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穩壓二極管基礎知識分享-鉅興電子
2019.10.24

穩壓二極管,英文名稱Zener diode,又叫齊納二極管。利用pn結反向擊穿狀態,其電流可在很大范圍內變化而電壓基本不變的現象,制成的起穩壓作用的二極管。 [1] 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體器件。在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值,在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定,穩壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯就可獲得更高的穩定電壓。

原理

穩壓二極管的伏安特性曲線的正向特性和普通二極管差不多,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,當反向電壓臨近反向電壓的臨界值時,反向電流驟然增大,稱為擊穿,在這一臨界擊穿點上,反向電阻驟然降至很小值。盡管電流在很大的范圍內變化,而二極管兩端的電壓卻基本上穩定在擊穿電壓附近,從而實現了二極管的穩壓功能。

硅穩壓管特性曲線

主要參數

1.Uz— 穩定電壓

指穩壓管通過額定電流時兩端產生的穩定電壓值。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,同一型號穩壓管的穩壓值也不完全一致。例如,2CW51型穩壓管的Vzmin為3.0V, Vzmax則為3.6V。

2.Iz— 額定電流

指穩壓管產生穩定電壓時通過該管的電流值。低于此值時,穩壓管雖并非不能穩壓,但穩壓效果會變差;高于此值時,只要不超過額定功率損耗,也是允許的,而且穩壓性能會好一些,但要多消耗電能。

3.Rz— 動態電阻

指穩壓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,動態電阻則愈小。例如,2CW7C穩壓管的工作電流為 5mA時,Rz為18Ω;工作電流為1OmA時,Rz為8Ω;為20mA時,Rz為2Ω ; > 20mA則基本維持此數值。

4.Pz— 額定功耗

由芯片允許溫升決定,其數值為穩定電壓Vz和允許最大電流Izm的乘積。例如2CW51穩壓管的Vz為3V,Izm為20mA,則該管的Pz為60mWo

5. α---溫度系數

如果穩壓管的溫度變化,它的穩定電壓也會發生微小變化,溫度變化1℃所引起管子兩端電壓的相對變化量即是溫度系數(單位:﹪/℃)。一般說來穩壓值低于6V屬于齊納擊穿,溫度系數是負的;高于6V的屬雪崩擊穿,溫度系數是正的。溫度升高時,耗盡層減小,耗盡層中,原子的價電子上升到較高的能量,較小的電場強度就可以把價電子從原子中激發出來產生齊納擊穿,因此它的溫度系數是負的。雪崩擊穿發生在耗盡層較寬電場強度較低時,溫度增加使晶格原子振動幅度加大,阻礙了載流子的運動。這種情況下,只有增加反向電壓,才能發生雪崩擊穿,因此雪崩擊穿的電壓溫度系數是正的。這就是為什么穩壓值為15V的穩壓管其穩壓值隨溫度逐漸增大的,而穩壓值為5V的穩壓管其穩壓值隨溫度逐漸減小的原因。例如2CW58穩壓管的溫度系數是+0.07%/°C,即溫度每升高1°C,其穩壓值將升高0.07%。

對電源要求比較高的場合,可以用兩個溫度系數相反的穩壓管串聯起來作為補償。由于相互補償,溫度系數大大減小,可使溫度系數達到0.0005%/℃。

6.IR— 反向漏電流

指穩壓二極管在規定的反向電壓下產生的漏電流。例如2CW58穩壓管的VR=1V時,IR=O.1uA;在VR=6V時,IR=10uA。

故障特點

穩壓二極管的故障主要表現在開路、短路和穩壓值不穩定。在這3種故障中,前一種故障表現出電源電壓升高;后2種故障表現為電源電壓變低到零伏或輸出不穩定。

識別判斷

正負極識別

從外形上看,金屬封裝穩壓二極管管體的正極一端為平面形,負極一端為半圓面形。塑封穩壓二極管管體上印有彩色標記的一端為負極,另一端為正極。對標志不清楚的穩壓二極管,也可以用萬用表判別其極性,測量的方法與普通二極管相同,即用萬用表R×1k檔,將兩表筆分別接穩壓二極管的兩個電極,測出一個結果后,再對調兩表筆進行測量。在兩次測量結果中,阻值較小那一次,黑表筆接的是穩壓二極管的正極,紅表筆接的是穩壓二極管的負極。這里指的是指針式萬用表。

色環穩壓二極管識別

色環穩壓二極管國內產品很少見,大多數來自國外,尤其以日本產品居多。一般色環穩壓二極管都標有型號及參數,詳細資料可在元件手冊上查到。而色環穩壓二極管體積小、功率小、穩壓值大多在10V以內,極易擊穿損壞。色環穩壓二極管的外觀與色環電阻十分相似,因而很容易弄錯。色環穩壓二極管上的色環代表兩個含義:一是代表數字,二是代表小數點位數(通常色環穩壓二極管都是取一位小數,用棕色表示。也可理解為倍率即:×10(的-1次方),具體顏色對應的數字同色環電阻)

