穩(wěn)壓二極管的工作原理

好的電源是一切電路工作的基礎(chǔ)。電源質(zhì)量不過關(guān)的電路，就像得了心臟病的病人。

能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定的電源的裝置，就是穩(wěn)壓電源。我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。

線性電源與開關(guān)電源的區(qū)別

所謂“線性”電源，是與“開關(guān)”電源相對(duì)應(yīng)的。

開關(guān)電源通過控制某個(gè)器件的通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。它的優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，功耗小，穩(wěn)壓范圍寬，效率較高，通常在80%~90%。它的缺點(diǎn)：輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。

線性電源的穩(wěn)壓器件工作在線性狀態(tài)下。它的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓精度小。它的缺點(diǎn)：變換效率較低，尤其是在輸入輸出電壓差較大的情況下。如果輸出電流也較大，會(huì)有明顯的發(fā)熱發(fā)燙現(xiàn)象，甚至可能燒壞調(diào)整管。

穩(wěn)壓二極管的工作原理

穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。

它的正向伏安特性曲線與普通二極管類似。實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常反向接入電路中。當(dāng)穩(wěn)壓管外加反向電壓的數(shù)值大于某個(gè)特定數(shù)值，則擊穿，電流瞬間增大，而電壓幾乎不變。這個(gè)特定數(shù)值稱為反向擊穿電壓。對(duì)于普通二極管來說，反向擊穿以后二極管失去了單向?qū)щ娦?，可以說就壞掉了。但是二極管的反向擊穿是可逆的，當(dāng)去掉反向電壓后，穩(wěn)壓二極管又恢復(fù)正常。但是如果反向電流太大，穩(wěn)壓管會(huì)發(fā)生熱擊穿，被燒壞，這是不可逆的。

圖 穩(wěn)壓管的伏安特性

穩(wěn)壓管的參數(shù)

在規(guī)定電流下，穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓被稱為穩(wěn)定電壓Uz。這是選用穩(wěn)壓管最關(guān)心的參數(shù)。例如SMAJ5.0穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓大約是5V(嚴(yán)格來說，指的是這個(gè)穩(wěn)壓管可以用于5V工作場(chǎng)景，它的反向擊穿電壓略大于5V)。當(dāng)穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流，稱為穩(wěn)定電流。如果電流低于某個(gè)值，穩(wěn)壓管無法工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，這個(gè)最小的穩(wěn)定電流寫作Imin;如果電流大于某個(gè)值，穩(wěn)壓管就會(huì)燒壞，那么這個(gè)最大的穩(wěn)定電流寫作Imax?？梢钥闯鲆?guī)定電流的大小有一個(gè)范圍，通過伏安特性曲線，穩(wěn)定電壓Uz其實(shí)也是一個(gè)范圍。

穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流Imax的乘積是額定功耗。通常額定電壓與器件封裝大小有關(guān)，例如SMAJ5.0穩(wěn)壓管的封裝是SMA，它的額定功耗是1W。這個(gè)穩(wěn)壓管的名字中包含了功耗與穩(wěn)定電壓兩個(gè)信息，可以由此計(jì)算出最大穩(wěn)定電流是200mA。從伏安特性曲線中可以看出，只要不超過穩(wěn)壓管的額定功率，電流越大，穩(wěn)壓效果越好。

使用穩(wěn)壓管作為穩(wěn)壓電源

將電阻與穩(wěn)壓管串聯(lián)，就是一個(gè)簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓與流過穩(wěn)壓管的電流相關(guān)，而改變電阻值的大小，可以改變流過穩(wěn)壓管的電流的大小，也可以微調(diào)穩(wěn)定電壓。并聯(lián)的電容可以吸收穩(wěn)壓二極管的齊納噪聲，以改善穩(wěn)壓二極管的輸出特性。在不帶負(fù)載時(shí)，根據(jù)歐姆定律可以輕松寫出計(jì)算穩(wěn)定電流的公式：

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的實(shí)測(cè)與應(yīng)用

如果接入負(fù)載，則負(fù)載與穩(wěn)壓管形成并聯(lián)，負(fù)載會(huì)流過一定的電流，導(dǎo)致流過穩(wěn)壓管的電流變小，進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)定電壓發(fā)生變化。如果負(fù)載電阻Rl很小，流過負(fù)載的電流很大的話，穩(wěn)壓管甚至不能得到足夠的電流，來工作在穩(wěn)壓的狀態(tài)。所以在負(fù)載不確定的情況下，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效果并不理想。

我實(shí)測(cè)，使用SMAJ5.0穩(wěn)壓管+100Ω限流電阻，空載電壓為5.302V，1K負(fù)載時(shí)電壓為5.296V，100Ω時(shí)電壓為5.082V?？梢钥闯鲐?fù)載阻值變小以后，輸出電壓與輸出電流都變小了。這是因?yàn)樨?fù)載與穩(wěn)壓管是并聯(lián)關(guān)系，負(fù)載阻值變小以后，需要更多的電流，限流電阻中電流變大，那么經(jīng)過限流電阻上的壓降也變大，輸出電壓變小。輸出電壓變小，根據(jù)伏安特性曲線可以看出，穩(wěn)壓電流也變小。

此外，限流電阻通常有一定的功率要求。如果我們?cè)O(shè)置穩(wěn)定電流為70mA，通過公式算出限流電阻取值100Ω;，消耗在限流電阻上的功率有0.49W，所以要選擇功率足夠的電阻。電阻上的功率會(huì)以發(fā)熱的形式白白浪費(fèi)掉。

所以，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如果作為電源，只適合用于電流很小，負(fù)載確定，對(duì)電壓要求精度不高的場(chǎng)合。