制作用的三种基本方式。(a)部分显示了限制交流信号正半周期的幅度至齐纳电压值，负半周时的电压限制在约-0.7V，也就是齐纳二极管此时处于正偏状态，相当于普通二极管正偏。当齐纳二极管翻转成图（b）时，则交流信号的负半周被限制至齐纳电压，正半周限制到0.7V。而当把两个齐纳二极管如图（c）所接时，则正负半周的电压都限制到齐纳电压±0.7V，正半周时D2充当齐纳限压功能，D1充当正偏二极管；负半周时，则反之。

　　，意味着I_{Z}=I_{Zmax}，也就是说负载电流最小时，齐纳二极管的电流反而最大，即负载电流的减小量等于齐纳二极管的增加量。又由于P_{ZM}=I_{Zmax}V_{Z}，

　　固定；由第四小结可知，当VthVz时，齐纳二极管导通，否则截止，而当所施加的阈值导通电压刚好等于齐纳击穿电压即Vth=Vz时，此时输入为最小，即Vimin。可知：

　　当输入电压最大，而负载电流最小（RL取最大）时，流过齐纳二极管的电流为I_{Z}\leq I_{ZM}，

　　当输入电压最小，而负载电流最大（RL取最小）时，流过齐纳二极管的电流为I_{Z}\geq I_{ZK}，

　　若取临界条件，R=240Ω233Ω，输入电压为10V，负载电流为20mA（满足最恶劣的情况，即输入为最小值时，还能保证最大负载电流输出）。

　　I_{Z}减小。反之亦然。对比图19，图18可知，条件相同，输入电压升高时，输出电压几乎保持不变，即稳压管击穿电压。输入为10V时，输出为5.1V@IZ=4.52mA，输入为15V时，输出为5..1mA。也就是说，输入电压增大5V，而输出电压只增大0.05V，但流过稳压管的电流增大近25mA，此时可初步估算出动态电阻r_{z}=\frac{0.05V}{0.025mA}=2\Omega，此时可等效为图21所示。>

　　P_{R1}=49.2mA^{2}\times 200=484.128mW,占总功耗的65.6%，说明大部分功耗被限流电阻耗散了，因此用稳压二极管构成的稳压电路，由于其效率极低，因此只适合于小电流应用场合。