什么是齐纳二极管？

什么是齐纳二极管？

齐纳二极管是一种特殊类型的整流二极管，可以处理由于反向击穿电压引起的击穿而不会完全失效。这里我们将讨论使用二极管调节压降的概念，以及齐纳二极管如何在反向偏置模式下工作以调节电路中的电压。

二极管如何调节压降

如果我们将二极管和电阻与直流电压源串联，使二极管正向偏置，则二极管两端的压降将在很宽的电源电压范围内保持相当恒定，如下图（a）所示。

通过正向偏置 PN 结的电流与 e 成正比 提高到正向压降的功率。因为这是一个指数函数，所以对于电压降的适度增加，电流上升得非常快。

考虑这一点的另一种方式是说，对于二极管电流的大变化，正向偏置二极管两端的电压降几乎没有变化。在下图（a）所示的电路中，二极管电流受电源电压、串联电阻和二极管压降的限制，众所周知，二极管的压降与0.7伏相差不大。

正向偏置硅参考：(a) 单个二极管，0.7V，(b) 10 个二极管串联 7.0V。

如果增加电源电压，电阻的压降会增加几乎相同的量，而二极管的电压会下降一点。反之，降低电源电压会导致电阻压降几乎相等，而二极管压降略有下降。

总之，我们可以通过说二极管正在调节来总结这种行为 电压降约为 0.7 伏。

电压调节的使用

电压调节是一种有用的二极管特性。假设我们正在构建某种电路，它不能容忍电源电压的变化，但需要由化学电池供电，化学电池的电压在其使用寿命期间会发生变化。我们可以形成一个如上所示的电路，并将需要稳定电压的电路连接到二极管两端，在那里它会接收到 0.7 伏不变的电压。

这当然可以工作，但任何类型的大多数实际电路都需要超过 0.7 伏的电源电压才能正常工作。我们可以增加电压调节点的一种方法是串联多个二极管，这样它们各自的 0.7 伏正向压降会相加以产生更大的总电压。

例如，在我们上面的例子中[图(b)]，如果我们有十个二极管串联，稳压电压将是 0.7 的十倍，即 7 伏。

只要电池电压从未下降到 7 伏以下，十个二极管“堆栈”上总会有大约 7 伏的电压下降。

齐纳二极管如何调节电压

如果需要更大的稳压电压，我们可以使用更多的二极管串联（在我看来这是一种不雅的选择）或尝试一种完全不同的方法。

我们知道二极管正向电压在各种条件下都是一个相当恒定的数字，但反向击穿电压也是如此。 击穿电压通常远大于正向电压。

如果我们在我们的单二极管稳压器电路中反转二极管的极性并将电源电压增加到二极管“击穿”的点（也就是说，它不能再承受施加在它上面的反向偏置电压），二极管会类似地调节该击穿点的电压，不允许它进一步增加。如下图(a)所示。

(a) 反向偏置 Si 小信号二极管在 100V 左右击穿。 (b) 齐纳二极管的符号。

不幸的是，当正常的整流二极管“击穿”时，它们通常具有破坏性。但是，有可能构建一种特殊类型的二极管，可以在不完全失效的情况下处理击穿。这种类型的二极管称为齐纳二极管 ，其符号如上图(b)所示。

正向偏置时，齐纳二极管的行为与标准整流二极管大致相同：它们的正向压降遵循“二极管方程”，约为 0.7 伏。在反向偏置模式下，它们在施加的电压达到或超过所谓的齐纳电压之前不会导通 ，此时二极管能够传导大量电流，并且这样做会尝试将其两端的电压降限制到齐纳电压点。

只要此反向电流消耗的功率不超过二极管的热限制，二极管就不会受到损害。因此，有时将齐纳二极管称为“击穿二极管”。

齐纳二极管电路

齐纳二极管的齐纳电压范围从几伏到几百伏不等。该齐纳电压随温度略有变化，与常见的碳成分电阻值一样，制造商规格的误差可能在 5% 到 10% 之间。不过这种稳定性和精度一般来说已经足够了，可以在下图中的普通电源电路中使用稳压二极管作为稳压器件。

稳压二极管稳压电路，稳压电压=12.6V。

齐纳二极管操作请注意上述电路中齐纳二极管的方向：二极管反向偏置 ，而且是故意的。如果我们以“正常”方式定位二极管，使其正向偏置，它只会下降 0.7 伏，就像普通的整流二极管一样。如果我们想利用这个二极管的反向击穿特性，我们必须在它的反向偏置模式下运行它。只要电源电压保持高于齐纳电压（在本例中为 12.6 伏），齐纳二极管两端的电压降将保持在大约 12.6 伏。

