电子电路学习笔记（12）——稳压二极管

Posted 2023-01-31 Leung_ManWah

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。

二、符号

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。

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。

$U_I=U_R+U_O$
$I_R=I_{D_z}+I_L$

• 电网电压波动：
  $U_z$为稳压管电压
  
• 负载变化：
  

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。

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。

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。

6.5 信号限幅电路

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。

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。

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• 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