一文看懂穩(wěn)壓二極管工作原理、重要參數(shù)意義和典型電路

一、穩(wěn)壓二極管工作原理穩(wěn)壓二極管的作用：穩(wěn)壓二極管也叫穩(wěn)壓管，它在電路中一般起到穩(wěn)定電壓的作用，也可以為電路提供基準(zhǔn)電壓值。工作原理:穩(wěn)壓二極管使用特殊工藝制造，這種工藝使它在反向擊穿時仍然可以長時間穩(wěn)定工作，不損壞，而工作在反向擊穿狀態(tài)的穩(wěn)壓管只要工作電流保持在一定范圍，則它兩端電壓波動的范圍就很小，穩(wěn)壓管正是利用這個特性實現(xiàn)穩(wěn)壓的。圖1是穩(wěn)壓管伏安特性曲線，在正常穩(wěn)壓工作狀態(tài)下，穩(wěn)壓管就工作在圖中AB這段區(qū)間。二、穩(wěn)壓二極管重要參數(shù)意義穩(wěn)壓二極管重要參數(shù)：1、穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓是指標(biāo)稱穩(wěn)定電壓，理想穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值是一個固定的電壓數(shù)值，但實際真實穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓會在一定范圍波動，有些型號的穩(wěn)壓管應(yīng)用手冊中會給出標(biāo)稱穩(wěn)定電壓值，最小穩(wěn)定電壓值和最大穩(wěn)定電壓值，但也有些手冊中只給出標(biāo)稱穩(wěn)定電壓值。圖2所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的穩(wěn)定電壓值。2、

最大耗散功率最大耗散功率是指可以穩(wěn)定工作的最大功率值，在工作電路中穩(wěn)壓管的功率不應(yīng)超過這個值。圖3所示是穩(wěn)壓管1N47XXA-G的應(yīng)用手冊中給出的最大耗散功率值。3、

