分析稳压二极管的工作原理及其限流电阻的公式推导
一、二极管主要参数
在实际应用中选择适当的二极管对电路的设计很重要,不同用途的二极管有不同的结构,有不同的参数要求:不同用途的二极管对二极管参数的要求也不同。
二极管的主要参数如下:
1、最大整流电流;二极管的最大整流电流是指在规定测试温度下,二极管允许通过的最大平均大流。
二极管在正常工作时,平均工作电流不应超过此值,二则会损坏二极管。
2、最大反向峰值电压:最大反向峰值电压是指在二极管工作时允许承受的最大反向电压
3、最大正向浪涌电流:最大正想浪涌电流时二极管允许流过的过量的正向电流,表示二极管承受非正常工作电流(浪涌电流不是经常出现,只是偶然出现)的能力。
一般测试时,规定一个50Hz的浪涌电流。
4、反向电流:指二极管在未击穿是的反向电流(后续会介绍),一般规定在是温度25°C时进行测试。
5、反向恢复时间:当二极管两端电压从正向电压变为反向电压时,理想情况是电流能瞬时截止,但是实际要延迟一段时间,这段时间久成为反向恢复时间。
不同用途的二极管对各种参数的要求不同,表(1-1)和表(1-2)列出了二极管的参数,以供参考
二、极管的种类
二极管的种类有很多,出了普通的二极管和整流二极管外,还有利用特殊工艺制造的具有各种不同用途的二级管,如稳压管(齐纳二极管)、光敏二极管,发光二极管等。
下面,主要介绍的是在电路中最常见的二极管的一种——稳压二极管
三、稳压二极管及其工作原理
我们都知道,二极管加反响偏置电压时,如果反向电压达到UBR,则二极管会产生击穿。
击穿时反向电流迅速增加,但是此时二极管两端的电压变化很小。
稳压就是根据PN结的这一特性,经特殊工艺制造的。
稳压管又称齐纳二极管。
使用稳压管可以提供一个较为固定的稳定电压。
稳压管的图形符号和伏安特性曲线如图1所示
由图1可知,稳压管在伏安特性的击穿区间电
流变化很大,而稳压管上的电压变化很小。
稳压管工作时,应加上反向击穿电压,流过稳
压管的电流时反向电流,在击穿区域的反向电流较
大,因此稳压管在击穿区的交流电阻很小,大约为
几欧到几十欧,有时可近似为零。
使用稳压管时,
一定要有限流电阻,否则稳压管会因电流过大而发
生热击穿。
稳压电路的组成及作用:为了消除由于电网电
压的波动及负载的变化引起的输出直流电压不稳定,必须在整流滤波后解稳压电路。
稳压电分为两类,一类是自动调节部分与输出部分并联,另一类则与输出部分串联。
其中,稳压二极管在稳压电路起到不可替代的作用。
图2所示为一个典型的由稳压管和电阻组成的稳压电路。
在图2中,R为限流电阻,Vs为稳压管,R0为
负载电阻。
当输入电压Ui变化时,电路可以经过一个
自动调节的过程使负载电阻上的电压(输出电压Uo)
基本不变。
若家电股U1升高,则有以下调节的过程:
Ui上升使输出电压Uo有上升的趋势,使稳压管
Vs上的反向电压升高,稳压管的电流Iz迅速增加,
这是R上的电流增加,使R上的压降增加,因
Uo=Ui-Ur,Uo有下降趋势,故Uo基本不变,此电路
工作的实质是将输入电压的变化转化为电阻R上电压变化,而使输出电压变化不大。
要使电路正常工作,稳压管的电流要限制在一定范围之内,即在Imin和Imax之间(稳压管电流小于最小电流时,不能起到稳压作用;稳压管电流大于最大值时,稳压管有可能烧毁)。
稳压管工作时的消耗一定要确保小于额定值。
对图2可以写出两个特殊情况下的表达式:当负载电流最小(即I L=I Lmin)且输入电压最大(Ui=Umax)时,Iz最大,即Is=Imax;当负载电流最大时(即I L=I Lmax)且输入电压最小(即Ui=Umax)时,Iz最小,即Iz=Izmin。
在这两种情况下R的表达式分别如下:
Iz最大时R=(Uimax-Uz)/(Iz max+I Lmin)(1-12)
Iz最小时R=(Uimin-Uz)/(Iz min+I Lmax)(1-13)
一般Iz min取值为0.1Iz max(若元件参数中提供了具体值,需参考具体值),因此式(1-13)可以写为R=(Uimax-Uz)/(0.1Iz max+I Lmax)(1-14)式(1-12)和式(1-14)相等,因此有
(Uimax-Uz)/(Iz max+I Lmin)=(Uimax-Uz)/(0.1Iz max+I Lmax)(1-15) 式(1-15)可以确定使用稳压二极管最大工作电流Iz max,从而可以选用合适功率的稳压管。
四、限流电阻
顾名思义就是限制电流的电阻,它在电路中的作用主要有两个,一是在确定的电压条件下,使电路中的电流限制在一定数值以下;一是在电压反常(如超压)情况下,对电路主板起着保护作用,即牺牲限流电阻保护主板(相当于保险管的作用)。
在稳压电路中,电阻RL是负载电阻,R为稳压调整电阻(也称为限流电阻),D为稳
压管。
按稳压电路设计准则,在输入电压基本不变时,RL变小时,流过RL的电流增加,但流过D的电流却减少。
(1)怎样计算稳压二极管的限流电阻?
