穩(wěn)壓二極管電路及其基礎(chǔ)知識(shí)

引言

穩(wěn)壓二極管（Zener Diode）是一種特殊的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于電子電路中，以提供穩(wěn)定的電壓輸出。它在反向擊穿狀態(tài)下能夠維持相對(duì)恒定的電壓，因此被廣泛用于穩(wěn)壓電路、限壓保護(hù)和電源管理系統(tǒng)。本文將深入探討穩(wěn)壓二極管的基礎(chǔ)知識(shí)，包括工作原理、特性參數(shù)、應(yīng)用電路及實(shí)際使用中的注意事項(xiàng)。

一、穩(wěn)壓二極管的基本概念

穩(wěn)壓二極管是一種具有穩(wěn)壓功能的半導(dǎo)體器件，它的主要特點(diǎn)是在反向擊穿狀態(tài)下，電流的變化不會(huì)引起顯著的電壓變化。這一特性使得穩(wěn)壓二極管廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的電壓調(diào)節(jié)和過壓保護(hù)電路中。

穩(wěn)壓二極管的命名源于其主要作用——穩(wěn)壓。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，但摻雜濃度較高，使其在反向電壓達(dá)到一定值時(shí)進(jìn)入擊穿狀態(tài)，并能穩(wěn)定輸出電壓。根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝，穩(wěn)壓二極管的擊穿機(jī)理可分為齊納擊穿和雪崩擊穿。

1. 齊納擊穿（Zener Breakdown）
   齊納擊穿主要發(fā)生在擊穿電壓低于 5V 的穩(wěn)壓二極管中。當(dāng)外加反向電壓較高時(shí)，PN 結(jié)中的電場(chǎng)強(qiáng)度足以使價(jià)帶中的電子隧穿到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電電子。這一過程稱為齊納效應(yīng)，其特點(diǎn)是溫度系數(shù)為負(fù)，即溫度升高時(shí)擊穿電壓降低。

2. 雪崩擊穿（Avalanche Breakdown）
   當(dāng)穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓較高（一般大于 5V）時(shí)，主要發(fā)生雪崩擊穿。此時(shí)，PN 結(jié)內(nèi)的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速，并與晶格原子發(fā)生碰撞，釋放出新的電子-空穴對(duì)，形成連鎖撞擊電離效應(yīng)，導(dǎo)致電流迅速增大。雪崩擊穿的溫度系數(shù)為正，即溫度升高時(shí)擊穿電壓升高。

二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

穩(wěn)壓二極管的性能主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定：

1. 穩(wěn)壓值（Vz）
   穩(wěn)壓二極管在反向擊穿狀態(tài)下的穩(wěn)定電壓，通常在 2V~200V 之間，可根據(jù)不同應(yīng)用需求選擇合適的穩(wěn)壓值。

2. 最大穩(wěn)流（Izmax）
   指穩(wěn)壓二極管在正常工作狀態(tài)下允許通過的最大電流。當(dāng)電流超過最大穩(wěn)流時(shí)，二極管可能會(huì)因過熱而損壞。

3. 最小穩(wěn)流（Izmin）
   使穩(wěn)壓二極管進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)所需的最小電流，若電流低于此值，則穩(wěn)壓效果不穩(wěn)定。

4. 動(dòng)態(tài)電阻（Rz）
   穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻決定了其穩(wěn)壓性能，數(shù)值越小，穩(wěn)壓能力越強(qiáng)。通常，動(dòng)態(tài)電阻在毫歐至幾十歐姆之間。

5. 功率損耗（Pz）
   穩(wěn)壓二極管的功率損耗是其穩(wěn)壓電流與穩(wěn)壓電壓的乘積，即 Pz = Vz × Iz。常見的穩(wěn)壓二極管功率范圍從 200mW 到幾十瓦不等。

6. 溫度系數(shù)（TC）
   反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值隨溫度變化的趨勢(shì)，單位為 %/℃，低壓穩(wěn)壓二極管的溫度系數(shù)通常為負(fù)，高壓穩(wěn)壓二極管則為正。

