01

穩(wěn)壓二極管工作原理

穩(wěn)壓二極管也叫穩(wěn)壓管，它在電路中一般起到穩(wěn)定電壓的作用，也可以為電路提供基準電壓值。

穩(wěn)壓二極管使用特殊工藝制造，這種工藝使它在反向擊穿時仍然可以長時間穩(wěn)定工作，不損壞，而工作在反向擊穿狀態(tài)的穩(wěn)壓管只要工作電流保持在一定范圍，則它兩端電壓波動的范圍就很小，穩(wěn)壓管正是利用這個特性實現穩(wěn)壓的。

圖1是穩(wěn)壓管伏安特性曲線，在正常穩(wěn)壓工作狀態(tài)下，穩(wěn)壓管就工作在圖中AB這段區(qū)間。

02

穩(wěn)壓二極管重要參數

1 穩(wěn)定電壓

穩(wěn)定電壓是指標稱穩(wěn)定電壓，理想穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值是一個固定的電壓數值，但實際真實穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓會在一定范圍波動，有些型號的穩(wěn)壓管應用手冊中會給出標稱穩(wěn)定電壓值，最小穩(wěn)定電壓值和最大穩(wěn)定電壓值，但也有些手冊中只給出標稱穩(wěn)定電壓值。

圖2所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應用手冊中給出的穩(wěn)定電壓值。

2 最大耗散功率

最大耗散功率是指可以穩(wěn)定工作的最大功率值，在工作電路中穩(wěn)壓管的功率不應超過這個值。

圖3所示是穩(wěn)壓管1N47XXA-G的應用手冊中給出的最大耗散功率值。

3 額定工作電流（IZT）

額定工作電流是指穩(wěn)壓管可以長時間穩(wěn)定工作，并且穩(wěn)壓性能最好時對應的工作電流值。

圖4所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應用手冊中給出的額定工作電流。

4 最小穩(wěn)定工作電流

最小穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最小工作電流，如果穩(wěn)壓管電流小于這個值，會進入反向截止區(qū)，在反向截止區(qū)穩(wěn)壓管是沒有穩(wěn)壓功能的。

圖5所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應用手冊中給出的最小穩(wěn)定工作電流，1毫安。

5 最大穩(wěn)定工作電流

最大穩(wěn)定工作電流是指可以使穩(wěn)壓管具有穩(wěn)壓功能的最大工作電流，如果超過這個電流，會導致穩(wěn)壓管損壞。有些穩(wěn)壓管的應用手冊中并沒有給出最大穩(wěn)定工作電流，這是因為這個參數可以由標稱穩(wěn)定電壓和最大耗散功率兩個參數得出。

6 動態(tài)電阻

穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻等于電壓變化與電流變化的比值。動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓效果越好，這是因為動態(tài)電阻小，則相同電流變化引起的電壓變化就越小，所以電壓就越穩(wěn)定。從穩(wěn)壓管的反向伏安特性可以看出，穩(wěn)壓管的工作電流越接近最大穩(wěn)定工作電流則動態(tài)電阻越小，越接近最小工作電流則動態(tài)電阻越大。所以穩(wěn)壓管工作電流接近最大穩(wěn)定工作電流時穩(wěn)壓效果才好。

圖6所示是穩(wěn)壓管1N4733A-G的應用手冊中給出的動態(tài)電阻。

03

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓原理的定性分析

穩(wěn)壓管在電路應用中一般要串聯一個限流電阻，用來保護穩(wěn)壓管，避免工作電流過大導致損壞，另外通過選定合理的限流電阻值，也可以避免穩(wěn)壓管工作電流過小而進入反向截止區(qū)，失去穩(wěn)壓效果。所以說這個限流電阻R即起到保護作用，也起到設定合適工作電流的作用。下圖7是穩(wěn)壓二極管的典型應用電路：

對于圖7中典型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程我們先進行一下定性分析，從圖中我們容易看出，在限流電阻值固定的情況下，能影響到穩(wěn)壓管工作電流的因素有兩個，一是輸入端電壓UI的波動，另一個是負載電阻RL大小的變化。現在我們假設一種情況：即輸入電壓UI不變，但負載電阻RL變小時是如何穩(wěn)壓的。

