二极管:稳压二极管的原理及应用 |
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一、什么是稳压二极管
稳压二极管(Zener diode),也叫齐纳二极管。 从名字上可以看出,首先它是二极管,它的作用是稳压,利用的原理是齐纳击穿。 在TVS二极管那边文章中讲过雪崩击穿,雪崩击穿是发生在掺杂浓度较低的PN结中; 而齐纳击穿是发生在掺杂浓度较高的PN结中。PN结的掺杂浓度越高,阻挡层就越薄(这个阻挡层可以理解成PN结附近的耗尽层,耗尽层里面电荷形成的电场阻碍电子的移动),这个阻挡层很薄,那只要在里面继续注入电荷,那内部的电场就会变得很大,这个电场大到可以把耗尽层中的共价键中的电子直接拉出来,从而产生大量的载流子。使PN结的反向电流暴增,呈现反向击穿现象。 这与雪崩击穿的根本不同就是,雪崩击穿是电子把共价键中的电子撞出来;齐纳击穿是内电场直接把共价键中的电子拉出来。 稳压二极管发生齐纳击穿后,虽然反向电压很大,但是二极管两端的电压却基本稳定在击穿电压附近,这是怎么做到的,本人也没深入研究,先记住结论去应用就好了。 二、稳压二极管的关键参数1、稳定电压 稳定电压指的是标称稳定电压,理想稳压管的稳定电压是一个固定的值,但实际的稳定电压会存在一定的波动。如下图所示的BZT52C2V0稳压二极管,标称稳定电压时2V,但是是在1.91--2.09之间波动。 2、额定工作电流 额定工作电流是指稳压二极管可以长时间稳定工作,且稳压性能最好时对应的工作电流。BTZ52C2V0稳压二极管的额定工作电流就是5mA。 3、最大耗散功率 最大耗散功率是指可以稳定工作的最大功率 4、最小稳定工作电流 最小工作电流是指可以让稳压管具有稳压功能的最小工作电流,如果电流小于这个值,那稳压二极管是工作在反向截止状态,是没有稳压功能的。BTZ52C2V0稳压二极管的最小稳定工作电流是1mA。 5、最大稳定工作电流 最大稳压工作电流是指稳压管反向击穿时,最大能承受的电流,超过这个电流,二极管可能就被干废了。这个最大电流是由标称稳定电压和最大耗散功率一起决定的,功率 = 电压x电流。所以常用稳压二极管电路都要加个电阻限流。 6、动态电阻 动态电阻 = 电压的变化量/电流的变化量;动态电阻越小稳压效果越好,这是因为动态电阻小,同等电流变化下引起的电压变化就小,电压就越稳定。 三、稳压二极管的常规应用电路R 为限流电阻,假设R是固定不变的,看看稳压二极管是怎么稳定电压的: 能影响稳压管工作的只有两个因素: 1、输入端电压的波动 2、负载电阻的波动 先假设输入端电压保持稳定,负载电阻变化时,稳压管是如何稳压的 负载电阻变小,那整个电路的电流就变大,就导致限流电阻上分得的电压变大,那稳压管上分得的电压就变小,与是相等的。变小,那流过稳压二极管的电流就变小,变小又反过来导致变小,就使得限流电阻上分得的电压变小,那稳压管上分得的电压就变大了。 负载电阻变大时的情况分析也是一样的,自己推演一下。 负载电阻不变,输入端电压变化的时候,分析过程也是一样的,自己推演一下。 四、限流电阻怎么确定稳压二极管电路的关键是怎么选择限流电阻,假设有这么一个电路: 电源电压波动范围13--15V; 负载电阻变化范围300--500欧; 稳压管工作电流范围5--40mA; 稳压管工作电压6V。 限流电阻的阻值不能过大,过大会导致稳压管分得的电压过小,从而工作在反向截止区,起不到稳压的作用; 限流电阻的阻值不能过小,过小会导致稳压管的电流过大,烧坏稳压二极管; 因此限流电阻就有个上限值和一个下限值,让稳压二极管分别工作在最小电流和最大电流两种状态; 稳压管什么时候工作电流最小:输入电压最小,负载电流最大时,稳压管上电流最小
稳压管什么时候工作电流最大:输入电压最大,负载电流最小时,稳压管上电流最大 所以限流电阻选在173--280欧之间时合适的。 五、使用稳压管的注意事项1、使用稳压管时,一定要串联一个限流电阻,用来保护稳压二极管并设置工作电流; 2、稳压管可以串联使用,稳定的电压就累加了,但不推荐并联使用(没意义); 3、要获得理想的稳压效果,要让稳压管处于深度击穿状态,输入的电压值一般是稳定电压值的2到3倍,比如要使电压稳定在12V,而输入电压时18V,稳压管处于浅击穿状态,稳压效果不好; 4、稳压管工作时,反向击穿电压并不高,像BTZ52C2V0也就5mA,所以大功率的场合不适用; 5、稳压管的稳定电压时一个范围,要求高精度电压的地方是不合适的。 |
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