由于小功率穩壓二極管體積小,在管子上標注型號較困難,所以一些國外產品采用色環來表示它的標稱穩定電壓值。如同色環電阻一樣,環的顏色有棕、紅、橙、黃、綠、藍、紫、灰、白、黑,它們分別用來表示數值1、2、3、4、5、6、7、8、9、0。

有的穩壓二極管上僅有2道色環,而有的卻有3道。最靠近負極的為第1環,后面依次為第2環和第3環。

僅有2道色環的。標稱穩定電壓為兩位數,即“×× V”(幾十幾伏)。第1環表示電壓十位上的數值,第2環表示個位上的數值。如:第1、2環顏色依次為紅、黃,則為24V。

有3道色環,且第2、3兩道色環顏色相同的。標稱穩定電壓為一位整數且帶有一位小數,即“×?!?V”(幾點幾伏)。第1環表示電壓個位上的數值。第2、3兩道色環(顏色相同)共同表示十分位(小數點后第一位)的數值。如:第1、2、3環顏色依次為灰、紅、紅,則為8.2V。

有3道色環,且第2、3兩道色環顏色不同的。標稱穩定電壓為兩位整數并帶有一位小數,即“××?!?V”(幾十幾點幾伏)。第1環表示電壓十位上的數值。第2環表示個位上的數值。第3環表示十分位(小數點后第一位)的數值。不過這種情況較少見,如:棕、黑、黃(10.4V)和棕、黑、灰(10.8V)常用穩壓二極管的型號對照表(注:后面的二極管型號是以1開頭的,如1N4728,1N4729等)

與普通整流二極管的區分

首先利用萬用表R×1K擋,按把被測管的正、負電極判斷出來。然后將萬用表撥至R×10K擋上,黑表筆接被測管的負極,紅表筆接被測管的正極,若此時測得的反向電阻值比用R×1K擋測量的反向電阻小很多,說明被測管為穩壓管;反之,如果測得的反向電阻值仍很大,說明該管為整流二極管或檢波二極管。這種識別方法的道理是,萬用表R×1K擋內部使用的電池電壓為1.5V,一般不會將被測管反向擊穿,使測得的電阻值比較大。而R×10K擋測量時,萬用表內部電池的電壓一般都在9V以上,當被測管為穩壓管,切穩壓值低于電池電壓值時,即被反向擊穿,使測得的電阻值大為減小。但如果被測管是一般整流或檢波二極管時,則無論用R×1K擋測量還是用R×10K擋測量,所得阻值將不會相差很懸殊。注意,當被測穩壓二極管的穩壓值高于萬用表R×10K擋的電壓值時,用這種方法是無法進行區分鑒別的。

應用

典型的串聯型穩壓電路

在此電路中,三極管T的基極被穩壓二極管D穩定在13V,那么其發射極就輸出恒定的13-0.7=12.3V電壓了,在一定范圍內,無論輸入電壓升高還是降低,無論負載電阻大小變化,輸出電壓都保持不變。這個電路在很多場合下都有應用。7805就是一種串聯型集成穩壓電路,可以輸出5V的電壓。7805-7824可以輸出5-24V電壓。在很多電器上都有應用。

串聯型穩壓電路

電視機里的過壓保護電路

115V是電視機主供電電壓,當電源輸出電壓過高時,D導通,三極管T導通,其集電極電位將由原來的高電平(5V)變為低電平,通過待機控制線的電壓使電視機進入待機保護狀態。

電弧抑制電路

在電感線圈上并聯接入一只合適的穩壓二極管(也可接入一只普通二極管原理一樣)的話,當線圈在導通狀態切斷時,由于其電磁能釋放所產生的高壓就被二極管所吸收,所以當開關斷開時,開關的電弧也就被消除了。這個應用電路在工業上用得比較多,如一些較大功率的電磁吸控制電路就用到它。

正反向串聯

正反向串聯的作用

如果是兩個穩壓二極管反向串聯,正、反方向電壓到達穩壓值時,電壓被鉗位(即不能再升高)。

1、經常在功率較大的放大電路,功率管的柵極G與源極S即發射結一個穩壓二極管,這是通過限制電壓對G-S起保護作用,防止G-S之間的絕緣層被過高的電壓擊穿。

2、兩個二極管反向串聯后對與之并聯的電路可起過壓保護作用,當電路過壓時,二極管首先擊穿短路。

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