穩(wěn)壓二極管工作原理、重要參數(shù)意義和典型電路參數(shù)計(jì)算一次學(xué)會(huì)
(一)穩(wěn)壓二極管工作原理
穩(wěn)壓二極管的作用:
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202303/444897.htm穩(wěn)壓二極管也叫穩(wěn)壓管,它在電路中一般起到穩(wěn)定電壓的作用,也可以為電路提供基準(zhǔn)電壓值。
穩(wěn)壓二極管的工作原理:
穩(wěn)壓二極管使用特殊工藝制造,這種工藝使它在反向擊穿時(shí)仍然可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,不損壞,而工作在反向擊穿狀態(tài)的穩(wěn)壓管只要工作電流保持在一定范圍,則它兩端電壓波動(dòng)的范圍就很小,穩(wěn)壓管正是利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。
圖1是穩(wěn)壓管伏安特性曲線,在正常穩(wěn)壓工作狀態(tài)下,穩(wěn)壓管就工作在圖中AB這段區(qū)間。
(二)穩(wěn)壓二極管重要參數(shù)意義
穩(wěn)壓二極管重要參數(shù):
1, 穩(wěn)定電壓
穩(wěn)定電壓是指標(biāo)稱穩(wěn)定電壓,理想穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值是一個(gè)固定的電壓數(shù)值,但實(shí)際真實(shí)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓會(huì)在一定范圍波動(dòng),有些型號(hào)的穩(wěn)壓管應(yīng)用手冊(cè)中會(huì)給出標(biāo)稱穩(wěn)定電壓值,最小穩(wěn)定電壓值和最大穩(wěn)定電壓值,但也有些手冊(cè)中只給出標(biāo)稱穩(wěn)定電壓值。
圖2所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊(cè)中給出的穩(wěn)定電壓值。
2, 最大耗散功率
最大耗散功率是指可以穩(wěn)定工作的最大功率值,在工作電路中穩(wěn)壓管的功率不應(yīng)超過這個(gè)值。
圖3所示是穩(wěn)壓管1N47XXA-G的應(yīng)用手冊(cè)中給出的最大耗散功率值。
3, 額定工作電流(IZT)
額定工作電流是指穩(wěn)壓管可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,并且穩(wěn)壓性能最好時(shí)對(duì)應(yīng)的工作電流值。
圖4所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊(cè)中給出的額定工作電流。
4, 最小穩(wěn)定工作電流
最小穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最小工作電流,如果穩(wěn)壓管電流小于這個(gè)值,會(huì)進(jìn)入反向截止區(qū),在反向截止區(qū)穩(wěn)壓管是沒有穩(wěn)壓功能的。
圖5所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊(cè)中給出的最小穩(wěn)定工作電流,1毫安。
5, 最大穩(wěn)定工作電流
最大穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最大工作電流,如果超過這個(gè)電流,會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓管損壞。有些穩(wěn)壓管的應(yīng)用手冊(cè)中并沒有給出最大穩(wěn)定工作電流,這是因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)可以由標(biāo)稱穩(wěn)定電壓和最大耗散功率兩個(gè)參數(shù)得出。
6, 動(dòng)態(tài)電阻
穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻等于電壓變化與電流變化的比值。動(dòng)態(tài)電阻越小穩(wěn)壓效果越好,這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)電阻小,則相同電流變化引起的電壓變化就越小,所以電壓就越穩(wěn)定。從穩(wěn)壓管的反向伏安特性可以看出,穩(wěn)壓管的工作電流越接近最大穩(wěn)定工作電流則動(dòng)態(tài)電阻越小,越接近最小工作電流則動(dòng)態(tài)電阻越大。所以穩(wěn)壓管工作電流接近最大穩(wěn)定工作電流時(shí)穩(wěn)壓效果才好。
圖6所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊(cè)中給出的動(dòng)態(tài)電阻。
(三)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓原理的定性分析
穩(wěn)壓管在電路應(yīng)用中一般要串聯(lián)一個(gè)限流電阻,用來保護(hù)穩(wěn)壓管,避免工作電流過大導(dǎo)致?lián)p壞,另外通過選定合理的限流電阻值,也可以避免穩(wěn)壓管工作電流過小而進(jìn)入反向截止區(qū),失去穩(wěn)壓效果。所以說這個(gè)限流電阻R即起到保護(hù)作用,也起到設(shè)定合適工作電流的作用。下圖7是穩(wěn)壓二極管的典型應(yīng)用電路:
