《電工電子學(xué)》

課外拓展閱讀報告穩(wěn)壓二極管綜述》姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)號：專業(yè)班級：機(jī)械實驗班2012年12月穩(wěn)壓二極管綜述摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越高科技的東西被發(fā)明創(chuàng)造出來。上世紀(jì)30年代二極管的發(fā)明，帶動了后來的信息革命。其中的穩(wěn)壓二極管也從無到有，從粗到精，逐漸發(fā)展成為電子工業(yè)當(dāng)中相當(dāng)重要的一項技術(shù)，越來越多的產(chǎn)品需要用到穩(wěn)壓二極管。本篇文章將從基礎(chǔ)入手，簡述穩(wěn)壓二極管的工作原理以及它相應(yīng)的應(yīng)用，最后，我們將簡單地談?wù)劮€(wěn)壓二極管存在的一些問題以及解決辦法或發(fā)展的方向。關(guān)鍵字：工作原理、工程應(yīng)用、應(yīng)用問題正文1穩(wěn)壓二極管的工作原理1.1穩(wěn)壓二極管的構(gòu)成穩(wěn)壓二極管是一種用于穩(wěn)定電壓的單PN結(jié)二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很少的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓管是一種由特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，其表示符號與伏安特性如圖1-1所示，符號為DZ。穩(wěn)壓管工作時是在反向擊穿區(qū)，并且在一定電流范圍內(nèi)（&Z），穩(wěn)壓管不會損壞。由于穩(wěn)壓管的擊穿是齊納擊穿，故穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管。由圖1-1b可以看出，穩(wěn)壓管加一定的反向電壓擊穿后，反向電流在很大范圍內(nèi)變化，管子兩端的電壓基本保持不變，這就是穩(wěn)壓管之所以穩(wěn)壓的原因。歪向圖1-1a穩(wěn)壓二極管的圖形符號圖1-1b穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線1.2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓uz穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時的端電壓，一般為3-25V,高的可以達(dá)到200V。手冊中所列的都是在一定條件（工作電流、溫度）下的數(shù)值。不同型號的穩(wěn)壓管其UZ的范圍不同；同種型號的穩(wěn)壓管也常因工藝上的差異而有一定的分散性。所以，UZ—般給出的是范圍值，例如2CW11的UZ在3.2?4.5V（測試電流為10mA）。但是在一定條件下，每一只穩(wěn)壓二極管都有一確定的穩(wěn)定電壓值。當(dāng)然，二極管（包括穩(wěn)壓管）的正向?qū)ㄌ匦砸灿蟹€(wěn)壓作用，但穩(wěn)定電壓只有0.6?0.8V，且隨溫度的變化較大，故一般不常用。常用穩(wěn)壓二極管的型號及穩(wěn)壓值UZ如下表:型號1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761穩(wěn)壓值3.3V3.6V3.9V4.7V5.1V5.6V6.2V15V27V30V75V（2）穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)定電流IZ是指穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。Iz通常在最小穩(wěn)定電流Izmin與最大穩(wěn)定電流Izmax之間。其中Izmin是指穩(wěn)壓管開始起穩(wěn)壓作用時的最小電流，電流低于此值時，穩(wěn)壓效果差；Izmax是指穩(wěn)壓管穩(wěn)定工作時的最大允許電流，超過此電流時，只要超過額定功耗，穩(wěn)壓管將發(fā)生永久性擊穿。故一般要求：Izmin<IzV對。（3）動態(tài)電阻rZ動態(tài)電阻rz是指穩(wěn)壓二極管在反向擊穿區(qū)內(nèi)的電壓變化量與相應(yīng)電流變化量至比值（也稱為穩(wěn)壓二極管的交流動態(tài)電阻或交流電阻）。一般為幾歐姆至幾十歐姆。它反映了反向伏安特性曲線陡峭程度，曲線愈陡，動態(tài)電阻rz越小，表明穩(wěn)壓管性能越好。（4）額定功耗Pz額定功耗Pz是由管子溫升所決定的參數(shù)，其中允許耗散功率PZM表示保證穩(wěn)壓二極管安全工作時所允許的最大功率損耗：（5）電壓溫度系數(shù)au電壓溫度系數(shù)au是指穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值Uz受溫度變化影響的系數(shù)。