由于負載電阻RL變小會直接導致負載通路的電流IR變大，所以流過限流電阻的電流IR會增大，導致限流電阻壓降增大，所以穩(wěn)壓管兩端電壓（即負載電阻兩端電壓UO）變小，導致穩(wěn)壓管電流IDZ減小，這又會引起限流電阻電流減小，所以限流電阻電壓當然也會隨之減小，最終導致穩(wěn)壓管電壓又增大，即負載電阻兩端電壓增大。這個過程的核心是穩(wěn)壓管端電壓變小導致穩(wěn)壓電流減小，從而把穩(wěn)壓管兩端電壓又重新推高。具體變化過程如下圖8所示：

另外，如果假設負載電阻不變，而輸入電壓增大或減小，則穩(wěn)壓過程的推導與上述類似，這里就不再贅述了。

04

穩(wěn)壓二極管典型電路限流電阻計算

下面我們針對這個典型穩(wěn)壓電路的一組數據，計算限流電阻的阻值。具體參數如下：

電源電壓波動范圍：13~15V

負載電阻變化范圍：300~500Ω

穩(wěn)壓管工作電流范圍：5~40ma

穩(wěn)壓管工作電壓：6V

對于限流電阻的阻值我們首先要知道，它即不能過大，也不能過小，過大會導致穩(wěn)壓管電流過大損壞，過小會導致穩(wěn)壓管位于反向截止區(qū)而不能進入穩(wěn)壓工作狀態(tài)。所以這個限流電阻就會存在一個上限值和一個下限值，導致穩(wěn)壓管分別工作于最小和最大電流兩種極限狀態(tài)，這兩種狀態(tài)是由于電源電壓波動和負載電阻變化引起的，所以根據之前的定性分析，我們可以比較容易的分析出這兩種狀態(tài)的情況，如下表所示：

可以看到，在情況2的狀態(tài)下，當負載電阻值最大時，負載通路的電流相對最小，而此時電源電壓卻最大，這兩個因素共同作用于穩(wěn)壓管上，導致穩(wěn)壓管電流最大。這種情況就類似于下圖9中所示的水庫泄洪情況：

圖9中副閘門的作用是配合主閘門控制水位并在適當的時候保護主閘門，避免主閘門承受過大的水壓。當上游來水量增加時，如果同時主閘門把開口關到最小，這兩個條件同時發(fā)生時副閘門就會面臨水流最大的極限情況。這里水庫的模型與穩(wěn)壓電路有如下對應關系：

主閘門 --> 負載電阻

副閘門 --> 穩(wěn)壓管

上游水量增加 --> 電源電壓增加

主閘門開口關小 --> 負載電阻增加

副閘門水量最大 --> 穩(wěn)壓管電流最大

從上述關系中，我們可以計算出當穩(wěn)壓管工作電流最小時，輸入電壓最小，負載電流最大，此時對應的限流電阻值最大：

同理也很容易計算出限流電阻最小值為180Ω，我們可以取中間值220Ω的電阻（標準阻值中沒有230Ω的電阻）。

05

總結

穩(wěn)壓管在使用中要注意以下問題：

1 穩(wěn)壓管使用時要串聯一個限流電阻，用來保護穩(wěn)壓管并設定其工作電流。

2 ?實際穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值是一個范圍，同一批穩(wěn)壓管的實際穩(wěn)壓值可能會存在差異，但不會和標稱穩(wěn)壓值差太多。

3 穩(wěn)壓管可以串聯使用，串聯有四種不同接法，不同接法的穩(wěn)壓數值也各不相同。一般不并聯使用。

4 為了使穩(wěn)壓效果更穩(wěn)定，需要使穩(wěn)壓管工作在中度偏深的擊穿狀態(tài)，所以輸入的電壓值最好是2到3倍的穩(wěn)定電壓值，即Uin=2~3（UZD），比如如果要使電壓穩(wěn)定在12伏，而輸入電壓是18伏，雖然可以穩(wěn)壓，但是穩(wěn)壓管處在淺度擊穿狀態(tài)，穩(wěn)壓效果并不好。

5 穩(wěn)壓管工作狀態(tài)電流值不高，比如上述的1N47XXA系列最高也不到100ma，所以不適用于大功率的場合。

6 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓有一定范圍，在要求高精度電壓的場合并不適用，這時可以使用專用的穩(wěn)壓模塊代替。

審核編輯：劉清