介紹穩(wěn)壓二極管選型和應(yīng)用之前,要先了解二極管的原理、特性、參數(shù)。
穩(wěn)壓二極管原理
何為穩(wěn)壓二極管,說的通俗一些,就是用來穩(wěn)壓的,它是用特殊工藝制造而成的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管,也叫齊納二極管。它的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管類似,且伏安特性曲線的正向特性與普通二極管差不多,反向特性是在反向電壓低于反向擊穿電壓時,反向電阻很大,反向漏電流極小。但是,當(dāng)反向電壓臨近反向電壓的臨界值時,反向電流驟然增大,稱之為擊穿,在這一臨界點上,反向電阻驟然降至很小值。盡管電流在很大的范圍內(nèi)變化,而二極管兩端的電壓卻基本穩(wěn)定在擊穿電壓附近,從而實現(xiàn)了二極管的穩(wěn)壓功能。
穩(wěn)壓二極管,根據(jù)額定功耗分,有:
1)1W:1N4728A-Z1330A(DO-41封裝)、SMA4728A-SZ1330A(SMA/DO-214AC封裝)、SML4728A-SMZ1330A(SOD-123);
2)1.5W:1N5919B-1N5956B(DO-41封裝)、SMA5919B-SMA5956B(SMA/DO-214AC封裝);
3)2W:2EZ5.6D5-2EZ330D5(DO-15封裝)、SMB2EZ5.6D5-SMB2EZ330D5(SMB/DO-214AA封裝);
4)3W:3EZ5.6D5-3EZ200D5(DO-15封裝)、SMB3EZ5.6D5- SMB3EZ200D5(SMB/DO-214AA封裝);
5)5W:1N5338B-1N5388B(DO-201封裝)、SMC5338B-SMC5388B(SMC/DO-214AB封裝);
穩(wěn)壓二極管特性
穩(wěn)壓二極管在被反向擊穿后,盡管流過穩(wěn)壓管的反向擊穿電流變化很大,但兩端的電壓卻幾乎不變。我們也常常用它這一特性來進行穩(wěn)壓,以獲得基準(zhǔn)電壓和用作電平轉(zhuǎn)移。
穩(wěn)壓二極管參數(shù)
- 穩(wěn)定電壓Uz:指PN結(jié)的擊穿電壓,穩(wěn)壓二極管通過額定電流時兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由于制造工藝的差別,同一型號穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值也不完全一致。
? 額定電流Iz:指穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生穩(wěn)定電壓時通過的電流值。低于額定電流時,雖然也能穩(wěn)壓,但穩(wěn)壓效果會變差;高于額定電流時,只要不超過額定功率損耗,也是允許的,而且穩(wěn)壓性能會好一些,但要多消耗電能。
? 動態(tài)電阻rz:指穩(wěn)壓二極管兩端電壓變化與電流變化的比值。該比值隨工作電流的不同而改變,一般是工作電流愈大,動態(tài)電阻則愈小。
圖示給出了穩(wěn)壓二極管在工作時的動態(tài)等效電路,圖中二極管為理想二極管。
- 電壓溫度系數(shù)CTV:如果穩(wěn)壓二極管的溫度發(fā)生變化了,它的穩(wěn)定電壓也會發(fā)生微小變化,溫度變化1℃所引起管子兩端電壓的相對變化量即是電壓溫度系數(shù)(單位:﹪/℃)。不同型號的穩(wěn)壓管有不同的穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù),且有正負(fù)之分。穩(wěn)壓值低于4V的穩(wěn)壓管,穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)為負(fù)值,穩(wěn)壓值高于6V的穩(wěn)壓管,其穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)為正值。介于4V~6V之間,可能為正,也可能為負(fù),在要求高的場合,可以用兩個溫度系數(shù)的管子串聯(lián)進行補償。
- 額定功耗Pz:由芯片允許溫升決定,其數(shù)值為穩(wěn)定電壓Vz和允許最大電流Izm的乘積。其工作電流越大,動態(tài)電阻越小,穩(wěn)壓性能越好,但最大工作電流不能超過Pz的限制,超過Pz將損壞穩(wěn)壓管。
穩(wěn)壓二極管選型原則
1)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值離散性很大,即使同一廠家同一型號產(chǎn)品,其穩(wěn)定電壓值也不完全一樣,這一點在選用時應(yīng)加以注意。對要求較高的電路,選用前應(yīng)對穩(wěn)壓值進行檢測。
2)對于過電壓保護的穩(wěn)壓二極管,其穩(wěn)定電壓的選定要依據(jù)保護電壓的大小選用,其穩(wěn)定電壓值不能選的過大或過小,否則起不到電壓保護的作用。
3)在選用穩(wěn)壓二極管時,除了要注意穩(wěn)定電壓、最大工作電流等參數(shù)外,還要注意選用動態(tài)電阻較小的穩(wěn)壓二極管,因為動態(tài)電阻越小,穩(wěn)壓性能越好。
4)使用穩(wěn)壓管時應(yīng)注意,二極管的反向電流不能無限增大,否則會導(dǎo)致二極管的過熱損壞。因此,穩(wěn)壓管在電路中一般需要串聯(lián)限流電阻。
5)選用穩(wěn)壓二極管時,要根據(jù)具體電子電路來考慮,簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓電源,輸出電壓就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓。
穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用電路
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電源穩(wěn)壓
