穩(wěn)壓二極管的I-V特性曲線可以看出，只要穩(wěn)壓二極管電流保持在擊穿電流IZ(min)和最大額定電流IZ(max)之間，則穩(wěn)壓二極管無論流過二極管的電流大小，其反向偏置特性中有一個(gè)幾乎為恒負(fù)電壓的區(qū)域，即使電流變化較大，穩(wěn)壓二極管的反向偏置特性也幾乎保持恒定不變。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器工作原理是為與其并聯(lián)連接的負(fù)載提供恒定的輸出電壓，盡管電源電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化，穩(wěn)壓二極管將繼續(xù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。
半導(dǎo)體二極管阻止反向電流，但如果施加的反向電壓變得太高，則會(huì)遭受過早擊穿或損壞。
穩(wěn)壓二極管或“擊穿二極管”(有時(shí)也稱為齊納二極管)基本上與標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)二極管相同，但是它們被特別設(shè)計(jì)成具有利用施加到其上的任何反向電壓的低且規(guī)定的反向擊穿電壓。
穩(wěn)壓二極管的性能就像由硅PN結(jié)組成的普通通用二極管，并且當(dāng)在正向偏置時(shí)，也就是陽極相對(duì)于陰極為正時(shí)，穩(wěn)壓二極管的性能就像通過額定電流的普通信號(hào)二極管。
然而，與傳統(tǒng)二極管不同的是，當(dāng)反向偏置時(shí)，二極管會(huì)阻止任何電流通過自身，也就是陰極變得比陽極更正極，一旦反向電壓達(dá)到預(yù)先確定的值，穩(wěn)壓二極管就開始反向?qū)щ姟?/div>
這是因?yàn)楫?dāng)施加在穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓超過器件的額定電壓時(shí)，半導(dǎo)體損耗層就會(huì)發(fā)生一種稱為雪崩擊穿的過程，并且電流開始流過二極管以限制電壓的增加。
那么，如果流經(jīng)穩(wěn)壓二極管的電流急劇增加，達(dá)到最大的電路值(通常由串聯(lián)電阻限制)，一旦達(dá)到，這種反向飽和電流在大范圍的反向電壓下保持相當(dāng)恒定。穩(wěn)壓二極管上電壓穩(wěn)定的電壓點(diǎn)稱為“齊納電壓”(Vz)，對(duì)于穩(wěn)壓二極管來說，這個(gè)電壓范圍可以從不到1伏特到幾百伏特不等。
在二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的摻雜階段，可以非常精確地控制齊納電壓觸發(fā)電流流過二極管的點(diǎn)(誤差小于1%)，從而使二極管具有特定的齊納擊穿電壓(Vz)，例如4.3V或7.5V。這個(gè)齊納擊穿電壓在I-V曲線上幾乎是一條垂直直線。
穩(wěn)壓二極管IV特性
穩(wěn)壓二極管I-V特性
穩(wěn)壓二極管用于其“反向偏壓”或反向擊穿模式，即二極管陽極連接到負(fù)極電源。從上面的I-V特性曲線可以看出，只要穩(wěn)壓二極管電流保持在擊穿電流IZ(min)和最大額定電流IZ(max)之間，則穩(wěn)壓二極管無論流過二極管的電流大小，其反向偏置特性中有一個(gè)幾乎為恒負(fù)電壓的區(qū)域，即使電流變化較大，穩(wěn)壓二極管的反向偏置特性也幾乎保持恒定不變。
這種自我控制的能力可以用來調(diào)節(jié)或穩(wěn)定電壓源對(duì)供應(yīng)或負(fù)載變化的巨大影響。二極管擊穿區(qū)域的電壓幾乎是恒定的這一事實(shí)被證明是齊納二極管的一個(gè)重要特性，因?yàn)樗梢杂糜谧詈唵晤愋偷恼{(diào)壓器應(yīng)用中。
調(diào)節(jié)器的功能是為與其并聯(lián)連接的負(fù)載提供恒定的輸出電壓，盡管電源電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化，穩(wěn)壓二極管將繼續(xù)調(diào)節(jié)電壓直到二極管電流低于反向擊穿區(qū)域中的最小I Z（min）值。
穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器工作原理
穩(wěn)壓二極管可用于在變化的負(fù)載電流條件下產(chǎn)生穩(wěn)定的低紋波電壓輸出。通過從電壓源通過二極管的小電流，通過合適的限流電阻(RS)，穩(wěn)壓二極管將傳導(dǎo)足夠的電流來維持電壓降Vout。
半波或全波整流器的直流輸出電壓包含疊加在直流電壓上的波紋，并且隨著負(fù)載值的變化，平均輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化。通過在整流器的輸出端連接一個(gè)簡單的齊納穩(wěn)壓器電路(如下圖所示)，可以產(chǎn)生一個(gè)更穩(wěn)定的輸出電壓。
穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器電路
電阻器RS與穩(wěn)壓二極管串聯(lián)，以限制流過穩(wěn)壓二極管的電流，電壓源VS連接在組合上。穩(wěn)定的輸出電壓Vout取自穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管與其陰極端子相連，陰極端子與直流電源的正極軌道相連，因此穩(wěn)壓二極管被反向偏置并將在其擊穿狀態(tài)下工作。選擇電阻器RS是為了限制電路中流動(dòng)的最大電流。
在沒有負(fù)載連接到電路的情況下，負(fù)載電流將為零(IL = 0)，并且所有的電路電流通過穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓二極管則耗散其最大功率。當(dāng)負(fù)載電阻RL連接時(shí)，串聯(lián)電阻RS值越小，二極管的電流越大，而串聯(lián)電阻r值越大，則會(huì)增加二極管的功耗要求，因此在選擇合適的串聯(lián)電阻值時(shí)必須謹(jǐn)慎，以免在這種空載或高阻抗的情況下超過穩(wěn)壓器的最大額定功率。
負(fù)載與穩(wěn)壓二極管并聯(lián)連接，因此R L兩端的電壓始終與穩(wěn)壓電壓相同（ V R = V Z ）。存在最小穩(wěn)壓電流，對(duì)于該穩(wěn)壓電流，電壓的穩(wěn)定是有效的，并且穩(wěn)壓電流必須始終保持高于在其擊穿區(qū)域內(nèi)在負(fù)載下操作的這個(gè)值。電流的上限當(dāng)然取決于設(shè)備的額定功率。電源電壓Vs必須大于VZ。
穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的一個(gè)小問題是，當(dāng)穩(wěn)壓二極管試圖穩(wěn)壓時(shí)，有時(shí)會(huì)在直流電源上產(chǎn)生電子噪聲。通常，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說這不是問題，但可能需要在穩(wěn)壓二極管輸出端添加一個(gè)大值去耦電容，以提供額外的平滑效果。
然后總結(jié)一下，穩(wěn)壓二極管始終在反向偏置條件下工作。可以使用穩(wěn)壓二極管設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器電路，以在輸入電壓變化或負(fù)載電流變化的情況下在負(fù)載兩端保持恒定的DC輸出電壓。齊納電壓調(diào)節(jié)器包括與輸入電壓V S串聯(lián)連接的限流電阻器R S，穩(wěn)壓二極管在該反向偏置狀態(tài)下與負(fù)載R L并聯(lián)連接。穩(wěn)定的輸出電壓總是選擇為與二極管的擊穿電壓V Z相同。
穩(wěn)壓二極管示例No1
需要從12V DC電源輸入源生產(chǎn)5.0V穩(wěn)定電源。穩(wěn)壓二極管的最大額定功率P Z為2W。使用上面的齊納穩(wěn)壓器電路計(jì)算：
A）. 流過穩(wěn)壓二極管的最大電流。
穩(wěn)壓二極管電流計(jì)算公式
B）. 串聯(lián)電阻的最小值R S.
穩(wěn)壓二極管串聯(lián)電阻計(jì)算公式
C）. 如果1kΩ的負(fù)載電阻連接在穩(wěn)壓二極管上，則負(fù)載電流I L.
穩(wěn)壓二極管負(fù)載電流計(jì)算公式
D）. 滿載時(shí)的穩(wěn)壓電流I Z.