例如，2CW18穩(wěn)壓二極管的電壓溫度系數(shù)為0.095%/°C，就是說溫度每增加1°C,其穩(wěn)壓值就升高0.095%。一般來說，硅穩(wěn)壓管在Uz<4V時au<0；在Uz>7V時，叫>0；在Uz=4?7V時，a很小。1.3穩(wěn)壓二極管的工作原理穩(wěn)壓二極管是一種專門工作于反向（崩潰,Breakdown）區(qū)域的二極管，如有一適量的電流流經(jīng)此二極管,則其兩端點間產(chǎn)生一固定不變的電壓，名為：“穩(wěn)壓電壓”，由于其電壓穩(wěn)定，故被廣泛用于穩(wěn)壓電路或用作參考電壓源。下面我們來了解一下二極管的伏安特性曲線。由圖1-1b可知，二極管的伏安特性是非線性的，大致可以分為四個區(qū)域：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓二極管正是利用二極管的反向擊穿區(qū)的特性制成的！在PN結(jié)上，加以反向電壓時，反向電流很小，叫反向飽和電流，當(dāng)反向電壓加大到一定值時，反向電流會突然增加，這現(xiàn)象叫PN結(jié)的擊穿。二極管的擊穿通常有三種情況，即雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿。（1） 雪崩擊穿對于摻雜濃度較低的PN結(jié)，結(jié)較厚，當(dāng)外加反向電壓高到一定數(shù)值時，因外電場過強(qiáng)，使PN結(jié)內(nèi)少數(shù)載流子獲得很大的動能而直接與原子碰撞，將原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對，由于鏈鎖反應(yīng)的結(jié)果，使少數(shù)載流子數(shù)目急劇增多，反向電流雪崩式地迅速增大，這種現(xiàn)象叫雪崩擊穿。雪崩擊穿通常發(fā)生在高反壓、低摻雜的情況下。（2） 齊納擊穿對于采用高摻雜（即雜質(zhì)濃度很大）形成的PN結(jié)，由于結(jié)很?。ㄈ?.04“血即使外加電壓并不高（如4V）,就可產(chǎn)生很強(qiáng)的電場（如106V/CM）將結(jié)內(nèi)共價鍵中的價電子拉出來，產(chǎn)生大量的電子一空穴對，使反向電流劇增，這種現(xiàn)象叫齊納擊穿（因齊納研究而得名）。齊納擊穿一般發(fā)生在低反壓、高摻雜的情況下。（3）熱擊穿在使用二極管的過程中，如由于PN結(jié)功耗（反向電流與反向電壓之積）過大，使結(jié)溫升高，電流變大，循環(huán)反復(fù)的結(jié)果，超過PN結(jié)的允許功耗，使PN結(jié)擊穿的現(xiàn)象叫熱擊穿。熱擊穿后二極管將發(fā)生永久性損壞。對于硅PN結(jié)，擊穿電壓在7V以上的為雪崩擊穿；4V以下的為齊納擊穿；在4?7V之間的兩種情況都有。無論哪種擊穿，只要控制反向電流的數(shù)值不致引起熱擊穿，當(dāng)反向電壓下降到擊穿電壓以下，其性能可以恢復(fù)到未擊穿前的狀況。穩(wěn)壓二極管正是利用齊納擊穿制成而來的。在穩(wěn)壓二極管特性曲線中，當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓后，二極管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，此時的電流為最低穩(wěn)壓電流IZ.，而形成的電壓為最低穩(wěn)壓電壓VZ.，如繼續(xù)Zmin Zmin加大反向電壓，則電流便急速變大，但穩(wěn)壓二極管有一定的最大可通過電流IZ，若通過的電流超過IZ，Zmax Zmax會損壞此二極管。（簡單來說：反向電壓到達(dá)UZ后，相對電流不斷增加，電壓變化卻很少。）如下圖：

如圖1-3所示的穩(wěn)壓電路中，當(dāng)輸入電路的電壓不穩(wěn)定時，根據(jù)基爾霍夫電流定律，IR=IZ+I0。UI發(fā)生RZ0I波動時，電路的電阻值不變，從而電流1口發(fā)生改變，引發(fā)流過穩(wěn)壓二極管的電流IZ發(fā)生改變，但是根據(jù)穩(wěn)RZ壓二極管的伏安特性曲線，此時的穩(wěn)壓二極管正工作在反向擊穿區(qū)，電流只要在IZ.至IZ之間變化時,ZminZmax穩(wěn)壓二極管兩端的電壓值不會發(fā)生顯著變化，而是在UZ這個穩(wěn)定的值。因此，電阻rl兩端的電壓也在uz這個穩(wěn)定值，從而穩(wěn)定電路輸出了U0這個穩(wěn)定的電壓值，穩(wěn)壓二極管也達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理如下：只要R參數(shù)選得適當(dāng)，就可以基本上抵消?