下图电路中,稳压二极管负起调节作用,当负载电流减少时,限流电阻两端电压降便下降,输出电压上升,即相对地加大稳压二极管的反向电压,稳压电流IZ上升,使IRS亦上升,限流电阻RS的降压便上升,输出电压下降,结果输出电压保持不变。
缺点是不能获得较大输出电流。
(2)电压调节百分比:%V.R
电压的稳定程度,比数愈低愈好,
当直流电压输入VS或负载电流IL变
动,其输出Vo可以保持在一定范围内
不变。
%V.R=[(V NL-V FL)/V FL]x100%
V NL:无负载时的电压输出
V FL:满载时的电压输出
(3)限流电阻的计算
限流电阻(R S) : (1)提供V Z之工作电流。
(2)保护V Z不受过流损坏。
两个极端情况:
当V S=V S(M ax),I L=I L(M in) 时
Rs>[V S(M ax)-V Z]/[Iz(max)+I L(M in)]
Rs=Rs(min),Iz(max)等于最大工作电流
所以:[V S(M ax)-V Z]/[Iz(max)+I L(M in)]<Rs<[V S(Min)-V Z]/[Iz(min)+I L(Max)] (4)稳压管二极管在电源中的作用
当V S=V S(M ax),I L=I L(M in) V RS=V S-V Z
Is=I L+I Z
所以:Rs<{V S(Min)-V Z]/[Iz(min)+I L(Max)]
例:设计一个由稳压管组成的稳压电路,保证负载能得到6V
的稳定电压,负载电流的变化范围是0~100mA,输出电压变
化范围是9~11V。
解:设计电路如图1-32所示。
题目要求负载得到的6V的稳定电压,因此选稳压
值为6V的稳压管,由式(1-15)可求出稳压管的最大
工作电流。
(Uimax-Uz)/(Iz max+I Lmin)=(Uimax-Uz)/(0.1Iz max+I Lmax)(1-15)
即
(11-6)/(Iz max+0)=(9-6)/(0.1Iz max+100)
可求出Iz max=200nA。
因此,稳压管的最大管耗是P z max=Iz max Uz=0.2x6W=1.2W.
一般在电路设计中都要留有余地,因此要选Iz max和P z max均比计算值大的稳压管。
限流电阻用式(1-12)可以求出
R=(Uimax-Uz)/(Iz max+I Lmin)=(11-6)/(0.2+6)=25Ω
五、选择二极管的基本原则
1.要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管。
2.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。
3.要求反向击穿电压高时选硅管。
4.要求耐高温时选硅管。
六、串联型稳压电路
1、基本调整稳压电路
为了使稳压管稳压电路输出大电流,需要加晶体管放大。
稳压原理:电路引入电压负反馈,输出稳定电压。
调整管的作用及提高稳压性能
不管什么原因引起Uo变化,都将通过Ice和Uce的调节使Uo稳定,故称晶体管为调整管。
若能提高电路的稳压性能,则应加深电路的负反馈,即提高放大电路的放大倍数。
2、具有放大作用的放大电路
稳压原理:若由于某种原因使Uo增大,则Uo↑→Un↑→Ub↓→Uo↓
输出电压的调节范围:
七、并联型稳压电路
并联型稳压电路是将稳压管与负载电阻并联,稳压管工作在反向击穿区,可在一定条件下使输出电压基本不变,从而起到稳压作用,如图所示
适用于电压固定,输出电流不大,且负载变化不
大的电路中。
稳压原理:Uo上升,稳压管的电流Iz增加,这是R上的电流增加,使R上的压降增加,Uo下降,所以Uo变化基本不变。
八、总结
稳压管在实际电路应用中,应用非常广泛,利用稳压二极管的稳压特性,巧妙的设计电路,得到人们想要的结果。
稳压二极管串并联电路的可移植性非常好,适用于许多环境。
若电路使用不当,会起到相反作用,因为稳压管的稳压范围非常小,所以很容易击穿导致损坏,只有在适当的击穿范围使用才能体现其最佳的使用效果。