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穩壓二極管工作原理及特性

穩壓二極管的I-V特性曲線可以看出,只要穩壓二極管電流保持在擊穿電流IZ(min)和最大額定電流IZ(max)之間,則穩壓二極管無論流過二極管的電流大小,其反向偏置特性中有一個幾乎為恒負電壓的區域,即使電流變化較大,穩壓二極管的反向偏置特性也幾乎保持恒定不變。穩壓二極管穩壓器工作原理是為與其并聯連接的負載提供恒定的輸出電壓,盡管電源電壓波動或負載電流變化,穩壓二極管將繼續調節產生穩定的輸出電壓。

半導體二極管阻止反向電流,但如果施加的反向電壓變得太高,則會遭受過早擊穿或損壞。

穩壓二極管或“擊穿二極管”(有時也稱為齊納二極管)基本上與標準PN結二極管相同,但是它們被特別設計成具有利用施加到其上的任何反向電壓的低且規定的反向擊穿電壓。

穩壓二極管的性能就像由硅PN結組成的普通通用二極管,并且當在正向偏置時,也就是陽極相對于陰極為正時,穩壓二極管的性能就像通過額定電流的普通信號二極管。

然而,與傳統二極管不同的是,當反向偏置時,二極管會阻止任何電流通過自身,也就是陰極變得比陽極更正極,一旦反向電壓達到預先確定的值,穩壓二極管就開始反向導電。

這是因為當施加在穩壓二極管兩端的反向電壓超過器件的額定電壓時,半導體損耗層就會發生一種稱為雪崩擊穿的過程,并且電流開始流過二極管以限制電壓的增加。

那么,如果流經穩壓二極管的電流急劇增加,達到最大的電路值(通常由串聯電阻限制),一旦達到,這種反向飽和電流在大范圍的反向電壓下保持相當恒定。穩壓二極管上電壓穩定的電壓點稱為“齊納電壓”(Vz),對于穩壓二極管來說,這個電壓范圍可以從不到1伏特到幾百伏特不等。

在二極管半導體結構的摻雜階段,可以非常精確地控制齊納電壓觸發電流流過二極管的點(誤差小于1%),從而使二極管具有特定的齊納擊穿電壓(Vz),例如4.3V或7.5V。這個齊納擊穿電壓在I-V曲線上幾乎是一條垂直直線。

穩壓二極管IV特性

穩壓二極管I-V特性曲線
穩壓二極管I-V特性


穩壓二極管用于其“反向偏壓”或反向擊穿模式,即二極管陽極連接到負極電源。從上面的I-V特性曲線可以看出,只要穩壓二極管電流保持在擊穿電流IZ(min)和最大額定電流IZ(max)之間,則穩壓二極管無論流過二極管的電流大小,其反向偏置特性中有一個幾乎為恒負電壓的區域,即使電流變化較大,穩壓二極管的反向偏置特性也幾乎保持恒定不變。

這種自我控制的能力可以用來調節或穩定電壓源對供應或負載變化的巨大影響。二極管擊穿區域的電壓幾乎是恒定的這一事實被證明是齊納二極管的一個重要特性,因為它可以用于最簡單類型的調壓器應用中。

調節器的功能是為與其并聯連接的負載提供恒定的輸出電壓,盡管電源電壓波動或負載電流變化,穩壓二極管將繼續調節電壓直到二極管電流低于反向擊穿區域中的最小I Z(min)值。

穩壓二極管穩壓器工作原理

穩壓二極管可用于在變化的負載電流條件下產生穩定的低紋波電壓輸出。通過從電壓源通過二極管的小電流,通過合適的限流電阻(RS),穩壓二極管將傳導足夠的電流來維持電壓降Vout。

半波或全波整流器的直流輸出電壓包含疊加在直流電壓上的波紋,并且隨著負載值的變化,平均輸出電壓也會發生變化。通過在整流器的輸出端連接一個簡單的齊納穩壓器電路(如下圖所示),可以產生一個更穩定的輸出電壓。



穩壓二極管穩壓器電路圖
穩壓二極管穩壓器電路

電阻器RS與穩壓二極管串聯,以限制流過穩壓二極管的電流,電壓源VS連接在組合上。穩定的輸出電壓Vout取自穩壓二極管。穩壓二極管與其陰極端子相連,陰極端子與直流電源的正極軌道相連,因此穩壓二極管被反向偏置并將在其擊穿狀態下工作。選擇電阻器RS是為了限制電路中流動的最大電流。

在沒有負載連接到電路的情況下,負載電流將為零(IL = 0),并且所有的電路電流通過穩壓二極管,穩壓二極管則耗散其最大功率。當負載電阻RL連接時,串聯電阻RS值越小,二極管的電流越大,而串聯電阻r值越大,則會增加二極管的功耗要求,因此在選擇合適的串聯電阻值時必須謹慎,以免在這種空載或高阻抗的情況下超過穩壓器的最大額定功率。