三、穩(wěn)壓二極管的工作原理

當(dāng)穩(wěn)壓二極管處于正向偏置時(shí)，與普通二極管一樣工作，相應(yīng)的導(dǎo)通電壓約為 0.7V（硅管）或 0.3V（鍺管）。然而，當(dāng)施加反向電壓且達(dá)到穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓時(shí)，二極管會(huì)進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)。

在這一狀態(tài)下，盡管電流發(fā)生變化，但電壓幾乎保持不變，這一特性使得穩(wěn)壓二極管適用于穩(wěn)壓和限壓電路。穩(wěn)壓二極管的核心作用是將輸入電壓波動(dòng)通過消耗多余電流的方式轉(zhuǎn)化為熱量，從而保持輸出電壓穩(wěn)定。

穩(wěn)壓二極管的等效電路可以簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的穩(wěn)壓源并聯(lián)一個(gè)小電阻，當(dāng)外部電流增大時(shí)，二極管內(nèi)部會(huì)消耗更多的功率，但輸出電壓仍然基本恒定。

四、穩(wěn)壓二極管的典型應(yīng)用電路

1. 基本穩(wěn)壓電路

最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路由限流電阻和穩(wěn)壓二極管組成，用于提供穩(wěn)定的直流電壓。

電路組成：

• 限流電阻（R）：用于限制流經(jīng)穩(wěn)壓二極管的電流，防止過載損壞

• 穩(wěn)壓二極管（D）：提供恒定電壓

工作原理：

• 當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，穩(wěn)壓二極管分擔(dān)更多電流，保持輸出電壓穩(wěn)定

• 當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電流減少，但輸出電壓依舊保持恒定

2. 過壓保護(hù)電路

穩(wěn)壓二極管常用于電源電路的過壓保護(hù)。當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定值時(shí)，穩(wěn)壓二極管迅速導(dǎo)通，分流過量電流，保護(hù)后續(xù)電路不受損壞。

應(yīng)用場(chǎng)景：

• 開關(guān)電源中的電壓鉗位

• 電子設(shè)備的雷擊浪涌保護(hù)

• 微控制器的輸入電壓保護(hù)

3. 基準(zhǔn)電壓源

穩(wěn)壓二極管可以作為基準(zhǔn)電壓源，提供精準(zhǔn)的參考電壓，在運(yùn)算放大器電路、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）等電路中具有重要作用。

電路特點(diǎn)：

• 穩(wěn)定的輸出電壓，受溫度影響較小

• 可作為電池供電設(shè)備的低功耗穩(wěn)壓源

4. 電壓調(diào)整電路

通過串聯(lián)或并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，可以調(diào)整電路中的電壓水平。例如，在可調(diào)穩(wěn)壓電路中，結(jié)合可變電阻調(diào)整二極管的工作點(diǎn)，以獲得不同的穩(wěn)壓值。

五、穩(wěn)壓二極管的使用注意事項(xiàng)

1. 合理選擇限流電阻
   限流電阻應(yīng)確保穩(wěn)壓二極管的工作電流在 Izmin 和 Izmax 之間，防止損壞器件。

2. 注意功率散熱
   穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，高功率應(yīng)用場(chǎng)景需要良好的散熱設(shè)計(jì)，如增加散熱片或選用封裝較大的器件。

3. 避免超過最大額定電流
   過載會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓二極管溫度過高，進(jìn)而影響其壽命甚至損壞。

4. 防止瞬態(tài)高壓沖擊
   在電源啟動(dòng)或電流波動(dòng)較大的應(yīng)用場(chǎng)合，可以增加 TVS（瞬態(tài)電壓抑制二極管）或電容以吸收瞬態(tài)過壓。

結(jié)論

穩(wěn)壓二極管是電子電路中不可或缺的元件，其在穩(wěn)壓、過壓保護(hù)、基準(zhǔn)電壓源等方面具有廣泛的應(yīng)用。理解穩(wěn)壓二極管的基本工作原理和電路設(shè)計(jì)原則，有助于工程師更好地應(yīng)用該器件，提高電子產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。