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穩壓二極體(又叫齊納二極體)是一種硅材料製成的面接觸型晶體二極體,簡稱穩壓管。此二極體是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓管在反向擊穿時,在一定的電流範圍內(或者說在一定功率損耗範圍內),端電壓幾乎不變,表現出穩壓特性,因而廣泛應用於穩壓電源與限幅電路之中。穩壓二極體是根據擊穿電壓來分檔的。

1 穩壓管 -參數

穩壓管穩壓管

穩壓管的主要參數:

(1)穩定電壓Vz:穩定電壓就是穩壓二極體在正常工作時,管子兩端的電壓值。這個數值隨工作電流和溫度的不同略有改變,既是同一型號的穩壓二極體,穩定電壓值也有一定的分散性,例如2CW14硅穩壓二極體的穩定電壓為6~7.5V。

(2)耗散功率PM:反向電流通過穩壓二極體的PN結時,要產生一定的功率損耗,PN結的溫度也將升高。根據允許的PN結工作溫度決定出管子的耗散功率。通常小功率管約為幾百毫瓦至幾瓦。

最大耗散功率PZM:是穩壓管的最大功率損耗取決於PN結的面積和散熱等條件。反向工作時,PN結的功率損耗為:PZ=VZ*IZ,由PZM和VZ可以決定IZmax。

(3)穩定電流IZ、最小穩定電流IZmin、大穩定電流IZmax穩定電流:工作電壓等於穩定電壓時的反向電流;最小穩定電流:穩壓二極體工作於穩定電壓時所需的最小反向電流;最大穩定電流:穩壓二極體允許通過的最大反向電流。

(4)動態電阻rZ:其概念與一般二極體的動態電阻相同,只不過穩壓二極體的動態電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小,反映穩壓管的擊穿特性愈陡。

rz=△VZ/△IZ

(5)穩定電壓溫度係數:溫度的變化將使VZ改變,在穩壓管中,當|VZ|>7V時,VZ具有正溫度係數,反向擊穿是雪崩擊穿。

當|VZ|<4V時,VZ具有負溫度係數,反向擊穿是齊納擊穿。

當4V<|VZ|<7V時,穩壓管可以獲得接近零的溫度係數。這樣的穩壓二極體可以作為標準穩壓管使用。

2 穩壓管 -工作原理

穩壓管穩壓管

穩壓管也是一種晶體二極體,它是利用PN結的擊穿區具有穩定電壓的特性來工作的。穩壓管在穩壓設備和一些電子電路中獲得廣泛的應用。把這種類型的二極體稱為穩壓管,以區別用在整流、檢波和其他單嚮導電場合的二極體。穩壓二極體的特點就是擊穿后,其兩端的電壓基本保持不變。這樣,當把穩壓管接入電路以後,若由於電源電壓發生波動,或其它原因造成電路中各點電壓變動時,負載兩端的電壓將基本保持不變。如圖畫出了穩壓管的伏安特性及其符號。穩壓管反向擊穿后,電流雖然在很大範圍內變化,但穩壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性,穩壓管在電路中能起穩壓作用。因為這種特性,穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。其伏安特性見穩壓二極體可以串聯起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯就可獲得更多的穩定電壓。

3 穩壓管 -參數含義

穩壓管穩壓管
(1)Vz--穩定電壓。 指穩壓管通過額定電流時兩端產生的穩定電壓值。該值隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由於製造工藝的差別,同一型號穩壓管的穩壓值也不完全一致。例如,2CW51型穩壓管的Vzmin為3.0V,Vzmax則為3.6V。

(2)Iz—穩定電流。指穩壓管產生穩定電壓時通過該管的電流值。低於此值時,穩壓管雖並非不能穩壓,但穩壓效果會變差;高於此值時,只要不超過額定功率損耗,也是允許的,而且穩壓性能會好一些,但要多消耗電能。最大穩定工作電流取決於最大耗散功率,即Pzmax=Vz*Izmax。而Izmin對應Vzmin。

(3)Rz—動態電阻。指穩壓管兩端電壓變化與電流變化的比值。該比值隨工作電流的不同而改變,一般是工作電流愈大,動態電阻則愈小。例如,2CW7C穩壓管的工作電流為5mA時,Rz為18Ω;工作電流為1OmA時,Rz為8Ω;為20mA時,Rz為2Ω。Rz=DVz/DIz,Rz愈小,反映穩壓管的擊穿特性愈陡。

(4)Pz—額定功耗。由晶元允許溫升決定,其數值為穩定電壓Vz和允許最大電流Izm的乘積。例如2CW51穩壓管的Vz為3V,Izm為20mA,則該管的Pz為60mW.

