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穩壓二極管應用于場效應管驅動時的基本介紹

冬至子 ? 來源:電子制作站 ? 作者:jackie long ? 2023-11-10 17:05 ? 次閱讀

穩壓二極管(zener diode),也稱齊納二極管,與普通二極管不同的是,穩壓二極管工作在反向擊穿狀態時,它的工作電流在很大范圍內變化而其兩端的電壓基本不變。

它的原理圖符號有如下圖所示的兩種:

圖片

標稱穩定電壓VZ(Nominal Zener Voltage 是穩壓二極管最重要參數,也是工程師在選型時首要的參數。

穩壓二極管的典型應用電路如下圖所示:

圖片

它的主要作用是從較高輸入電壓Vi中獲取的較低輸出電壓V o ,這里我們并沒有這樣描述:從較高的不穩定的輸入電壓Vi中獲取較低的穩定輸出電壓V o 。

穩壓二極管雖然有一定的穩壓功能,但這種穩壓能力在精度要求較高的場合并不適用,在大多數實際應用電路中,穩壓二極管更多的是為了獲取一個對精度要求不高的電壓值(精度要求高的可選擇電壓基準芯片,可參考相關文章),

下圖為穩壓二極管應用于場效應管驅動時的示意圖:

圖片

N溝通道場效應管的柵源開啟電壓VGS是有最大限制值的,比如±20V,超過此值則場效應管可能會損環,通常在此類開關控制電路中,VGS值設置為 10V左右,如果電路系統中只有36V較高的電壓(其它為5V之類的低壓),這個電壓不可以直接作為VGS電壓,當然,可以采用諸如低壓差線性調整芯片(LDO)從36V中降壓獲取此電壓,但是大多數情況下,我們只需要如圖所示穩壓二極管即可,成本低,電路簡單,而且這種應用對穩壓精度要求并不高。

當輸入電源電壓Vi比穩壓二極管的穩定電壓VZ低時,穩壓二極管沒有擊穿而處于反向截止區,此時電路回路中只有比較小的反向漏電電流IR(reverse leakage current ,這種工作狀態不是穩壓二極管的正常工作狀態,因為輸出電壓Vo是隨輸入電壓Vi變化的,沒有達到輸出穩定電壓的目的,如下圖所示:

圖片

當輸入電源電壓Vi比穩壓二極管穩定電壓ZT高時,穩壓二極管被反向電壓擊穿,此時回路電流急劇增加,如下圖所示:

圖片

此時的輸出電壓Vo就是穩壓二極管的標稱穩定電壓,也就是我們所需要的電壓值,回路中的電流就是穩壓二極管的工作電流IZ(zener current ,此值由下式可得:

圖片

其中,電阻R就是穩壓二極管的限流電阻。能夠使穩壓二極管進入穩壓狀態的最小電流IZ也叫 膝點/拐點電流IZK(knee point current ,因此,電阻R值不應該太大,那么這個電阻的最小值應該是多少才合適呢?我們繼續往下看:

當輸入電源電壓Vi時繼續增加時,穩壓二極管的穩定電壓V Z (也就是輸出電壓V o )會有一定的變化,但沒有輸入電壓Vi變化那么大,因為穩壓二極管處于反向擊穿穩壓狀態,此時輸入電壓Vi與輸出電壓Vo的差值都施加到電阻R兩端,繼而引起回路電流上升。

穩壓二極管本身沒有最高反向電壓的參數,但是它會有一定的功耗,如下式:

圖片

也就是穩壓二極管的穩定電壓VZ與流過穩壓二極管中的電流IZ的乘積,對于具體的穩壓二極管,其穩定電壓VZ是額定的,因此穩壓二極管最大的功耗也可由最大工作電流IZMMaximum zener current 來表征,很多數據手冊中也是給出這個值。

當回路電流IZ超過穩壓二極管的最大工作電流IZM時(也就是超過二極管最高允許耗散功率),穩壓二極管會因為過熱而損壞,此時的輸出電壓Vo就是輸入電壓V i ,也就是不再有穩壓能力了,如下圖所示:

圖片

因此,我們在設置電阻R的最小值時,應控制穩壓二極管的工作電流在IZM之內。

這種特性我們也可以從穩壓二極管的伏安V-I特性曲線看出,如下圖所示:

圖片

穩壓二極管有一定的電阻,通常稱為動態電阻RZ(zener resistance)或動態阻抗ZZ(zener impedance ,它是指穩壓管兩端電壓變化與電流變化的比值,可由下式所得:

圖片

動態電阻RZ隨穩壓二極管的工作電流IZ不同而不同,通常工作電IZ流越大(即分母越大),則動態電阻則RZ越小,這個值自然是越小越好。

下圖來自CDI的1N46XX系列穩壓二極管數據手冊

圖片

我們可以把穩壓二極管等效一個理想的電壓源VZ與一個動態電阻RZ串聯,如下圖所示:

圖片

因此,典型應用電路也可以修改如下所示:

圖片

當回路中的電流IZ上升時,動態電阻RZ兩端的壓降(I Z ×R Z )亦會上升,則輸出電壓Vo也會上升,動態電阻RZ越小則輸出電壓Vo變化越小,也就是說穩壓能力更佳。

穩壓二極管還有一個參數:溫度系數TCtemperature coefficient ,它是衡量在電路參數不變的條件下,穩壓二極管的溫度變化引起的穩定電壓的變化量,亦即溫度變化1^ o^C所引起穩壓二極管兩端電壓的相對變化量,如下式:

圖片

它的單位是每攝氏度百分數(%/^o^C)。一般說來,穩定電壓ZT小于5V屬于齊納擊穿,其溫度系數是負的;穩定電壓ZT大于5V的屬于雪崩擊穿,其溫度系數是正的。因此,理論上我們也可以用兩個溫度系數相反的穩壓二極管串聯,從而獲得溫度系數更好的穩壓特性,如下圖所示:

圖片

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