与任何半导体器件一样，齐纳二极管对温度很敏感。过高的温度会损坏齐纳二极管，并且由于它既会降低电压又会传导电流，因此它会根据焦耳定律 (P=IE) 产生自己的热量。因此，必须小心设计稳压器电路，以确保不超过二极管的功率耗散额定值。有趣的是，当齐纳二极管因功耗过大而发生故障时，它们通常会短路 而不是开放。以这种方式发生故障的二极管很容易被检测到：当以任何一种方式偏置时，它的电压下降几乎为零，就像一根电线一样。

齐纳二极管稳压电路的数学分析

让我们以数学方式检查齐纳二极管调节电路，确定所有电压、电流和功耗。采用与前面所示相同的电路形式，我们将执行计算，假设齐纳电压为 12.6 伏，电源电压为 45 伏，串联电阻值为 1000 Ω（我们将齐纳电压视为 正是 12.6 伏，以避免必须将下图 (a) 中的所有数字都定义为“近似值”

如果齐纳二极管的电压为 12.6 伏，电源的电压为 45 伏，则电阻两端将有 32.4 伏的电压降（45 伏 - 12.6 伏 =32.4 伏）。在 1000 Ω 上压降 32.4 伏，电路中的电流为 32.4 mA。 （下图（b））

(a) 具有 1000 Ω 电阻器的齐纳稳压器。 (b) 电压降和电流的计算。

功率的计算方法是电流乘以电压 (P=IE)，因此我们可以很容易地计算电阻器和齐纳二极管的功耗：

额定功率为 0.5 瓦的齐纳二极管就足够了，额定耗散为 1.5 或 2 瓦的电阻器也是如此。

具有更高电阻的齐纳二极管电路

如果过度的功耗是有害的，那么为什么不将电路设计为尽可能少的功耗呢？为什么不只是将电阻器的大小设置为非常高的电阻值，从而严格限制电流并保持非常低的功耗数字？以这个电路为例，使用 100 kΩ 电阻而不是 1 kΩ 电阻。请注意，下图中的电源电压和二极管的齐纳电压都与上一个示例相同：

带 100 kΩ 电阻的齐纳稳压器。

电流只有我们之前的 1/100（324 µA 而不是 32.4 mA），两个功耗数字都应该小 100 倍：

负载电阻的注意事项

看起来很理想，不是吗？更低的功耗意味着更低的二极管和电阻器的工作温度，以及更少的系统能量浪费，对吗？更高的电阻值确实 降低电路中的功耗水平，但不幸的是它引入了另一个问题。请记住，稳压电路的目的是为另一个电路提供稳定的电压 .换句话说，我们最终会用 12.6 伏的电压为某个东西供电，而这个东西会有自己的电流消耗。

低值降压电阻考虑

考虑我们的第一个稳压器电路，这次将 500 Ω 负载与下图中的齐纳二极管并联。

具有 1000 Ω 串联电阻和 500 Ω 负载的齐纳稳压器。

如果在 500 Ω 负载上保持 12.6 伏，负载将消耗 25.2 mA 的电流。为了使 1 kΩ 串联“降压”电阻器下降 32.4 伏（将齐纳二极管上的 45 伏电源电压降低到 12.6 伏），它仍然必须传导 32.4 mA 的电流。这留下 7.2 mA 的电流通过齐纳二极管。

高值降电阻考虑

现在考虑我们带有 100 kΩ 降压电阻的“省电”稳压器电路，为相同的 500 Ω 负载供电。它应该做的是在负载上保持 12.6 伏，就像最后一个电路一样。然而，正如我们将看到的，它不能 完成这项任务。 （下图）

具有 500 Ω 负载的 100 KΩ 串联电阻齐纳非稳压器。>

使用较大值的降压电阻器，500 Ω 负载上将只有大约 224 mV 的电压，远低于 12.6 伏的预期值！为什么是这样？如果我们实际上在负载上有 12.6 伏的电压，它将像以前一样消耗 25.2 mA 的电流。该负载电流必须像以前一样通过串联降压电阻器，但是如果安装了一个新的（大得多！）降压电阻器，通过该电阻器的 25.2 mA 电流通过它的电压降为 2,520 伏！由于我们显然没有电池提供那么多电压，所以这不可能发生。

无齐纳二极管的更高跌落电阻分析

如果我们暂时从电路中移除齐纳二极管并单独分析下图中两个电阻器的行为，情况会更容易理解。

移除齐纳二极管的非稳压器。

100 kΩ 降压电阻和 500 Ω 负载电阻相互串联，总电路电阻为 100.5 kΩ。总电压为 45 伏，总电阻为 100.5 kΩ，欧姆定律 (I=E/R) 告诉我们电流将为 447.76 µA。计算两个电阻上的电压降 (E=IR)，我们分别得到 44.776 伏和 224 mV。

如果我们此时重新安装齐纳二极管，它也会“看到”224 mV 的电压，与负载电阻并联。这远低于二极管的齐纳击穿电压，因此它不会“击穿”并传导电流。就此而言，在这个低电压下，二极管即使正向偏置也不会导通！因此，二极管停止调节电压。必须至少降低 12.6 伏特才能“激活”它。