(5)Ctv—電壓溫度係數。是說明穩定電壓值受溫度影響的參數。例如2CW58穩壓管的Ctv是+0.07%/°C,即溫度每升高1°C,其穩壓值將升高0.07%。

(6)IR—反向漏電流。指穩壓二極體在規定的反向電壓下產生的漏電流。例如2CW58穩壓管的VR=1V時,IR=O.1uA;在VR=6V時,IR=10uA。

4 穩壓管 -檢驗方法

穩壓管穩壓二極體測試儀
(1)正、負電極的判別從外形上看,金屬封裝穩壓二極體管體的正極一端為平面形,負極一端為半圓面形。塑封穩壓二極體管體上印有彩色標記的一端為負極,另一端為正極。對標誌不清楚的穩壓二極體,也可以用萬用表判別其極性,測量的方法與普通二極體相同,即用萬用表R×1k檔,將兩表筆分別接穩壓二極體的兩個電極,測出一個結果后,再對調兩表筆進行測量。在兩次測量結果中,阻值較小那一次,黑表筆接的是穩壓二極體的正極,紅表筆接的是穩壓二極體的負極。

若測得穩壓二極體的正、反向電阻均很小或均為無窮大,則說明該二極體已擊穿或開路損壞。

(2)穩壓值的測量用0~30V連續可調直流電源,對於13V以下的穩壓二極體,可將穩壓電源的輸出電壓調至15V,將電源正極串接1隻1.5kΩ限流電阻后與被測穩壓二極體的負極相連接,電源負極與穩壓二極體的正極相接,再用萬用表測量穩壓二極體兩端的電壓值,所測的讀數即為穩壓二極體的穩壓值。若穩壓二極體的穩壓值高於15V,則應將穩壓電源調至20V以上。

也可用低於1000V的兆歐表為穩壓二極體提供測試電源。其方法是:將兆歐表正端與穩壓二極體的負極相接,兆歐表的負端與穩壓二極體的正極相接后,按規定勻速搖動兆歐表手柄,同時用萬用表監測穩壓二極體兩端電壓值(萬用表的電壓檔應視穩定電壓值的大小而定),待萬用表的指示電壓指示穩定時,此電壓值便是穩壓二極體的穩定電壓值。

若測量穩壓二極體的穩定電壓值忽高忽低,則說明該二極體的性不穩定。

5 穩壓管 -伏安特性

穩壓管伏安特性示意圖
穩壓管的主要參數如下:

(1)穩定電壓UzUz就是PN結的擊穿電壓,它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。對於同一型號的穩壓管來說,穩壓值有一定的離散性。

(2)穩定電流Iz穩壓管工作時的參考電流值。它通常有一定的範圍,即Izmin——Izmax

(3)動態電阻rz它是穩壓管兩端電壓變化與電流變化的比值,如上圖所示,即這個數值隨工作電流的不同而改變。通常工作電流越大,動態電阻越小,穩壓性能越好。

穩壓管伏安特性示意圖

下圖示出了穩壓管工作時的動態等效電路,圖中二極體為理想二極體。

v的穩壓管,其穩定電壓的溫度係數為正值;介於4V和6V之間的,可能為正,也可能為負。在要求高的場合,可以用兩個溫度係數相反的管子串聯進行補償(如2DW7)。

(5)額定功耗Pz前已指出,工作電流越大,動態電阻越小,穩壓性能越好,但是最大工作電流受到額定功耗Pz的限制,超過P2將會使穩壓管損壞。

選擇穩壓管時應注意:流過穩壓管的電流Iz不能過大,應使Iz≤Izmax,否則會超過穩壓管的允許功耗,Iz也不能太小,應使Iz≥Izmin,否則不能穩定輸出電壓,這樣使輸入電壓和負載電流的變化範圍都受到一定限制。

(4)電壓溫度係數它是用來說明穩定電壓值受溫度變化影響的係數。不同型號的穩壓管有不同的穩定電壓的溫度係數,且有正負之分。穩壓值低於4v的穩壓管,穩定電壓的溫度係數為負值;穩壓值高於6