穩(wěn)壓二極管為電源電路輸出后級穩(wěn)壓,是其最典型的應(yīng)用。下圖是穩(wěn)壓二極管的典型直流穩(wěn)壓電路,VZ1為穩(wěn)壓二極管,R1是VZ1的限流保護帶電阻。
未穩(wěn)定的直流工作電壓經(jīng)過R1,加到VD1上,由于工作電壓遠(yuǎn)大于VD1所以VZ1處于工作狀態(tài),其兩端得到穩(wěn)定的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸出電壓。當(dāng)直流工作電壓波動時,流過R1和VZ1的電流大小隨之相應(yīng)波動,由于VZ1穩(wěn)壓的作用,保持電路后級輸出U0不變,那么直流電壓的大小波動降在的電阻R1上。
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濾波電路
電子二極管中濾波器中的穩(wěn)壓管應(yīng)用電路如下,VZ1是穩(wěn)壓二極管,VT1是電子濾波管,C1是VT1基極濾波電容,R1是VT1偏置電阻。
在穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通后,VT1基極被穩(wěn)定在13V,根據(jù)三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通后的結(jié)電壓(0.7V)基本不變特性,VT1發(fā)射極直流輸出電壓也是穩(wěn)定的,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
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浪涌保護
下圖是穩(wěn)壓二極管的浪涌保護電路,K1是繼電器,VZ1是穩(wěn)壓二極管,R1是限流保護電阻,RL是負(fù)載電阻。
當(dāng)工作電壓沒有浪涌出現(xiàn)時,工作電壓沒有高到足以使穩(wěn)壓管VZ1導(dǎo)通的程度,這時VZ1截止,沒有流過繼電器K1,K1的觸點保持導(dǎo)通狀態(tài)。工作電壓通過繼電器觸點時為負(fù)載RL正常供電。當(dāng)工作電壓出現(xiàn)浪涌時,由于電壓升高,穩(wěn)壓二極管VZ1導(dǎo)通,這時有電流流過繼電器K1,K1的觸點斷開,電壓不能通過繼電器觸點為負(fù)載RL供電,達(dá)到保護負(fù)載RL的目的。
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過電壓保護
穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的過電壓保護電路,VZ1是穩(wěn)壓二極管,VT1是控制管,+115V是主工作電壓。
電阻R1和R2構(gòu)成115V直流工作分壓電路,分壓后的電壓通過穩(wěn)壓二極管VZ1加到VT1基極,當(dāng)115V電壓大小正常時,R1,R2分壓后的電壓不足以使穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通,這時VT1基極電壓為0,VT1截止,其集電極為高電平,此時待機保護電路不動作,電路正常工作。當(dāng)電壓高于115V時,R1,R2分壓后的電壓足以時穩(wěn)壓二極管VD1導(dǎo)通,這是VT1飽和導(dǎo)通(VT1的基極電平由原來的接近0V,變?yōu)镽2分得電壓-VD1的導(dǎo)通壓降,VT1包含導(dǎo)通的條件:偏置電壓正偏且基極電流大于工作在放大區(qū)的電流),其集電極為低電平,通過待機控制線的控制使得電路進入待機保護狀態(tài)。
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限幅電路
下圖是穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的限幅電路,電路中A1和A2是集成電路,VZ1和VZ2是穩(wěn)壓二極管。
從集成電路的A1的1腳輸出信號通過R1加到集成電路A2的1腳,當(dāng)集成電路A1的1腳輸出信號幅度沒有超過VD1穩(wěn)壓值時,這一信號完整的加到A2的1腳上,當(dāng)集成電路A1的1腳輸出信號幅度超過VZ1穩(wěn)壓值時,幅度超過部分使VD1導(dǎo)通,信號幅度的最大值被限制,從而達(dá)到限幅目的。
1)R2和VZ2構(gòu)成的限幅電路與R1和VZ1構(gòu)成的電路工作原理一樣,只是用來限制集成電路A1的2腳輸出信號幅度。
2)R1和R2一樣,它用來傳輸集成電路A1和A2之間的信號,同時也是VZ1和VZ2的限流保護電阻。
3)限幅電路只是限去電壓值超過穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值的部分,對于信號電壓幅度小于穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值的部分無法限幅作用。
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電弧抑制
穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的電弧抑制電路,這種電路通常用于一些功率較大的電磁吸鐵控制電路中。下圖所示電路,VD1是穩(wěn)壓二極管,L1是電感,R1是限流保護電阻,S1是電源開關(guān)。
電路的工作原理:在電源開關(guān)S1從接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時,電感L1兩端產(chǎn)生的方向電動勢為上正下負(fù),這一反向電動勢很大,通過R1加到了穩(wěn)壓二極管的VZ1兩端,使之導(dǎo)通,這樣將方向的電動勢能量釋放,使得S1上不會產(chǎn)生很大的電動勢,從而不產(chǎn)生電弧,達(dá)到了消弧的目的。
電源開關(guān)S1正常接通時,直流電壓通過R1加到VZ1上電壓不夠大,不足以使VZ1導(dǎo)通,所以VZ1處于截止?fàn)顟B(tài),不影響電路正常工作。
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