从电路中移除齐纳二极管并查看是否存在足够的电压使其导通的分析技术是一种可靠的技术。仅仅因为齐纳二极管恰好​​连接在电路中并不能保证整个齐纳电压总是会下降！请记住齐纳二极管的工作原理是限制 电压达到某个最高水平；他们无法弥补 由于电压不足。

齐纳二极管稳压操作规则

总之，只要负载的电阻等于或大于某个最小值，任何齐纳二极管调节电路都会起作用。如果负载电阻太低，它会吸收太多电流，使串联降压电阻两端的电压下降太多，齐纳二极管两端的电压不足以使其导通。当齐纳二极管停止传导电流时，它就不能再调节电压，负载电压就会下降到调节点以下。

计算某些跌落电阻器的负载电阻

不过，我们的带有 100 kΩ 降压电阻器的稳压器电路必须适用于某些负载电阻值。为了找到这个可接受的负载电阻值，我们可以使用表格来计算双电阻串联电路（无二极管）中的电阻，插入已知的总电压值和降压电阻电阻值，并计算预期的负载电压为 12.6 伏:

总电压为 45 伏，负载两端为 12.6 伏，我们应该在 Rdropping 两端有 32.4 伏：

降压电阻上的电压为 32.4 伏，其中有 100 kΩ 的电阻，通过它的电流将为 324 µA：

作为串联电路，在任何给定时间通过所有组件的电流都是相等的：

计算负载电阻现在是欧姆定律 (R =E/I) 的简单问题，结果为 38.889 kΩ：

因此，如果负载电阻正好是 38.889 kΩ，那么它两端将有 12.6 伏电压，二极管或没有二极管。任何小于 38.889 kΩ 的负载电阻都会导致负载电压小于 12.6 伏，二极管或没有二极管。二极管就位后，负载电压将被调节到最大 12.6 伏，任何负载电阻更大 小于 38.889 kΩ。

由于降压电阻的原始值为 1 kΩ，我们的稳压器电路即使对于低至 500 Ω 的负载电阻也能够充分调节电压。我们看到的是功耗和可接受的负载电阻之间的权衡。更高值的降压电阻器为我们提供了更少的功耗，但代价是提高了可接受的最小负载电阻值。如果我们希望为低值负载电阻调节电压，则电路必须准备好处理更高的功耗。

齐纳二极管如何进行电压调节

齐纳二极管通过充当互补负载来调节电压，根据需要吸收或多或少的电流，以确保负载两端的压降恒定。这类似于通过制动而不是通过改变油门位置来调节汽车的速度：不仅浪费，而且必须建立制动器以在驾驶条件不需要时处理所有发动机功率。

尽管设计效率低下，但齐纳二极管稳压器电路因其简单性而被广泛采用。在低效率无法接受的高功率应用中，可以应用其他电压调节技术。但即便如此，也经常使用基于齐纳二极管的小型电路来提供“参考”电压，以驱动控制主电源的更高效的放大器电路。

常见齐纳二极管电压

齐纳二极管按下表所列的标准额定电压制造。 “常用齐纳二极管电压”表列出了 0.3W 和 1.3W 部件的常用电压。瓦数对应管芯和封装尺寸，是二极管在不损坏的情况下可以耗散的功率。

常见齐纳二极管电压

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V24V27V30V33V36V39V43V47V51V56V62V68V75V100V200V

齐纳二极管限幅器： 一种削波电路，它在二极管的齐纳电压附近削波波形的峰值。下图的电路有两个串联的齐纳二极管，以对称的方式在接近齐纳电压的情况下对波形进行削波。电阻器将齐纳二极管吸收的电流限制在一个安全值。

*SPICE 03445.eps D1 4 0 二极管 D2 4 2 二极管 R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

齐纳二极管限幅器：

二极管的齐纳击穿电压由上图 spice 网表中的二极管模型参数“bv=10”设置为 10 V。这会导致齐纳二极管在 10 V 左右削波。背对背二极管削波两个峰值。对于正半周，顶部齐纳管反向偏置，在 10 V 齐纳电压时击穿。较低齐纳管下降约 0.7 V，因为它正向偏置。因此，更准确的限幅电平是 10+0.7=10.7V。类似的负半周削波发生在 -10.7 V。（下图）显示削波电平略高于 ±10 V。

齐纳二极管限幅器：v(1) 输入在波形 v(2) 处被限幅。

评论：

• 齐纳二极管设计为在反向偏置模式下工作，提供相对较低、稳定的击穿，或 齐纳 它们开始传导大量反向电流的电压。
• 齐纳二极管可以充当稳压器，充当辅助负载，如果电压太高，则从电源吸收更多电流，如果电压太低，则减少电流。

相关工作表：

• 齐纳二极管工作表
• 设计项目：直流稳压器工作表