的升高值，因而使Uo基本保持不變?？梢姡谶@種穩(wěn)壓電路中，起自動調(diào)節(jié)作用的主要是穩(wěn)壓二極管Dz，當(dāng)輸出電壓有較小的變化時，將引起穩(wěn)壓二極管電流Iz的較大變化，通過限流電阻R的補(bǔ)償作用，保持輸出電壓Vo基本不變。下面我們介紹限流電阻R的選擇：(1)當(dāng)jbmin、ui=uimax時要求:2)當(dāng)2)當(dāng)I0=I0max故R的取值范圍為： U2穩(wěn)壓二極管的工程應(yīng)用穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用時多方面的，這里我們僅僅舉其中幾個經(jīng)典的例子加以說明。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用主要包括浪通保護(hù)電路、電視機(jī)里的過壓保護(hù)電路、電弧抑制電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路等。2.1浪涌保護(hù)電路（如圖2-1）穩(wěn)壓管在準(zhǔn)確的電壓下?lián)舸?，這就使得它可作為限制或保護(hù)之元件來使用，因為各種電壓的穩(wěn)壓二極管都可以得到，故對于這種應(yīng)用特別適宜。圖中的穩(wěn)壓二極管D是作為過壓保護(hù)器件。只要電源電壓VS超過二極管的穩(wěn)壓值D就導(dǎo)通。使繼電器J吸合負(fù)載RL就與電源分開。圖2-1浪通保護(hù)電路2.2電視機(jī)里的過壓保護(hù)電路（如圖2-2）：EC是電視機(jī)主供電壓，當(dāng)EC電壓過高時，D導(dǎo)通，三極管BG導(dǎo)通，其集電極電位將由原來的高電平（5V）變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^待機(jī)控制線的控制使電視機(jī)進(jìn)入待機(jī)保護(hù)狀態(tài)。圖2-2過壓保護(hù)電路2.3電弧抑制電路（如圖2-3）：在電感線圈上并聯(lián)接入一只合適的穩(wěn)壓二極管（也可接入一只普通二極管原理一樣）的話，當(dāng)線圈在導(dǎo)通狀態(tài)切斷時，由于其電磁能釋放所產(chǎn)生的高壓就被二極管所吸收，所以當(dāng)開關(guān)斷開時，開關(guān)的電弧也就被消除了。這個應(yīng)用電路在工業(yè)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。

圖2-3電弧抑制電路2.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（如圖2-4）：在此電路中。串聯(lián)穩(wěn)壓管BG的基極被穩(wěn)壓二極管D鉗定在13V,那么其發(fā)射極就輸出恒定的12V電壓了。這個電路在很多場合下都有應(yīng)用圖2-4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路2.5穩(wěn)壓二極管使用的注意問題穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路,雖然穩(wěn)定度不很高,輸出電流也較小,但卻具有簡單、經(jīng)濟(jì)實用的優(yōu)點,因而應(yīng)用非常廣泛。在實際電路中,要使用好穩(wěn)壓二極管,應(yīng)注意如下幾個問題：1、 要注意一般二極管與穩(wěn)壓二極管的區(qū)別方法。不少的一般二極管,特別是玻璃封裝的管,外形顏色等與穩(wěn)壓二極管較相似,如不細(xì)心區(qū)別,就會使用錯誤。區(qū)別方法是：看外形,不少穩(wěn)壓二極管為園柱形,較短粗,而一般二極管若為園柱形的則較細(xì)長；看標(biāo)志，穩(wěn)壓二極管的外表面上都標(biāo)有穩(wěn)壓值，如5V6,表示穩(wěn)壓值為5.6V；用萬用表進(jìn)行測量，根據(jù)單向?qū)щ娦?，用X1K擋先把被測二極管的正負(fù)極性判斷出來，然后用X10K擋，黑表筆接二極管負(fù)極，紅表筆接二極管正極，測的阻值與X1K擋時相比，若出現(xiàn)的反向阻值很大，為一般二極管的可能性很大，若出現(xiàn)的反向阻值變得很小，則為穩(wěn)壓二極管。2、 注意穩(wěn)壓二極管正向使用與反向使用的區(qū)別。穩(wěn)壓二極管正向?qū)ㄊ褂脮r，與一般二極管正向?qū)ㄊ褂脮r基本相同，正向?qū)ê髢啥穗妷阂彩腔静蛔兊?，都約為0.7V。從理論上講，穩(wěn)壓二極管也可正向使用做穩(wěn)壓管用，但其穩(wěn)壓值將低于1V,且穩(wěn)壓性能也不好，一般不單獨用穩(wěn)壓管的正向?qū)ㄌ匦詠矸€(wěn)壓，而是用反向擊穿特性來穩(wěn)壓。反向擊穿電壓值即為穩(wěn)壓值。有時將兩個穩(wěn)壓管串聯(lián)使用，一個利用它的正向特性，另一個利用它的反向特性，則既能穩(wěn)壓又可起溫度補(bǔ)償作用，以提高穩(wěn)壓效果。

