稳压电源设计的储备知识——稳压二极管

稳压二极管伏安特性曲线
稳压二极管伏安特性曲线

稳压二极管

稳压二极管又称齐纳二极管(Zener Diode),齐纳二极管是一种特殊类型的二极管,设计用于在达到某个设定的反向电压(称为齐纳电压)时可靠地允许电流“反向”流动(反转极性)。稳压二极管是反向接在电路中的,工作时处于反向击穿状态。

下图的稳压二极管的反向伏安特性表明,在反向击穿状态下,很微小的电压变化就会引起很大的电流变化,或者说很大的电流变化只会引起很微小的电压变化。

稳压二极管伏安特性曲线

稳压二极管的主要参数

稳定电压Uz: 指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值;

稳定电流Iz:稳压管达到稳定工作状态(产生稳定电压)时通过管子的电流值,低于此值时,稳压管虽然也能稳压,但稳压效果会变差;高于此值时,只要不超过额定功率损耗,也是允许的,而且稳压性能会好一些,但要多消耗电能;

额定功耗Pz:由芯片允许温升决定,其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积;

动态电阻Rz:指稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值。该比值随工作电流的不同而改变,一般是工作电流愈大,动态电阻愈小;

温度系数α:如果稳压管的温度变化,它的稳定电压也会发生微小变化,温度变化1℃所引起管子两端电压的相对变化量即是温度系数(单位:%/℃)。一般说来稳压值低于6V属于齐纳击穿,温度系数是负的;高于6V的属雪崩击穿,温度系数是正的。

α=[(ΔUz/Uz)/ΔT]x100%

当Uz<6V时,α<0,为齐纳击穿,呈现负温度系数

当Uz>6V时,α>0,为雪崩击穿,呈现正温度系数

 

稳压管工作原理分析举例

如下图所示是同一稳压管在不同输入电压下输出同一(稳定)电压的仿真图

稳压管工作原理分析

仿真图

将上图一般化,得

稳压管工作原理

对上图电路图进行稳压原理分析

由基尔霍夫定律得,

IR=Iz+IRL

Uo=UI-IRR

假设负载RL不变,当输入电压UI变大时,Uo随之增大,同时稳压二极管两端的电压也同时增大,由于稳压管的电流Iz会随着两端电压的变化发生急剧变化,Iz的急剧变化(这里是增大)又会使IR变大,反过来使Uo又变小了,这就是二极管的稳压过程。

稳压管稳压原理过程分析

 

同理,假设输入UI不变,当负载RL变小时,Uo随之变小,同时稳压二极管两端的电压也同时变小,由于稳压管的电流Iz会随着两端电压的变化发生急剧变化,Iz的急剧变化(这里是变小)会使IR变小,反过来使Uo又变大了。

二极管限流电阻阻值的确定

普通二极管限流电阻阻值的确定

普通二极管限流电阻阻值的确定

步骤:

  1. 设定二极管的工作电压,如普通硅管7V,发光二极管在2V左右;
  2. 确定工作电流,如1mA
  3. 根据欧姆定律即可求得限流电阻阻值R=(Ui-Uv)/I

稳压二极管限流电阻阻值的确定

稳压二极管限流电阻阻值的确定

步骤:

  1. 确定稳压管的稳压值Uz
  2. 查看数据表获得稳压管工作状态下能承受的最大电流Izmax;
  3. 根据欧姆定律即可求得限流电阻R=(Ui-Uz)/Izmax

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