稳压二极管原理电路及应用

稳压二极管原理电路及应用引言二极管因用途不同而种类繁多。稳压二极管是其中的一种。我们知道晶体二极管具有单向导电的性能。正向连接时是导电的(在电路中，二极管的正极接电源的正极，二极管的负极接电源的负极)，反向连接是不导电的，只有很小很小的漏电流。但是如果给某些特定二极管反向电压逐渐加大到某一数值，二极管就会被击穿，这时二极管又开始反向导电。随着导电电流逐渐增大(只要电流不是增加到损坏二极管的程度)，二极管两端的电压却基本上保持不变，几乎恒定在二极管击穿的电压数值上。这就是二极管的反向击穿特性。利用这个特性，人们制成稳压二极管[1]。由于这种反向击穿特性能起稳压作用，所以在电路中稳压二极管必须反向连接，就是二极管的正极接电源的负极，二极管的负极接电源的正极。1．稳压二极管的原理及电路1.1稳压管的特性稳压管的伏安特性曲线如图l所示。由图可见，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小;当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，即稳压管反向击穿;此后，虽然电流在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，这一特性便可用来稳压。稳压管与其他二极管不同的是，其反向击穿是可逆的。当反向电压去掉后，稳压管又恢复正常状态但是，如果反向电流超过允许值，稳压管的PN结也会因过热而损坏。由于硅管的热稳定性比锗管好，因此一般都用硅管做稳压二极管，例如2CW系列和2DW系列都是硅稳压二极管[2]图1硅稳压二极管伏安特性和符号1.2稳压管的主要参数1.2.1稳定电压U:稳压管反向击穿后稳定工作时的电压值称为稳定电压，如2CW13型为5V一6.5V，具有温度补偿作用的2DW7A型稳压管为5.8V一6.6V。对于某只稳压管，其UZ是这个范围内的某一确定数值。因此在使用时，具体数值需要实际测试。1.2.2稳定电流IZ稳压管反向击穿后稳定工作时的反向电流称为稳定电流。稳压管允许通过的最大反向电流称为最大稳定电流IZmax。使用稳压管时，工作电流不能超过IZmax，否则稳压管可能损坏。1.2.3动态电阻RZ稳压管在反向击穿区的曲线AB段工作时，电压变化量△UZ与电流变化量△IZ之比称为动态电阻，即RZ=△UZ/△IZ，(l)式中：△UZ—稳压管两端电压的变化量；△IZ—稳压管流过电流的变化量。由上式可知，若RZ愈小，则由△IZ引起的UZ的变化量△UZ愈小，反向特性曲线就愈陡稳压管的稳压性能就愈好。1.3稳压管稳压电路交流电压经过整流滤波后，所得到的直流电压虽然脉动已经很小，但是当电源电压波动或负载发生变化时，直流电压将随之发生变化。因此，在整流滤波电路之后常加一级直流稳压电路。最简单的稳压管并联型稳压电路如图2所示。图2稳压管稳压电路当交流电源电压增加而使输入电压Ui增加时，负载电压Uo也将增加，即稳压管两端的电压UZ增加，由于UZ稍有增加，稳压管的电流IZ就会显著增加，因此电阻R上的压降增加，抵消了Ui的增加，使负载电压Uo(Uo=Ui-UR)基本不变。反之，当电源电压降低时，通过稳压管的电流IZ减小，电阻R上的压降减小，使负载电压Uo基本不变。当电源电压不变而负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压Uo随之降低。但是，只要Uo稍有下降，稳压管电流就会显著减小，使通过电阻R的电流和电阻R上的压降基本不变，负载电压Uo也基本不变。当负载电流减小时，稳压过程与此相反。选择稳压管时，一般应按下列要求选取2.稳压二极管的应用2.1基准电压源利用稳压二级管DZ提供基准电压源的电路如图3所示经过全波整流和电容滤波得到直流电压，再经过电阻R和稳压二级管DZ组成的稳压电路，向负载RL提供一个较平稳的直流电压。当交流电源电压不稳或负载变化时，如交流电压增加，会使输出电压Uo升高，负载电压UL也增大。加在稳压二极管DZ两端的电压相应增加，假设此时稳压管已处于击穿状态，由稳压二极管的伏安特性可知。稳压二极管的电压稍有增加，其电流会急剧增加，流过电阻R的电流随之增加，UZ电压增大，使输出电压不能升高。从而维持了输出电压基本不变。这就是用稳压二极管作基准电源的基本原理。