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齐纳二极管的特性简介及设计案例

时间:2023-05-30 11:36来源:未知 作者:admin 点击:
齐纳 二极管 (Zener diode )又叫稳压二极管,也是一种特殊用途二极管,但由于齐纳二极管的是如此之重要,内容又比较多,所以这里单独拉出来作为一个小节讲。其电路符号如下图所

齐纳二极管(Zener diode)又叫稳压二极管,也是一种特殊用途二极管,但由于齐纳二极管的是如此之重要,内容又比较多,所以这里单独拉出来作为一个小节讲。其电路符号如下图所示:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.01 

1.   特性简介

在前面1-2节介绍反向击穿的时候,已经讲过齐纳击穿的原理,当二极管反向齐纳击穿时,电流会急剧变化,而电压几乎保持不变。如下图所示:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.02 

齐纳二极管可以工作在反向齐纳击穿区域而不造成永久损坏,半导体制造厂商通过精细地控制掺杂浓度来设置反向击穿电压。一般齐纳二极管的反向击穿电压从1.8V~200V不等,额定功率从1/4W~50W不等。

虽然齐纳二极管又被称为“稳压二极管”,但是齐纳二极管的反向击穿伏安曲线并不是理想的垂直线,而是有一个轻微的倾斜,所以,它既没有集成稳压器(如7805)那么平稳的波动抑制能力,也不能在大负载电流变化时使用。齐纳二极管只能在小电流应用且对精度要求不高的情况下,作为一种低成本的稳压手段使用。其典型稳压应用电路如下图所示:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.03 

当输入电压正常时,齐纳二极管VZ 截止,不影响系统正常供电。当输入电压突然过高时,齐纳二极管V Z 导通,此时流过齐纳二极管的电流急剧增加,增加的电流使电阻R承担更多的压降,从而使得系统的电压稳定在齐纳电压值附近。下面的二极管D是用来防止输入电压接反的。上图只是比较简单的用法,当齐纳二极管和晶体管或运放等器件组合使用时,可以构建出比较好的稳压器,这个后面我们以后分析专用电路的时候再讲。

2.   齐纳性能参数

齐纳二极管在正偏时,各性能参数基本同普通二极管,但在反偏时,比普通二极管多了很多描述参数。下面我们以摩托罗拉公司(飞思卡尔的前身)生产的的齐纳二极管的datasheet为例,来解读齐纳性能参数。

点此链接阅读和下载数据规格书。

(1) 产品特点

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.04 

上图中我用红色标注了几个重点:

● 此规格书涵盖了从1N5333B~1N5388B的几十种齐纳二极管的数据参数,稳压范围从3.3V~220V不等,所有型号的额定功率都是5W。

● 这个系列的所有齐纳二极管可以承受瞬间(8.3毫秒)的浪涌功率,其最大可承受功率达到180W。

(2) 性能参数

所有性能参数都在规格书第2~3页的表格中予以列出,这里我们仅以第一行的1N5333B为例进行解读。

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.05 

为了方便理解,我在每一个参数上都标了一个序号,我们将以这个序号为顺序,逐条解释每个参数的含义。在解读参数时,还需要同时对照下图,才能理解各个参数的含义。

齐纳二极管的特性简介及设计案例

图 1-8.06 

① 首先是IZM(齐纳最大电流),这是齐纳二级管能承受的最大反偏电流,当反偏电流大于这个值时,齐纳二极管可能会永久损坏。

② IZT(齐纳测试电流),T(test)的意思是测试,一般制造厂商会选取IZM的约1/4处作为测试电流。

③ VZ(齐纳电压),这个就是最重要的指标:齐纳电压(Zener voltage)。从曲线上来看,齐纳击穿区域是有一个范围的,但制造商为方便起见,一般会将齐纳电压VZ定义为在测试电流IZT时的电压。根据后面的Note 1的说明,这个值一般会有5%的误差。

④ IZK(齐纳拐点电流),K(knee)的意思是拐点,一般认为,从K点开始进入齐纳击穿区域,其实在到达K点时,反偏电流已经比较大了,只不过在K点后电流开始急剧增大。(数据规格书中将IZK定为1mA)。

⑤ & ⑥ VR与IR(反偏安全电压、反偏漏电流),当反偏电压小于VR时,反偏漏电流IR会维持一个很小的值(微安级)。注意IR与IZK在数量级上的差别。

⑦ ZZT(在IZT时的动态电阻),规格书中把动态电阻称为齐纳阻抗(Zener impedance)。在T点处的伏安曲线的斜率非常陡峭,所以此动态电阻的值比较小,在表格中我们可以看到仅为3Ω。

⑧ ZZK(拐点动态电阻),这是在拐点K处的斜率,比T点处要平缓得多,所以此处动态电阻比较大,表格中为400Ω。

⑨ ir(最大浪涌电流),这是齐纳二极管能承受的瞬间浪涌电流,表格中的数值高达20A。

⑩ ΔVZ(稳压范围),这个在后面的Note 4解释了,为在IZM的10%处和IZM的50%处测得的2个齐纳电压的差值。

3.   设计案例

现在我们来看如何根据上面的参数来选型和设计齐纳二极管电路:

案例1-8-1:已知负载RL=1kΩ,vi正常供电电压为12V,RL的额定工作电压要求为12V,且最低至10V时也能工作,现设计稳压电路如下图所示。问题:(1)应该选择什么型号的齐纳二极管?(2)电阻R的取值应为多大?(3)这个电路可接受的供电电压vi波动范围最大为多少?

齐纳二极管的特性简介及设计案例

解:(1)对于12V的稳压要求,我们查数据手册,可选型1N5349B的齐纳二极管。其齐纳电流范围为: IZK=1mA,IZM=395mA。

(2)在vi较小时,齐纳二极管DZ截止(可视为断路),电阻R会对RL产生分压作用,由于vi=12V,且VRL最小要求为10V,则电阻R最大为:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

(3)当vi升高时,VRL也会升高,当VRL大于12V时,齐纳二级管DZ会导通,以使VRL稳定在12V左右。前面我们已查手册知,1N5349B可允许的最大电流IZM=395mA,此时电阻R上的电流为DZ与RL中电流的总和:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

此时电路的总电压为:

齐纳二极管的特性简介及设计案例

因此,这个电路最大能接受供电电压vi上升到93.4V,而输出电压稳定在12V左右。但因为齐纳阻抗的影响,输出会在12V上下略有波动。

vi的能接受的最小输入电压为12V,如果再小,由于电阻R的分压作用,负载RL上的电压就会低于10V,而导致系统停止工作。

(责任编辑:admin)
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