元器件科普之稳压二极管的特性以及用途

1、简述

稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。如下图（1）所示，这是稳压二极管的电路图符号，而最上面的是很常见的玻封结构的稳压二极管实物图。

2、特性

稳压二极管的伏安特性曲线如图（2）所示，我们可以借助它来了解稳压二极管在各种偏置下的状态。

状态①： 正向偏置状态。此状态记下，稳压二极管的特性表现为普通二极管的特性，即：随着正向偏压的提高，正向电流变化很大、很陡！但由于VF（0.3V~0.7V左右）很小，此正向偏置状态基本无使用价值。需要注意的是，不同的稳压二极管的正向压降是不同的。

状态②： 反向偏置状态。此状态下，当反向电压没达到VBR之前，稳压二极管基本没导通；而当反向偏压接近VBR值时，稳压二极管开始导通，产生IR电流。随着反向偏压的提高，反向电流IR也会激烈变化得很大、很陡！尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。图（2）中的黄色区域（击穿区）就是稳压二极管的正常工作状态，通常此区域对应的VR区间范围很小，此电压就是稳压二极管的工作点、稳压值。

实际上，齐纳二极管包括两种击穿电压，分别是：齐纳击穿和需崩击穿。在正常工作状态下，反向偏压较低时，对应的反向偏压就是齐纳击穿电压。为了使二极管保持在稳定状态，必须维持最小的反向电流Iz(min)。在图（2）的曲线上，可以见到当反向电流低于曲线拐点处的电流时，电压出现剧烈变化，稳压作用就没有了。同样，有一个最大电流Iz(max)超过电流，二极管就被物理性损坏，此时对应的击穿就是雪崩击穿。因此，我们只要让齐纳二极管的反向电流在Iz(min) ~ Iz(max)之间，齐纳二极管的两端电压保持近似恒定。在稳压二极管的DataSheet上，通常给出一个所谓齐纳测试电流Iz对应的标称测试电压就是Vz。

3、主要参数

3.1 Uz— 稳定电压

指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如，稳压二极管BZV55-C16（立创商城的商品编号：C128822）的Vz（min）为15.3V, Vz（max）则为17.1V。

3.2 Iz— 额定电流

指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。

3.3 Rz— 动态电阻

指稳压管两端电压变化与电流变化的比值，有些书也称为“齐纳阻抗”。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。例如，2CW7C稳压管的工作电流为 5mA时，Rz为18Ω;工作电流为10mA时，Rz为8Ω;为20mA时，Rz为2Ω ; > 20mA则基本维持此数值。

3.4 Pz— 额定功耗

由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。例如2CW51稳压管的Vz为3V，Izm为20mA，则该管的Pz为60mWo

3.5 α---温度系数

如果稳压管的温度变化，它的稳定电压也会发生微小变化，温度变化1℃所引起管子两端电压的相对变化量即是温度系数（单位：﹪/℃）。一般说来稳压值低于6V属于齐纳击穿，温度系数是负的；高于6V的属雪崩击穿，温度系数是正的。温度升高时，耗尽层减小，耗尽层中，原子的价电子上升到较高的能量，较小的电场强度就可以把价电子从原子中激发出来产生齐纳击穿，因此它的温度系数是负的。雪崩击穿发生在耗尽层较宽电场强度较低时，温度增加使晶格原子振动幅度加大，阻碍了载流子的运动。这种情况下，只有增加反向电压，才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿的电压温度系数是正的。这就是为什么稳压值为15V的稳压管其稳压值随温度逐渐增大的，而稳压值为5V的稳压管其稳压值随温度逐渐减小的原因。例如2CW58稳压管的温度系数是+0.07%/°C，即温度每升高1°C，其稳压值将升高0.07%。

对电源要求比较高的场合，可以用两个温度系数相反的稳压管串联起来作为补偿。由于相互补偿，温度系数大大减小，可使温度系数达到0.0005%/℃。

3.6 IR— 反向漏电流

指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如2CW58稳压管的VR=1V时，IR=O.1uA;在VR=6V时，IR=10uA。

4、稳压二极管的选型

要求导通电压低时选锗管；

要求反向电流小时选硅管；

要求导通电流大时选面结合型；

要求工作频率高时选点接触型；

要求反向击穿电压高时选硅管；

要求耐高温时选硅管。

5、应用电路（举例）

5.1简易稳压电路

此电路利用齐纳二极管的稳压特性，实现稳压，但输出电流很小。

5.2改进型稳压电路

此电路利用齐纳二极管的稳压特性，实现稳压，可输出较大的电流。

5.3LED指示灯的ESD保护电路

此电路利用齐纳二极管的反向偏置特性，防止LED受静电过高而损坏。

5.4过压保护电路

如果输出电压过高，此电路中的齐纳二极管会导通，进而触发可控硅SCR对输入电压端进行限制。

5.5信号限幅电路

如果输入信号过大，容易损坏运放OP，通过放置齐纳二极管可对Input信号的幅度大小进行限制。注意这种情况下，要选用反向漏电流很小的D1；而信号频率过高的话，还要考虑D1的等效电容要足够小。

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