滿載穩(wěn)壓電流計(jì)算公式
穩(wěn)壓電流
穩(wěn)壓二極管電壓
除了產(chǎn)生單個(gè)穩(wěn)定電壓輸出外，穩(wěn)壓二極管還可以與普通硅信號(hào)二極管串聯(lián)在一起，以產(chǎn)生各種不同的參考電壓輸出值，如下所示。
穩(wěn)壓二極管串聯(lián)連接
穩(wěn)壓二極管參考電壓
可以選擇各個(gè)穩(wěn)壓二極管的值以適合應(yīng)用，而硅二極管在正向偏置條件下總是下降約0.6-0.7伏。電源電壓V > IN當(dāng)然必須高于最大輸出參考電壓，在上面的示例中，這是19v。
用于一般電子電路的典型穩(wěn)壓二極管是500mW，BZX55系列或更大的1.3W，BZX85系列是齊納電壓，例如，用于7.5V二極管的C7V5，給出二極管參考數(shù)字BZX55C7V5。
500mW系列穩(wěn)壓二極管的電壓范圍約為2.4至100伏，通常具有與5％（E24）電阻系列相同的數(shù)值序列，這些小型但非常有用的二極管具有單獨(dú)的額定電壓。下表。
穩(wěn)壓二極管標(biāo)準(zhǔn)齊納電壓
穩(wěn)壓二極管標(biāo)準(zhǔn)電壓表
穩(wěn)壓二極管鉗位電路
到目前為止，我們已經(jīng)研究了如何使用穩(wěn)壓二極管來調(diào)節(jié)恒定的直流電源，但是如果輸入信號(hào)不是穩(wěn)態(tài)直流而是交流波形，那么穩(wěn)壓二極管如何對(duì)不斷變化的信號(hào)作出反應(yīng)。
二極管限幅和箝位電路是用于對(duì)輸入AC波形（或任何正弦波）進(jìn)行整形或修改的電路，其根據(jù)電路布置產(chǎn)生不同形狀的輸出波形。二極管限幅器電路也稱為限幅器，因?yàn)樗鼈兿拗苹蚯袛噍斎虢涣餍盘?hào)的正(或負(fù))部分。由于穩(wěn)壓鉗位電路限制或切斷電路中波形的一部分，它們主要用于電路保護(hù)或波形整形電路中。
例如，如果我們想在+7.5V時(shí)對(duì)輸出波形進(jìn)行削波，我們將使用7.5V穩(wěn)壓二極管。如果輸出波形試圖超過7.5V的限制，則穩(wěn)壓二極管將“切斷”來自輸入端的多余電壓，產(chǎn)生一個(gè)平頂?shù)牟ㄐ危匀槐３州敵龊愣ㄔ?7.5V的波形。注意，在正向偏置條件下，穩(wěn)壓二極管仍然是二極管，當(dāng)交流波形輸出低于-0.7V時(shí)，穩(wěn)壓二極管會(huì)像普通硅二極管一樣“打開”，并將輸出保持在-0.7V的波形，如下圖所示。
方波信號(hào)
穩(wěn)壓二極管方波信號(hào)
背靠背連接的穩(wěn)壓二極管可以用作交流調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生被戲稱為“窮人的方波發(fā)生器”的東西。使用這種配置，我們可以在7.5V穩(wěn)壓二極管的正值+ 8.2V和負(fù)值-8.2V之間剪切波形。
因此，例如，如果我們想要在兩個(gè)不同的最小值和最大值（+ 8V和-6V）之間剪切輸出波形，我們只需使用兩個(gè)不同額定值的穩(wěn)壓二極管。請(qǐng)注意，由于增加了正向偏置二極管電壓，輸出實(shí)際上會(huì)將交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之間。
換句話說，峰值到峰值電壓為15.4伏而不是預(yù)期的14伏，因?yàn)槎O管上的正向偏置電壓降在每個(gè)方向上再增加0.7伏。
這種類型的限幅器配置對(duì)于保護(hù)電子電路免受過電壓是相當(dāng)普遍的。兩個(gè)穩(wěn)壓二極管通常放置在電源輸入端子上，在正常工作期間，其中一個(gè)穩(wěn)壓二極管“關(guān)閉”，二極管幾乎沒有影響。但是，如果輸入電壓波形超過其極限，則穩(wěn)壓二極管變?yōu)?ldquo;ON”并鉗位輸入以保護(hù)電路。
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