3、 要注意限流電阻的作用及阻值大小的影響。在穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路中，一般都要串接一個電阻R,如圖2-5所示。該電阻在電路中起限流和提高穩(wěn)壓效果的作用。若不加該電阻即當(dāng)R=0時，容易燒壞穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓效果也會極差。限流電阻的阻值越大，電路穩(wěn)壓性能越好，但輸入與輸出壓差也會過大，耗電也就越多。4、 要注意輸入與輸出的壓差。正常使用時，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的輸出電壓等于穩(wěn)壓管反向擊穿后兩端的穩(wěn)壓值，若輸入到穩(wěn)壓電路中的電壓值小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，則電路將失去穩(wěn)壓作用，只有是大于關(guān)系時，才有穩(wěn)壓作用，并且壓差越大，限流電阻的阻值也應(yīng)越大，否則會損壞穩(wěn)壓管。5、 穩(wěn)壓管可串聯(lián)使用。幾個穩(wěn)壓管串聯(lián)后，可獲得多個不同的穩(wěn)壓值，故串聯(lián)使用較常見。下面舉例說明兩個穩(wěn)壓管串聯(lián)使用后，如何求得穩(wěn)壓值。若一個穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.6V，另一個穩(wěn)壓值為3.6V，設(shè)穩(wěn)壓管正向?qū)〞r電壓均為0.7V，則串聯(lián)后共有四種不同的穩(wěn)壓值，如圖2-5a所示。圖2-5a圖2-5b6、穩(wěn)壓管一般不并聯(lián)使用。幾個穩(wěn)壓管并聯(lián)后，穩(wěn)壓值將由最低（包括正向?qū)ê蟮碾妷褐担┑囊粋€來決定。還是以上述兩個穩(wěn)壓管為例，來說明穩(wěn)壓值的計算方法。兩個并聯(lián)后共有四種情況，穩(wěn)壓值只有兩個，如圖2-5b圖2-5b3穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用問題及展望穩(wěn)壓二極管雖然在工程應(yīng)用當(dāng)中已經(jīng)非常成熟，但是還是存在一些問題，一些技術(shù)有待提高，如果克服關(guān)鍵技術(shù)，穩(wěn)壓二極管將變得更加完美，完美學(xué)工科的人員將向這些方向不懈努力?？偨Y(jié)一下，我們在工程應(yīng)用當(dāng)中常常把穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線看做是非常完美的曲線：即當(dāng)uw<uz,我們就假設(shè)WZI尸0；—旦UX“企圖”大于UZ,IZ就會急劇增長，使UW^UZ，表現(xiàn)在I-U曲線上，那就是個幾乎90°的折線，這是一件多么Z X ZZ WZ美好的事情啊!但實際上我們現(xiàn)在的技術(shù)還不能制造出伏安特性曲線如此完美的曲線。對于電壓較高的穩(wěn)壓二極管（UZ>7V）,那曲線還接近完美，如果換個低壓的，例如3V的，那實際曲線卻是不夠完美的，1.5V電壓時就有很大電流了，直到IZ增加到數(shù)十毫安培時，UZ才會達(dá)到標(biāo)稱值。眾所周知，溫度對半導(dǎo)體器件的特性影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度超過50°C時，溫度每升高1C,應(yīng)將最大耗散功率降低1%。所以穩(wěn)壓二極管管腳必須在離管殼5mm以上處進(jìn)行焊接，最好使用30W以下的電烙鐵進(jìn)行焊接。若使用40?75W電烙鐵焊接時，焊接時間應(yīng)不超過8?10s。盡量使用內(nèi)裝焊料的焊錫絲焊接，不要使用大塊焊錫加松香的方法。為了使穩(wěn)壓二極管的電壓溫度系數(shù)得到補(bǔ)償，可以將穩(wěn)壓二極管與硅二極管（包括硅穩(wěn)壓二極管）串聯(lián)使用，所串的正向二極管不得超過三個，也可與特殊的溫度補(bǔ)償管串聯(lián)使用。

雖然穩(wěn)壓二極管存在一些問題，但是科學(xué)是進(jìn)步的，我們相信經(jīng)過工程技術(shù)人員不懈的努力，這些問題終將被解決，穩(wěn)壓二極管也會得到更加廣泛的應(yīng)用！參考文獻(xiàn):侯世英電工學(xué)I電路與電子技術(shù)高等教育出版社2007余建祖，高江霞等，電子設(shè)備熱技術(shù)速查手冊【