6 穩壓管 -主要類別

穩壓管穩壓管
穩壓管分低壓、高壓兩種。低壓穩壓管的Vz值一般在40V以下,高壓穩壓管最高可達200V。過去國產穩壓管均採用金屬殼封裝,不僅體積大,而且價格高。近年來來全系列玻封存穩壓管大量問世,其優點是規格齊全(Vz=2.4~200V)、穩壓特性好、體積小巧(採用DO-35封裝,管徑φ2.0mm,長4mm)、價格低廉。

半導體穩壓二極體亦納二極體(ZenerDiode)或電壓調整二極,簡稱穩壓管。穩壓管和半導體二極體都具有單嚮導電性質,僅僅靠觀察外形,有時很難加以區別。例如,2CW7的外形很象小功率二極體,而2DW7的外形又與晶體管相似。動態電阻也比較大。對於穩壓管,當反向電壓超過其工作電壓Vz(亦稱齊納電壓或穩定電壓)時,反向電流將突然增大,而器件兩端的電壓基本保持恆定。對應的反向伏安特性曲線非常陡,動態電阻很小。穩壓管可用作穩壓器、電壓基準、過壓保護、電平轉換器等。本書用Dz符號表示穩壓管。

7 穩壓管 -和二極體區別

穩壓管二極體

第一,二極體一般在正向電壓下人作,穩壓管則在反向擊穿狀態下工作,二者用法不同;

第二,普通二極體的反向擊穿電壓一般在40V以上,高的可達幾百伏至上千伏,而且在伏安特性曲線反向擊穿的一段不陡,即反向擊穿電壓的範圍較大,動態電阻也比較大。對於穩壓管,當反向電壓超過其工作電壓Vz(亦稱齊納電壓或穩定電壓)時,反向電流將突然增大,而器件兩端的電壓基本保持恆定。對應的反向伏安特性曲線非常陡,動態電阻很小。穩壓管可用作穩壓器、電壓基準、過壓保護、電平轉換器等。本書用Dz符號表示穩壓管。
穩壓管分低壓、高壓兩種。低壓穩壓管的Vz值一般在40V以下,高壓穩壓管最高可達200V。過去國產穩壓管均採用金屬殼封裝,不僅體積大,而且價格高。近年來來全系列玻封存穩壓管大量問世,其優點是規格齊全(Vz=2.4~200V)、穩壓特性好、體積小巧(採用DO-35封裝,管徑φ2.0mm,長4mm)、價格低廉。

8 穩壓管 -產品選用

穩壓管穩壓二極體
穩壓二極體的選用:穩壓二極體一般用在穩壓電源中作為基準電壓源或用在過電壓保護電路中作為保護二極體。

選用的穩壓二極體,應滿足應用電路中主要參數的要求。穩壓二極體的穩定電壓值應與應用電路的基準電壓值相同,穩壓二極體的最大穩定電流應高於應用電路的最大負載電流50%左右。

穩壓二極體損壞后,應採用同型號穩壓二極體或電參數相同的穩壓二極體來更換。

可以用具有相同穩定電壓值的高耗散功率穩壓二極體來代換耗散功率低的穩壓二極體,但不能用耗散功率低的穩壓二極體來代換耗散功率高的穩壓二極體。例如,0.5W、6.2V的穩壓二極體可以用1W、6.2V穩壓二極體代換。

9 穩壓管 -識別

穩壓管穩壓二極體

穩壓二極體在電路中常用「ZD」加數字錶示,如:ZD5表示編號為5的穩壓管。

1、穩壓二極體的穩壓原理:穩壓二極體的特點就是擊穿后,其兩端的電壓基本保持不變。這樣,當把穩壓管接入電路以後,若由於電源電壓發生波動,或其它原因造成電路中各點電壓變動時,負載兩端的電壓將基本保持不變。

2、故障特點:穩壓二極體的故障主要表現在開路、短路和穩壓值不穩定。在這3種故障中,前一種故障表現出電源電壓升高;后2種故障表現為電源電壓變低到零伏或輸出不穩定。

常用穩壓二極體的型號及穩壓值如下表:

型號1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761
穩壓值3.3V3.6V3.9V4.7V5.1V5.6V6.2V15V27V30V75V

10 穩壓管 -產品應用

穩壓管穩壓管
1、浪涌保護電路:穩壓管在準確的電壓下擊穿,這就使得它可作為限制或保護之元件來使用,因為各種電壓的穩壓二極體都可以得到,故對於這種應用特別適宜。穩壓二極體D是作為過壓保護器件。只要電源電壓VS超過二極體的穩壓值D就導通,使繼電器J吸合負載RL就與電源分開。