額定工作電流（IZT）額定工作電流是指穩(wěn)壓管可以長時間穩(wěn)定工作，并且穩(wěn)壓性能最好時對應(yīng)的工作電流值。圖4所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的額定工作電流。4、最小穩(wěn)定工作電流最小穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最小工作電流，如果穩(wěn)壓管電流小于這個值，會進(jìn)入反向截止區(qū)，在反向截止區(qū)穩(wěn)壓管是沒有穩(wěn)壓功能的。圖5所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的最小穩(wěn)定工作電流：1毫安。5、最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最大工作電流，如果超過這個電流，會導(dǎo)致穩(wěn)壓管損壞。有些穩(wěn)壓管的應(yīng)用手冊中并沒有給出最大穩(wěn)定工作電流，這是因為這個參數(shù)可以由標(biāo)稱穩(wěn)定電壓和最大耗散功率兩個參數(shù)得出。6、動態(tài)電阻穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻等于電壓變化與電流變化的比值。動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓效果越好，這是因為動態(tài)電阻小，則相同電流變化引起的電壓變化就越小，所以電壓就越穩(wěn)定。從穩(wěn)壓管的反向伏安特性可以看出，穩(wěn)壓管的工作電流越接近最大穩(wěn)定工作電流則動態(tài)電阻越小，越接近最小工作電流則動態(tài)電阻越大。所以穩(wěn)壓管工作電流接近最大穩(wěn)定工作電流時穩(wěn)壓效果才好。圖6所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的動態(tài)電阻。三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓原理的定性分析穩(wěn)壓管在電路應(yīng)用中一般要串聯(lián)一個限流電阻，用來保護(hù)穩(wěn)壓管，避免工作電流過大導(dǎo)致?lián)p壞，另外通過選定合理的限流電阻值，也可以避免穩(wěn)壓管工作電流過小而進(jìn)入反向截止區(qū)，失去穩(wěn)壓效果。所以說這個限流電阻R即起到保護(hù)作用，也起到設(shè)定合適工作電流的作用。下圖7是穩(wěn)壓二極管的典型應(yīng)用電路：對于圖7中典型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程我們先進(jìn)行一下定性分析，從圖中我們?nèi)菀卓闯?，在限流電阻值固定的情況下，能影響到穩(wěn)壓管工作電流的因素有兩個，一是輸入端電壓UI的波動，另一個是負(fù)載電阻RL大小的變化?，F(xiàn)在我們假設(shè)一種情況：即輸入電壓UI不變，但負(fù)載電阻RL變小時是如何穩(wěn)壓的。由于負(fù)載電阻RL變小會直接導(dǎo)致負(fù)載通路的電流IR變大，所以流過限流電阻的電流IR會增大，導(dǎo)致限流電阻壓降增大，所以穩(wěn)壓管兩端電壓（即負(fù)載電阻兩端電壓UO）變小，導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流IDZ減小，這又會引起限流電阻電流減小，所以限流電阻電壓當(dāng)然也會隨之減小，最終導(dǎo)致穩(wěn)壓管電壓又增大，即負(fù)載電阻兩端電壓增大。這個過程的核心是穩(wěn)壓管端電壓變小導(dǎo)致穩(wěn)壓電流減小，從而把穩(wěn)壓管兩端電壓又重新推高。具體變化過程如下圖8所示：另外，如果假設(shè)負(fù)載電阻不變，而輸入電壓增大或減小，則穩(wěn)壓過程的推導(dǎo)與上述類似，這里就不再贅述了。四、穩(wěn)壓二極管典型電路限流電阻計算下面我們針對這個典型穩(wěn)壓電路的一組數(shù)據(jù)，計算限流電阻的阻值。具體參數(shù)如下：電源電壓波動范圍：13~15V負(fù)載電阻變化范圍：300~500Ω穩(wěn)壓管工作電流范圍：5~40ma穩(wěn)壓管工作電壓：6V對于限流電阻的阻值我們首先要知道，它即不能過大，也不能過小，過大會導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流過大損壞，過小會導(dǎo)致穩(wěn)壓管位于反向截止區(qū)而不能進(jìn)入穩(wěn)壓工作狀態(tài)。所以這個限流電阻就會存在一個上限值和一個下限值，導(dǎo)致穩(wěn)壓管分別工作于最小和最大電流兩種極限狀態(tài)，這兩種狀態(tài)是由于電源電壓波動和負(fù)載電阻變化引起的，所以根據(jù)之前的定性分析，我們可以比較容易的分析出這兩種狀態(tài)的情況，如下表所示：可以看到，在情況2的狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載電阻值最大時，負(fù)載通路的電流相對最小，而此時電源電壓卻最大，這兩個因素共同作用于穩(wěn)壓管上，導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流最大。這種情況就類似于下圖9中所示的水庫泄洪情況：圖9中副閘門的作用是配合主閘門控制水位并在適當(dāng)?shù)臅r候保護(hù)主閘門，避免主閘門承受過大的水壓。當(dāng)上游來水量增加時，如果同時主閘門把開口關(guān)到最小，這兩個條件同時發(fā)生時副閘門就會面臨水流最大的極限情況。這里水庫的模型與穩(wěn)壓電路有如下對應(yīng)關(guān)系：主閘門-->負(fù)載電阻副閘門-->穩(wěn)壓管上游水量增加-->電源電壓增加主閘門開口關(guān)小-->負(fù)載電阻增加副閘門水量最大-->穩(wěn)壓管電流最大從上述關(guān)系中，我們可以計算出當(dāng)穩(wěn)壓管工作電流最小時，輸入電壓最小，負(fù)載電流最大，此時對應(yīng)的限流電阻值最大：同理也很容易計算出限流電阻最小值為180Ω，我們可以取中間值220Ω的電阻（標(biāo)準(zhǔn)阻值中沒有230Ω的電阻）。五、總結(jié)穩(wěn)壓管在使用中要注意以下問題：1、

穩(wěn)壓管使用時要串聯(lián)一個限流電阻，用來保護(hù)穩(wěn)壓管并設(shè)定其工作電流。2、實際穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值是一個范圍，同一批穩(wěn)壓管的實際穩(wěn)壓值可能會存在差異，但不會和標(biāo)稱穩(wěn)壓值差太多。3、穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，串聯(lián)有四種不同接法，不同接法的穩(wěn)壓數(shù)值也各不相同。一般不并聯(lián)使用。4、為了使穩(wěn)壓效果更穩(wěn)定，需要使穩(wěn)壓管工作在中度偏深的擊穿狀態(tài)，所以輸入的電壓值最好是2到3倍的穩(wěn)定電壓值，即Uin=2~3（UZD），比如如果要使電壓穩(wěn)定在12伏，而輸入電壓是18伏，雖然