穩(wěn)壓二極管(zener diode),也稱齊納二極管,與普通二極管不同的是,穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)時穩(wěn)壓二極管參數(shù),它的工作電流在很大范圍內(nèi)變化而其兩端的電壓基本不變。
它的原理圖符號有如下圖所示的兩種:
標稱穩(wěn)定電壓VZ(Nominal Zener Voltage)是穩(wěn)壓二極管最重要參數(shù),也是工程師在選型時首要的參數(shù)。
穩(wěn)壓二極管的典型應用電路如下圖所示:
它的主要作用是從較高輸入電壓Vi中獲取的較低輸出電壓Vo,這里我們并沒有這樣描述:從較高的不穩(wěn)定的輸入電壓Vi中獲取較低的穩(wěn)定輸出電壓Vo。穩(wěn)壓二極管雖然有一定的穩(wěn)壓功能,但這種穩(wěn)壓能力在精度要求較高的場合并不適用,在大多數(shù)實際應用電路中,穩(wěn)壓二極管更多的是為了獲取一個對精度要求不高的電壓值(精度要求高的可選擇電壓基準芯片,可參考相關(guān)文章),
下圖為穩(wěn)壓二極管應用于場效應管驅(qū)動時的示意圖:
N溝通道場效應管的柵源開啟電壓VGS是有最大限制值的,比如±20V,超過此值則場效應管可能會損環(huán),通常在此類開關(guān)控制電路中,VGS值設(shè)置為 10V左右,如果電路系統(tǒng)中只有36V較高的電壓(其它為5V之類的低壓),這個電壓不可以直接作為VGS電壓,當然,可以采用諸如低壓差線性調(diào)整芯片(LDO)從36V中降壓獲取此電壓,但是大多數(shù)情況下,我們只需要如圖所示穩(wěn)壓二極管即可,成本低,電路簡單,而且這種應用對穩(wěn)壓精度要求并不高。
當輸入電源電壓Vi比穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓VZ低時,穩(wěn)壓二極管沒有擊穿而處于反向截止區(qū),此時電路回路中只有比較小的反向漏電電流IR(reverse leakage current),這種工作狀態(tài)不是穩(wěn)壓二極管的正常工作狀態(tài),因為輸出電壓Vo是隨輸入電壓Vi變化的,沒有達到輸出穩(wěn)定電壓的目的,如下圖所示:
當輸入電源電壓Vi比穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓ZT高時,穩(wěn)壓二極管被反向電壓擊穿,此時回路電流急劇增加,如下圖所示:
此時的輸出電壓Vo就是穩(wěn)壓二極管的標稱穩(wěn)定電壓,也就是我們所需要的電壓值,回路中的電流就是穩(wěn)壓二極管的工作電流IZ(zener current),此值由下式可得:
其中,電阻R就是穩(wěn)壓二極管的限流電阻。能夠使穩(wěn)壓二極管進入穩(wěn)壓狀態(tài)的最小電流IZ也叫膝點/拐點電流IZK(knee point current),因此,電阻R值不應該太大,那么這個電阻的最小值應該是多少才合適呢?我們繼續(xù)往下看:
當輸入電源電壓Vi時繼續(xù)增加時,穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓VZ(也就是輸出電壓Vo)會有一定的變化,但沒有輸入電壓Vi變化那么大,因為穩(wěn)壓二極管處于反向擊穿穩(wěn)壓狀態(tài)穩(wěn)壓二極管參數(shù),此時輸入電壓Vi與輸出電壓Vo的差值都施加到電阻R兩端,繼而引起回路電流上升。
穩(wěn)壓二極管本身沒有最高反向電壓的參數(shù),但是它會有一定的功耗,如下式:
也就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓VZ與流過穩(wěn)壓二極管中的電流IZ的乘積,對于具體的穩(wěn)壓二極管,其穩(wěn)定電壓VZ是額定的,因此功耗也可以由最大的功耗也可由最大工作電流IZM(Maximum zener current)來表示,很多數(shù)據(jù)手冊中也是給出這個值。
當回路電流IZ超過穩(wěn)壓二極管的最大工作電流IZM時(也就是超過二極管最高允許耗散功率),穩(wěn)壓二極管會因為過熱而損壞,此時的輸出電壓Vo就是輸入電壓Vi,也就是不再有穩(wěn)壓能力了,如下圖所示:
因此,我們在設(shè)置電阻R的最小值時,應控制穩(wěn)壓二極管的工作電流在IZM之內(nèi)。
這種特性我們也可以從穩(wěn)壓二極管的伏安V-I特性曲線看出,如下圖所示:
穩(wěn)壓二極管有一定的電阻,通常稱為動態(tài)電阻RZ(zener resistance)或動態(tài)阻抗ZZ(zener impedance),它是指穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值,可由下式所得:
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