2、電視機里的過壓保護電路:EC是電視機主供電壓。當EC電壓過高時,D導通,三極體BG導通,其集電極電位將由原來的高電平(5V)變為低電平,通過待機控制線的控制使電視機進入待機保護狀態.。

3、電弧抑制電路:在電感線圈上並聯接入一隻合適的穩壓二極體(也可接入一隻普通二極體原理一樣)的話,當線圈在導通狀態切斷時,由於其電磁能釋放所產生的高壓就被二極體所吸收,所以當開關斷開時,開關的電弧也就被消除了。這個應用電路在工業上用得比較多,如一些較大功率的電磁吸控制電路就用到它。

4、串聯型穩壓電路:在此電路中,串聯穩壓管BG的基極被穩壓二極體D鉗定在13V,那麼其發射極就輸出恆定的12V電壓了。這個電路在很多場合下都有應用TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內部結構可分為軸向引線二極體、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可達400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上,低功率產品主要用在高密度安裝場合。對於高密度安裝的場合,也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

在選用TVS時,應考慮以下幾個主要因素:

(1)若TVS有可能承受來自兩個方向的尖峰脈衝電壓(浪涌電壓)衝擊時,應當選用雙極性的,否則可選用單極性。

(2)所選用TVS的VC值應低於被保護元件的最高電壓。Vc是二極體在截止狀態的電壓,也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓,它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓,否則器件面臨被損壞的危險。

(3)TVS在正常工作狀態下不要處於擊穿狀態,最好處於VR以下,應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當的TVS。

穩壓管穩壓管
(4)如果知道比較準確的浪涌電流IPP,則可利用VCIpp來確定功率;如果無法確定IPP的大致範圍,則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪涌電流的承受能力越大。另外,峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。

(5)TVS所能承受的瞬態脈衝是不重複的,器件規定的脈衝重複頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重複性脈衝,應考慮脈衝功率的累積,不然有可能損壞TVS。

(6)對於小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當,一般不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。

(7)電容量C是由TVS雪崩結截面決定的,這是在特定的1 MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使信號衰減。因此,C是數據介面電路選用TVS的重要參數。對於數據/信號頻率越高的迴路,二極體的電容對電路的干擾越大,形成雜訊或衰減信號強度也大,因此,需要根據迴路的特性來決定所選器件的電容範圍。高頻迴路一般選擇電容應盡量小(如LCTVS、低電容TVS,電容不大於3 pF),而對電容要求不高的迴路,電容的容量選擇可高於40 pF。

(8)為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極體必須達到可以處理最小8 kV(接觸)和15 kV(空氣)的ESD衝擊,有的半導體生產廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。而對於某些有特殊要求的便攜設備應用,設計者可以按需要挑選器件。

11 穩壓管 -選擇

穩壓管穩壓管
1、取穩壓管上的電壓,經一限流電阻(2~5K)接NPN型中功率三極體的基極,三極體的集電極接正電源,由三極體的射極輸出(輸出電壓比穩壓管上的電壓低一個結壓降),三極體可加散熱片。

2、放棄這種方法,用三端穩壓器,又簡單,又可靠。W7812(1.5A);W78M12(500ma);w78L12(100ma)

3、採用變壓器降壓,再整流。

4、學會做逆變整流電源,體積小,分量輕,效率高。

12 穩壓管 -注意事項

穩壓管2V0~56V穩壓二極體
穩壓二極體用途廣泛,使用極多。看起來應用很簡單,但如果不注意,也極易損壞。以下是選用時的幾點注意事項:

1:可將多隻穩壓二極體串聯使用,但由於二極體參數的離散性比較大,不得並聯使用。

2:溫度對半導體器件的特性影響較大,當環境溫度超過50℃時,溫度每升高1℃,應將最大耗散功率降低1%。

3:穩壓二極體管腳必須在離管殼5mm以上處進行焊接,最好使用30W以下的電烙鐵進行焊接。若使用40~75W電烙鐵焊接時,焊接時間應不超過8~10s。盡量使用內裝焊料的焊錫絲焊接,不要使用大塊焊錫加松香的方法。

4:為了使穩壓二極體的電壓溫度係數得到補償,可以將穩壓二極體與硅二極體(包括硅穩壓二極體)串聯使用,所串的正向二極體不得超過三個,也可與特殊的溫度補償管串聯使用。

5:為了獲得較低的穩定電壓,可以選擇適當的穩壓二極體以相反極性方向串聯,再加以適當的工作電流來獲得。即將穩壓二極體正向使用。

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