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  • 穩(wěn)壓二極管工作原理、重要參數(shù)意義與典型電路參數(shù)
    • 發(fā)布時間:2020-10-14 17:46:58
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    穩(wěn)壓二極管工作原理、重要參數(shù)意義與典型電路參數(shù)
    (一)穩(wěn)壓二極管工作原理
    穩(wěn)壓二極管的作用:
    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仍然可以長時間穩(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,則它兩端電壓波動的范圍就很小,穩(wěn)壓管正是利用這個特性實現(xiàn)穩(wěn)壓的。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    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)壓值是一個固定的電壓數(shù)值,但實際真實穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓會在一定范圍波動,有些型號的穩(wěn)壓管應(yīng)用手冊中會給出標(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,但也有些手冊中只給出標(biāo)稱穩(wěn)定電壓值。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    圖2所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的穩(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)超過這個值。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    圖3所示是穩(wěn)壓管1N47XXA-G的應(yīng)用手冊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)壓管可以長時間穩(wěn)定工作,并且穩(wěn)壓性能最好時對應(yīng)的工作電流值。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    圖4所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊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)壓管電流小于這個值,會進入反向截止區(qū),在反向截止區(qū)穩(wěn)壓管是沒有穩(wěn)壓功能的。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    圖5所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的最小穩(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,如果超過這個電流,會導(dǎo)致穩(wěn)壓管損壞。有些穩(wěn)壓管的應(yīng)用手冊中并沒有給出最大穩(wěn)定工作電流,這是因為這個參數(shù)可以由標(biāo)稱穩(wěn)定電壓和最大耗散功率兩個參數(shù)得出。
    6,動態(tài)電阻
    穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻等于電壓變化與電流變化的比值。動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓效果越好,這是因為動態(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)定工作電流則動態(tài)電阻越小,越接近最小工作電流則動態(tài)電阻越大。所以穩(wěn)壓管工作電流接近最大穩(wěn)定工作電流時穩(wěn)壓效果才好。
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    圖6所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應(yīng)用手冊中給出的動態(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)一個限流電阻,用來保護穩(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入反向截止區(qū),失去穩(wěn)壓效果。所以說這個限流電阻R即起到保護作用,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:
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    對于圖7中典型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程我們先進行一下定性分析,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,一是輸入端電壓UI的波動,另一個是負載電阻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,但負載電阻RL變小時是如何穩(wěn)壓的。
    由于負載電阻RL變小會直接導(dǎo)致負載通路的電流IR變大,所以流過限流電阻的電流IR會增大,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,這又會引起限流電阻電流減小,所以限流電阻電壓當(dāng)然也會隨之減小,最終導(dǎo)致穩(wěn)壓管電壓又增大,即負載電阻兩端電壓增大。這個過程的核心是穩(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:
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    另外,如果假設(shè)負載電阻不變,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算
    下面我們針對這個典型穩(wěn)壓電路的一組數(shù)據(jù),計算限流電阻的阻值。具體參數(shù)如下:
    電源電壓波動范圍:13~15V
    負載電阻變化范圍: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,過大會導(dǎo)致穩(wěn)壓管電流過大損壞,過小會導(dǎo)致穩(wěn)壓管位于反向截止區(qū)而不能進入穩(wěn)壓工作狀態(tài)。所以這個限流電阻就會存在一個上限值和一個下限值,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和負載電阻變化引起的,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)負載電阻值最大時,負載通路的電流相對最小,而此時電源電壓卻最大,這兩個因素共同作用于穩(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:
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    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候保護主閘門,避免主閘門承受過大的水壓。當(dāng)上游來水量增加時,如果同時主閘門把開口關(guān)到最小,這兩個條件同時發(fā)生時副閘門就會面臨水流最大的極限情況。這里水庫的模型與穩(wěn)壓電路有如下對應(yīng)關(guān)系:
     
    主閘門 --> 負載電阻
    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,我們可以計算出當(dāng)穩(wěn)壓管工作電流最小時,輸入電壓最小,負載電流最大,此時對應(yīng)的限流電阻值最大:
    穩(wěn)壓二極管工作原理
    同理也很容易計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)壓管使用時要串聯(lián)一個限流電阻,用來保護穩(wěn)壓管并設(shè)定其工作電流。
    2, 實際穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值是一個范圍,同一批穩(wěn)壓管的實際穩(wěn)壓值可能會存在差異,但不會和標(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合并不適用,這時可以使用專用的穩(wěn)壓模塊代替。
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