稳压二极管的工作原理与应用

稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。

1.3.1.1　稳压管的伏安特性

稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其代表符号如图1.3.1（a）所示。这种管子的杂质浓度比较高，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，特性如图1.3.1（b）所示。

图1.3.1　稳压管的代表符号与I-U特性

图中的UZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，它是在特定的测试电流IZT下得到的电压值。稳压管的稳压作用在于，电流增量ZIΔ很大，只引起很小的电压变化ΔUZ。曲线越陡，动态电阻rZ= ΔUZ/ΔIZ越小，稳压管的稳压性能越好。IZ(min)和IZ(max)为稳压管工作在正常稳压状态的最小和最大工作电流。反向电流小于IZ(min)时，稳压管进入反向特性的转弯段，稳压特性消失；反向电流大于IZ(max)时，稳压管可能被烧毁。根据稳压管的反向击穿特性，得到如图1.3.1（c）所示的等效模型。由于稳压管正常工作时都处于反向击穿状态，所以图1.3.1（c）中稳压管的电压、电流参考方向与普通二极管标法不同。由图1.3.1（c）可知，一般稳压值UZ较大时，可以忽略rZ的影响，即rZ= 0，UZ为恒定值。

1.3.1.2　稳压管的主要参数

1.稳定电压UZ

UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管的UZ存在一定差别。例如，型号为2CW11的稳压管的稳定电压为3.2～4.5 V。但就某一只管子而言，UZ应为确定值。

2.稳定电流IZ

IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压，故也常将IZ记作IZ(min)。

3.额定功耗PZM

PZM等于稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积。

稳压管的功耗超过此值时，会因结温升过高而损坏。对于一只具体的稳压管，可以通过其PZM的值，求出IZM的值。只要不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。

4.动态电阻rZ

rZ是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比，即rZ= ΔUZ/ΔIZ。rZ愈小，电流变化时UZ的变化愈小，即稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，rZ将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子，工作电流愈大，rZ愈小。

5.温度系数α

α表示温度每变化1°C稳压值的变化量，即α = ΔUZ/ΔT。稳定电压小于4 V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7 V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升；而稳定电压为4～7 V的管子，温度系数非常小，近似为零（齐纳击穿和雪崩击穿均有）。

由于温度对半导体导电性能有影响，所以温度也将影响UZ的值。影响程度由温度系数衡量，一般不超过±10×10-4V/°C的范围。

1.3.1.3　举例

稳压管在直流稳压电源中获得广泛应用。图1.3.2为一简单稳压电路，UI为待稳定的直流电源电压，一般是由整流滤波电路提供。DZ为稳压管，R为限流电阻，它的作用是将稳压管的工作电流限定在合适的范围内（IZ(min)＜ IZ＜ IZ(max)）。负载R与稳压管两端并联，因而称为并联式稳压电路。当电源电压UI产生波动或负载电阻R在一定范围内发生变化时，由于稳压管的稳压作用，负载上的电压UO将基本保持不变，从而达到稳压目的。(www.xing528.com)

图1.3.2

图1.3.3　例1.3.1的电路

例1.3.1　设计一稳压管稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为9 V，音量最大时需供给的功率为0.5 W。汽车上的供电电源在12～13.6 V之间波动。要求选用合适的稳压管（IZ(min)，IZ(max)、UZ、PZM）以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。

解：依题意，稳压电路如图1.3.3所示，UL= UZ，由于负载所消耗的功率PL= ULIL，所以负载电流的最大值

选取限流电阻R时，必须保证稳压管工作在反向击穿状态。R太大可能使IZ太小，无法使稳压管反向击穿；R太小可能使IZ太大，烧毁稳压管。所以，在保证稳压管可靠击穿的情况下，尽可能选择较大的R值。根据电路，可得到限流电阻R的关系式

考虑最坏情况，即当输入电压最小UI(min)、负载电流最大IL(max)时，流过稳压管的电流最小。此时R的最大值必须保证稳压管中的电流大于IZ(min)，即

一般稳压管的IZ(min)为几毫安到十几毫安，这里若取IZ(min)= 5 mA，则R的最大值为

R的取值也将直接影响实际工作时流过稳压管的最大电流。当取电阻标称值R = 47 Ω时，还要考虑另一种最坏情况，即输入电压达到最大UI(max)时，负载电流达到最小，也就是负载开路，IL= 0。此时原本流过负载的电流将全部流经稳压管，IZ达到最大值IZ(max)，即

已知收音机需要9 V直流电压，即稳压管的稳压值UZ= 9 V，此时稳压管最大耗散功率为

当UI= UI(max)且为满负荷的情况下，R上所消耗的功率为

综上所述，稳压管的选取应为：稳压值等于9 V，最小电流小于等于5 mA，最大电流大于98 mA，最大耗散功率大于0.882 W。选用2CW107可满足要求。电阻的选取为：阻值等于47 Ω，额定功率大于0.45 W。为安全和可靠起见，限流电阻R选用47Ω、1W的电阻为宜。