負載與穩壓二極管并聯連接,因此R L兩端的電壓始終與穩壓電壓相同( V R = V Z )。存在最小穩壓電流,對于該穩壓電流,電壓的穩定是有效的,并且穩壓電流必須始終保持高于在其擊穿區域內在負載下操作的這個值。電流的上限當然取決于設備的額定功率。電源電壓Vs必須大于VZ。

穩壓二極管穩壓電路的一個小問題是,當穩壓二極管試圖穩壓時,有時會在直流電源上產生電子噪聲。通常,對于大多數應用來說這不是問題,但可能需要在穩壓二極管輸出端添加一個大值去耦電容,以提供額外的平滑效果。

然后總結一下,穩壓二極管始終在反向偏置條件下工作。可以使用穩壓二極管設計電壓調節器電路,以在輸入電壓變化或負載電流變化的情況下在負載兩端保持恒定的DC輸出電壓。齊納電壓調節器包括與輸入電壓V S串聯連接的限流電阻器R S,穩壓二極管在該反向偏置狀態下與負載R L并聯連接。穩定的輸出電壓總是選擇為與二極管的擊穿電壓V Z相同。

穩壓二極管示例No1

需要從12V DC電源輸入源生產5.0V穩定電源。穩壓二極管的最大額定功率P Z為2W。使用上面的齊納穩壓器電路計算:

A). 流過穩壓二極管的最大電流。

穩壓二極管電流計算公式

穩壓二極管電流計算公式


B). 串聯電阻的最小值R S.
穩壓二極管串聯電阻計算公式

穩壓二極管串聯電阻計算公式


C). 如果1kΩ的負載電阻連接在穩壓二極管上,則負載電流I L.
穩壓二極管負載電流計算公式

穩壓二極管負載電流計算公式


D). 滿載時的穩壓電流I Z.
滿載穩壓電流計算公式

滿載穩壓電流計算公式


穩壓電流

穩壓二極管電壓

除了產生單個穩定電壓輸出外,穩壓二極管還可以與普通硅信號二極管串聯在一起,以產生各種不同的參考電壓輸出值,如下所示。

穩壓二極管串聯連接

穩壓二極管參考電壓
穩壓二極管參考電壓

可以選擇各個穩壓二極管的值以適合應用,而硅二極管在正向偏置條件下總是下降約0.6-0.7伏。電源電壓V > IN當然必須高于最大輸出參考電壓,在上面的示例中,這是19v。

用于一般電子電路的典型穩壓二極管是500mW,BZX55系列或更大的1.3W,BZX85系列是齊納電壓,例如,用于7.5V二極管的C7V5,給出二極管參考數字BZX55C7V5。

500mW系列穩壓二極管的電壓范圍約為2.4至100伏,通常具有與5%(E24)電阻系列相同的數值序列,這些小型但非常有用的二極管具有單獨的額定電壓。下表。

穩壓二極管標準齊納電壓

穩壓二極管標準電壓表

穩壓二極管標準電壓表

穩壓二極管鉗位電路

到目前為止,我們已經研究了如何使用穩壓二極管來調節恒定的直流電源,但是如果輸入信號不是穩態直流而是交流波形,那么穩壓二極管如何對不斷變化的信號作出反應。

二極管限幅和箝位電路是用于對輸入AC波形(或任何正弦波)進行整形或修改的電路,其根據電路布置產生不同形狀的輸出波形。二極管限幅器電路也稱為限幅器,因為它們限制或切斷輸入交流信號的正(或負)部分。由于穩壓鉗位電路限制或切斷電路中波形的一部分,它們主要用于電路保護或波形整形電路中。

例如,如果我們想在+7.5V時對輸出波形進行削波,我們將使用7.5V穩壓二極管。如果輸出波形試圖超過7.5V的限制,則穩壓二極管將“切斷”來自輸入端的多余電壓,產生一個平頂的波形,仍然保持輸出恒定在+7.5V的波形。注意,在正向偏置條件下,穩壓二極管仍然是二極管,當交流波形輸出低于-0.7V時,穩壓二極管會像普通硅二極管一樣“打開”,并將輸出保持在-0.7V的波形,如下圖所示。

方波信號

穩壓二極管方波信號

穩壓二極管方波信號

背靠背連接的穩壓二極管可以用作交流調節器,產生被戲稱為“窮人的方波發生器”的東西。使用這種配置,我們可以在7.5V穩壓二極管的正值+ 8.2V和負值-8.2V之間剪切波形。

因此,例如,如果我們想要在兩個不同的最小值和最大值(+ 8V和-6V)之間剪切輸出波形,我們只需使用兩個不同額定值的穩壓二極管。請注意,由于增加了正向偏置二極管電壓,輸出實際上會將交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之間。

換句話說,峰值到峰值電壓為15.4伏而不是預期的14伏,因為二極管上的正向偏置電壓降在每個方向上再增加0.7伏。

這種類型的限幅器配置對于保護電子電路免受過電壓是相當普遍的。兩個穩壓二極管通常放置在電源輸入端子上,在正常工作期間,其中一個穩壓二極管“關閉”,二極管幾乎沒有影響。但是,如果輸入電壓波形超過其極限,則穩壓二極管變為“ON”并鉗位輸入以保護電路。

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