穩(wěn)壓二極管,英文名稱zener diode,又叫齊納二極管。利用pn結(jié)反向擊穿狀態(tài),其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象,制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件,在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值,在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用,通過(guò)串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。如下圖(1)所示,這是穩(wěn)壓二極管的電路圖符號(hào),而最上面的是很常見(jiàn)的玻封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖。
2、特性
穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線如圖(2)所示,我們可以借助它來(lái)了解穩(wěn)壓二極管在各種偏置下的狀態(tài)。
狀態(tài)①:正向偏置狀態(tài)。此狀態(tài)記下,穩(wěn)壓二極管的特性表現(xiàn)為普通二極管的特性,即:隨著正向偏壓的提高,正向電流變化很大、很陡!但由于vf(0.3v~0.7v左右)很小,此正向偏置狀態(tài)基本無(wú)使用價(jià)值。需要注意的是,不同的穩(wěn)壓二極管的正向壓降是不同的。
狀態(tài)②:反向偏置狀態(tài)。此狀態(tài)下,當(dāng)反向電壓沒(méi)達(dá)到vbr之前,穩(wěn)壓二極管基本沒(méi)導(dǎo)通;而當(dāng)反向偏壓接近vbr值時(shí),穩(wěn)壓二極管開(kāi)始導(dǎo)通,產(chǎn)生ir電流。隨著反向偏壓的提高,反向電流ir也會(huì)激烈變化得很大、很陡!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上穩(wěn)定在擊穿電壓附近,從而實(shí)現(xiàn)了二極管的穩(wěn)壓功能。圖(2)中的黃色區(qū)域(擊穿區(qū))就是穩(wěn)壓二極管的正常工作狀態(tài),通常此區(qū)域?qū)?yīng)的vr區(qū)間范圍很小,此電壓就是穩(wěn)壓二極管的工作點(diǎn)、穩(wěn)壓值。
實(shí)際上,齊納二極管包括兩種擊穿電壓,分別是:齊納擊穿和需崩擊穿。在正常工作狀態(tài)下,反向偏壓較低時(shí),對(duì)應(yīng)的反向偏壓就是齊納擊穿電壓。為了使二極管保持在穩(wěn)定狀態(tài),必須維持最小的反向電流iz(min)。在圖(2)的曲線上,可以見(jiàn)到當(dāng)反向電流低于曲線拐點(diǎn)處的電流時(shí),電壓出現(xiàn)劇烈變化,穩(wěn)壓作用就沒(méi)有了。同樣,有一個(gè)最大電流iz(max)超過(guò)電流,二極管就被物理性損壞,此時(shí)對(duì)應(yīng)的擊穿就是雪崩擊穿。因此,我們只要讓齊納二極管的反向電流在iz(min)~iz(max)之間,齊納二極管的兩端電壓保持近似恒定。在穩(wěn)壓二極管的datasheet上,通常給出一個(gè)所謂齊納測(cè)試電流iz對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱測(cè)試電壓就是vz。
3、主要參數(shù)
3.1 uz—穩(wěn)定電壓
指穩(wěn)壓管通過(guò)額定電流時(shí)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(hào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值也不完全一致。例如,穩(wěn)壓二極管bzv55-c16(立創(chuàng)商城的商品編號(hào):c128822)的vz(min)為15.3v,vz(max)則為17.1v。
3.2 iz—額定電流
指穩(wěn)壓管產(chǎn)生穩(wěn)定電壓時(shí)通過(guò)該管的電流值。低于此值時(shí),穩(wěn)壓管雖并非不能穩(wěn)壓,但穩(wěn)壓效果會(huì)變差;高于此值時(shí),只要不超過(guò)額定功率損耗,也是允許的,而且穩(wěn)壓性能會(huì)好一些,但要多消耗電能。
3.3 rz—?jiǎng)討B(tài)電阻
指穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值,有些書(shū)也稱為“齊納阻抗”。該比值隨工作電流的不同而改變,一般是工作電流愈大,動(dòng)態(tài)電阻(http://www.szlcsc.com/so/catalog/308.html)則愈小。例如,2cw7c穩(wěn)壓管的工作電流為5ma時(shí),rz為18ω;工作電流為10ma時(shí),rz為8ω;為20ma時(shí),rz為2ω;>20ma則基本維持此數(shù)值。
3.4 pz—額定功耗
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。例如2cw51穩(wěn)壓管的vz為3v,izm為20ma,則該管的pz為60mwo
3.5α---溫度系數(shù)
如果穩(wěn)壓管的溫度變化,它的穩(wěn)定電壓也會(huì)發(fā)生微小變化,溫度變化1℃所引起管子兩端電壓的相對(duì)變化量即是溫度系數(shù)(單位:﹪/℃)。一般說(shuō)來(lái)穩(wěn)壓值低于6v屬于齊納擊穿,溫度系數(shù)是負(fù)的;高于6v的屬雪崩擊穿,溫度系數(shù)是正的。溫度升高時(shí),耗盡層減小,耗盡層中,原子的價(jià)電子上升到較高的能量,較小的電場(chǎng)強(qiáng)度就可以把價(jià)電子從原子中激發(fā)出來(lái)產(chǎn)生齊納擊穿,因此它的溫度系數(shù)是負(fù)的。雪崩擊穿發(fā)生在耗盡層較寬電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí),溫度增加使晶格原子振動(dòng)幅度加大,阻礙了載流子的運(yùn)動(dòng)。這種情況下,只有增加反向電壓,才能發(fā)生雪崩擊穿,因此雪崩擊穿的電壓溫度系數(shù)是正的。這就是為什么穩(wěn)壓值為15v的穩(wěn)壓管其穩(wěn)壓值隨溫度逐漸增大的,而穩(wěn)壓值為5v的穩(wěn)壓管其穩(wěn)壓值隨溫度逐漸減小的原因。例如2cw58穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)是+0.07%/°c,即溫度每升高1°c,其穩(wěn)壓值將升高0.07%。
對(duì)電源要求比較高的場(chǎng)合,可以用兩個(gè)溫度系數(shù)相反的穩(wěn)壓管串聯(lián)起來(lái)作為補(bǔ)償。由于相互補(bǔ)償,溫度系數(shù)大大減小,可使溫度系數(shù)達(dá)到0.0005%/℃。
3.6 ir—反向漏電流
指穩(wěn)壓二極管在規(guī)定的反向電壓下產(chǎn)生的漏電流。例如2cw58穩(wěn)壓管的vr=1v時(shí),ir=o.1ua;在vr=6v時(shí),ir=10ua。
4、穩(wěn)壓二極管的選型
要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選鍺管;
要求反向電流小時(shí)選硅管;
要求導(dǎo)通電流大時(shí)選面結(jié)合型;
要求工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型;
要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管;
要求耐高溫時(shí)選硅管。
5、應(yīng)用電路(舉例)
5.1簡(jiǎn)易穩(wěn)壓電路
此電路利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,但輸出電流很小。
5.2改進(jìn)型穩(wěn)壓電路
此電路利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,可輸出較大的電流。
5.3led指示燈的esd保護(hù)電路
此電路利用齊納二極管的反向偏置特性,防止led受靜電過(guò)高而損壞。
5.4過(guò)壓保護(hù)電路
如果輸出電壓過(guò)高,此電路中的齊納二極管會(huì)導(dǎo)通,進(jìn)而觸發(fā)可控硅scr對(duì)輸入電壓端進(jìn)行限制。
5.5信號(hào)限幅電路
如果輸入信號(hào)過(guò)大,容易損壞運(yùn)放op,通過(guò)放置齊納二極管可對(duì)input信號(hào)的幅度大小進(jìn)行限制。注意這種情況下,要選用反向漏電流很小的d1;而信號(hào)頻率過(guò)高的話,還要考慮d1的等效電容要足夠小。