對(duì)于圖7中典型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程我們先進(jìn)行一下定性分析,從圖中我們?nèi)菀卓闯?,在限流電阻值固定的情況下,能影響到穩(wěn)壓管工作電流的因素有兩個(gè),一是輸入端電壓UI的波動(dòng),另一個(gè)是負(fù)載電阻RL大小的變化?,F(xiàn)在我們假設(shè)一種情況:即輸入電壓UI不變,但負(fù)載電阻RL變小時(shí)是如何穩(wěn)壓的。
由于負(fù)載電阻RL變小會(huì)直接導(dǎo)致負(fù)載通路的電流IR變大,所以流過限流電阻的電流IR會(huì)增大,導(dǎo)致限流電阻壓降增大,所以穩(wěn)壓管兩端電壓(即負(fù)載電阻兩端電壓UO)變小,導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流IDZ減小,這又會(huì)引起限流電阻電流減小,所以限流電阻電壓當(dāng)然也會(huì)隨之減小,最終導(dǎo)致穩(wěn)壓管電壓又增大,即負(fù)載電阻兩端電壓增大。這個(gè)過程的核心是穩(wěn)壓管端電壓變小導(dǎo)致穩(wěn)壓電流減小,從而把穩(wěn)壓管兩端電壓又重新推高。具體變化過程如下圖8所示:
另外,如果假設(shè)負(fù)載電阻不變,而輸入電壓增大或減小,則穩(wěn)壓過程的推導(dǎo)與上述類似,這里就不再贅述了。
(四)穩(wěn)壓二極管典型電路限流電阻計(jì)算
下面我們針對(duì)這個(gè)典型穩(wěn)壓電路的一組數(shù)據(jù),計(jì)算限流電阻的阻值。具體參數(shù)如下:
電源電壓波動(dòng)范圍:13~15V
負(fù)載電阻變化范圍:300~500Ω
穩(wěn)壓管工作電流范圍:5~40ma
穩(wěn)壓管工作電壓:6V
對(duì)于限流電阻的阻值我們首先要知道,它即不能過大,也不能過小,過大會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流過大損壞,過小會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓管位于反向截止區(qū)而不能進(jìn)入穩(wěn)壓工作狀態(tài)。所以這個(gè)限流電阻就會(huì)存在一個(gè)上限值和一個(gè)下限值,導(dǎo)致穩(wěn)壓管分別工作于最小和最大電流兩種極限狀態(tài),這兩種狀態(tài)是由于電源電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化引起的,所以根據(jù)之前的定性分析,我們可以比較容易的分析出這兩種狀態(tài)的情況,如下表所示:
可以看到,在情況2的狀態(tài)下,當(dāng)負(fù)載電阻值最大時(shí),負(fù)載通路的電流相對(duì)最小,而此時(shí)電源電壓卻最大,這兩個(gè)因素共同作用于穩(wěn)壓管上,導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流最大。這種情況就類似于下圖9中所示的水庫泄洪情況:
圖9中副閘門的作用是配合主閘門控制水位并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候保護(hù)主閘門,避免主閘門承受過大的水壓。當(dāng)上游來水量增加時(shí),如果同時(shí)主閘門把開口關(guān)到最小,這兩個(gè)條件同時(shí)發(fā)生時(shí)副閘門就會(huì)面臨水流最大的極限情況。這里水庫的模型與穩(wěn)壓電路有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:
主閘門 --> 負(fù)載電阻
副閘門 --> 穩(wěn)壓管
上游水量增加 --> 電源電壓增加
主閘門開口關(guān)小 --> 負(fù)載電阻增加
副閘門水量最大 --> 穩(wěn)壓管電流最大
從上述關(guān)系中,我們可以計(jì)算出當(dāng)穩(wěn)壓管工作電流最小時(shí),輸入電壓最小,負(fù)載電流最大,此時(shí)對(duì)應(yīng)的限流電阻值最大:
同理也很容易計(jì)算出限流電阻最小值為180Ω,我們可以取中間值220Ω的電阻(標(biāo)準(zhǔn)阻值中沒有230Ω的電阻)。
(五)總結(jié)
穩(wěn)壓管在使用中要注意以下問題:
1, 穩(wěn)壓管使用時(shí)要串聯(lián)一個(gè)限流電阻,用來保護(hù)穩(wěn)壓管并設(shè)定其工作電流。
2, 實(shí)際穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值是一個(gè)范圍,同一批穩(wěn)壓管的實(shí)際穩(wěn)壓值可能會(huì)存在差異,但不會(huì)和標(biāo)稱穩(wěn)壓值差太多。
3, 穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用,串聯(lián)有四種不同接法,不同接法的穩(wěn)壓數(shù)值也各不相同。一般不并聯(lián)使用。
4, 為了使穩(wěn)壓效果更穩(wěn)定,需要使穩(wěn)壓管工作在中度偏深的擊穿狀態(tài),所以輸入的電壓值最好是2到3倍的穩(wěn)定電壓值,即Uin=2~3(UZD
),比如如果要使電壓穩(wěn)定在12伏,而輸入電壓是18伏,雖然可以穩(wěn)壓,但是穩(wěn)壓管處在淺度擊穿狀態(tài),穩(wěn)壓效果并不好。
5, 穩(wěn)壓管工作狀態(tài)電流值不高,比如上述的1N47XXA系列最高也不到100ma,所以不適用于大功率的場(chǎng)合。
6, 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓有一定范圍,在要求高精度電壓的場(chǎng)合并不適用,這時(shí)可以使用專用的穩(wěn)壓模塊代替。
評(píng)論