图3稳压二级管DZ提供基准电压源2.2过电压保护电路过压保护电路分为过低压保护和过高压保护电路[3]。某些电路和器件不允许在过低压下较长时间工作，为此可采用如图4所示的稳压二极管作过低电压保护电路。当电源电压US超过稳压管击穿电压时，稳压管DZ击穿导通，有足够的电流激励继电器，触点J1动作给负载RL供电。一旦电源电压过低(达不到稳压管稳定电压值)时，就没有电流流过继电器J，J1断开负载即与电源分开。限流电阻SR的选择原则是：SR=SU／Ij-Rj其中Us为电源电压，Ij为继电器工作电流．Rj为继电器直流电阻。图4稳压二极管作过低电压保护电路过高电压保护电路：来自电源的浪涌电压过高．可以采用如图3所示的稳压管保护。图5a是直流电源过电压保护电路，图5b是交流电源过电压保护电路。正常状志下，电源电压低于稳压管的击穿电压，团稳压管的反向电阻很大，对电源相当于开路，稳压管不导通。当电源电压过高时，稳压管被击穿导通，且电流增大，电压受到限制。2.3限幅作用为丁防止放大器等输出电压超过限定值．可采用如图6所示稳压管限幅电路。其输出的电压峰值被限制在约等于稳压管的稳定电压值上该电路为运放限幅电路，DZ1和DZ2对接在反馈电路中。正常工作时输出电压小于稳压管DZ的稳定电压，这条反馈支路不起作用。但当输入电压达到条件时，就有一个稳压管被击穿。另一个正向导通，负反馈加强，使输出电压限制在的范围内。ZU为稳定电压，dU为正向导通电压。稳压管用于限幅的基本电路有串联和并联之分。串联限幅的输出电压波形是输入电压波形中高于稳压管击穿电压的部分，它可用来抑制干扰脉冲，以提高电路的抗干扰能力。还能做鉴幅器。并联限幅的输出电压波形是输入波形中低于稳压管稳定电压的部分，它可以用来整形和稳定输出渡形的幅值。还能将输入的正弦波整形为方波，或是从垒波整流后的波形得到梯形波。选种梯形渡广泛应用于单结晶体管的可控触发电路中做同步电源之用。2.4电平移动和放大器之间的耦合一些直流放大器各级之间无耦台电容或无变压器隔离直流时，各级间的静态工作点会相互影响。为了使其各级之间都能得到一个合适的静态工作点，且被放大的信号损失较小，常用稳压管充当耦合元件。由于稳压管工作在反向击穿区的电阻很小，几乎可以无衰减地传递信号。在数字电路中，由不同类型导电的晶体管组成的分立元件电路和不同种类的数字集成电路，它们的信号电平往往有不同的幅值和极性要求，当它们相互连接时，一般都需要加一个电平移动电路接口。如果前级输出电平大于后级要求的输入电平，且极性相同，通常不用串联或并联限幅器；若前后级信号电平极性相反，则电平转移电路可采用如图5所示的形式，图中虚线框的稳压管和一个电阻组成电平电路：它把信号电平从0～9.5V变成5～0V，从而可与集成电路相匹配。从图7所示波形可以看出：通过电平穆动电路后信号波形不变，但电平移动了一个稳压管的稳定电压值。在实际电路中，常常需要运算放大器驱动TTL数字集成电路，而TTL的工作电压为5V，多数运算放大器的输出为，这显然不能直接驱动。可用图8所示电路使输出的电压信号箝制在-0.7～5V之间，则可完成驱动[4]3.2汽车用整流二极管根据汽车专业推荐标准ZBT36008一89《ZQ型硅整流元件》规定，汽车交流发电机整流用二极管的型号规格如表1所列，其中字母Z表示整流管，Q表示汽车拖拉机用。a.普通二极管，如2AIP1、……、从2AP9、2CP1、……、2CP9等，适用于高频检波、限幅和小电流整流等。b.整流二极管，如1CZll、……、2CZ27等，适用于不同功率的整流器。c.开关二极管，如1AK1、……、1AK4，1CK1、……、2CK19等，适用于计算机、脉冲控制电路和开关电路。d.稳压二极管，如2CW1、……、2CW10，2DW1、……、2DW7等，适用于各种稳压电路[5]。图中的Rb2有什么作用？第一段话的电平移动又指的是什么？向左转|向右转向左转|向右转Rb2在这里有两个作用，一是为稳压二极管VDz限流，二是其上压降随前级放大器输出电压而变化，从而为VT2提供偏置兼信号耦合。所谓电平移动是指VT1集电极输出电平被稳压管的击穿电压吃掉一部分，导致电平下降为VRb2=Vc-VDz。这电流貌似不是很大吧，Rb2是否能去掉？电流不大但不能去掉，去掉稳压管就不能正常工作了。当稳压管两端电压超过其击穿电压时，其端电压就不在上升而表现为电流急剧变化，这个变化的电流就由Rb2承载并限流，其上的压降变化正反映了上级放大器，经电平转移后的输出信号变化。