第11节 什么是齐纳二极管？ (修订中)
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# 1. 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而导致的击穿而不会完全失效。在这里，我们将讨论使用二极管调节电压降的概念，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。
# 2. 二极管如何调节电压降
如果我们将[二极管](https://www.allaboutcircuits.com/video- 电阻 (opens new window)与直流电压源串联，使二极管正向偏置，则二极管两端的电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_与正向电压降的功率成正比。因为这是一个指数函数，所以对于电压降的适度增加，电流会迅速上升。
考虑这一点的另一种方法是说，对于二极管电流的大变化，正向偏置二极管上的压降变化很小。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，我们知道它与 0.7 伏相差不大。
正向偏置硅参考：(a) 单个二极管，0.7V，(b) 10 个串联的二极管 7.0V。
如果要增加电源电压，电阻器的电压降会增加几乎相同的量，而二极管的电压会下降一点点。相反，电源电压的降低将导致电阻器压降几乎相等地降低，而二极管压降仅略微降低。
总之，我们可以通过说二极管将电压降_调节_在大约 0.7 伏来总结这种行为。
# 3. 电压调节的使用
电压调节是一个有用的二极管特性。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，其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图所示的电路，并在二极管两端连接需要稳定电压的电路，它会接收到不变的 0.7 伏电压。
这肯定会起作用，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将多个二极管串联起来，这样它们各自的 0.7 伏正向电压降就会增加，从而产生更大的总电压。
例如，在我们上面的示例 [图 (b)] 中，如果我们有 10 个串联的二极管，则调节电压将是 0.7 的十倍，即 7 伏。
只要电池电压从不低于 7 伏，十个二极管“堆栈”上总会有大约 7 伏的电压下降。
# 4. 齐纳二极管如何调节电压
如果需要更大的稳压，我们可以使用更多的串联二极管（在我看来，这是一个不雅的选择），或者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，_反向击穿电压也是如此。_击穿电压通常比正向电压大得多。
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，它不再能够承受施加在其上的反向偏置电压），二极管将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) 反向偏置的 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，它们通常是破坏性的。但是，可以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。这种二极管称为_齐纳二极管_，其符号如上图（b）所示。
当正向偏置时，齐纳二极管的行为与标准整流二极管非常相似：它们具有遵循“二极管方程”的正向电压降，约为 0.7 伏。在反向偏置模式下，它们直到施加的电压达到或超过所谓的_齐纳电压_时才会导通，此时二极管能够传导大量电流，并且这样做会试图将压降限制在其上那个齐纳电压点。
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，齐纳二极管有时被称为“击穿二极管”。
# 5. 齐纳二极管电路
齐纳二极管制造的齐纳电压范围从几伏到数百伏不等。该齐纳电压随温度略有变化，并且与常见的碳成分电阻器值一样，可能与制造商的规格有 5% 到 10% 的误差。但是，这种稳定性和精度通常足以使齐纳二极管用作下图中常见电源电路中的稳压器件。
齐纳二极管稳压电路，齐纳电压 = 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：二极管是_反向偏置的_，并且是故意的。如果我们以“正常”方式定向二极管，以便正向偏置，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操作它。只要电源电压保持在齐纳电压（在本例中为 12.6 伏）以上，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，齐纳二极管对温度敏感。过高的温度会损坏齐纳二极管，因为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，在设计稳压器电路时必须小心谨慎，不要超过二极管的额定功率耗散。有趣的是，当齐纳二极管因功耗过大而失效时，它们通常会_短路_而不是开路。以这种方式发生故障的二极管很容易被检测到：当任何一种方式偏置时，它都会下降几乎为零的电压，就像一根电线一样。
# 6. 稳压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（我们认为齐纳电压_正好_为12.6伏，以避免必须将所有数字限定为下图（a）中的“近似值”
如果齐纳二极管的电压为 12.6 伏，而电源的电压为 45 伏，则电阻两端将下降 32.4 伏（45 伏 - 12.6 伏 = 32.4 伏）。1000 Ω 上的 32.4 伏电压在电路中产生 32.4 mA 的电流。（下图（b））
(a) 带有 1000 Ω 电阻器的齐纳稳压器。(b) 电压降和电流的计算。
功率是通过将电流乘以电压 (P=IE) 来计算的，因此我们可以很容易地计算电阻器和齐纳二极管的功耗：
一个额定功率为 0.5 瓦的齐纳二极管就足够了，一个额定功耗为 1.5 或 2 瓦的电阻器也足够了。
# 7. 具有更高电阻的齐纳二极管电路
如果过多的功耗是有害的，那么为什么不设计电路以尽可能减少功耗呢？为什么不直接将电阻器的尺寸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？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。
只有我们之前的 1/100 电流（324 µA 而不是 32.4 mA），两个功耗数据应该小 100 倍：
# 8. 负载电阻的注意事项
看起来很理想，不是吗？更少的功耗意味着二极管和电阻器的工作温度更低，系统中的能量浪费也更少，对吧？较高的电阻值_确实会_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，而这个东西将有自己的电流消耗。
# 9. 低值降电阻考虑
考虑我们的第一个稳压器电路，这次是一个 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 毫安的电流。为了使 1 kΩ 串联“降压”电阻降 32.4 伏（将齐纳二极管两端的 45 伏电源电压降低到 12.6 伏），它仍然必须传导 32.4 毫安的电流。这会留下 7.2 mA 的电流通过齐纳二极管。
更高的价值下降电阻考虑
现在考虑我们的“省电”稳压器电路，它带有 100 kΩ 降压电阻，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。但是，正如我们将看到的，它_无法_完成这项任务。（下图）
具有 100 KΩ 串联电阻和 500 Ω 负载的齐纳非稳压器。>
使用较大的降压电阻值，500 Ω 负载上的电压只有大约 224 mV，远低于 12.6 伏的预期值！为什么是这样？如果我们实际上有 12.6 伏的负载，它会像以前一样消耗 25.2 毫安的电流。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（更大的！）降压电阻器，则该电阻器两端的电压降为 25.2 mA 的电流通过它将是 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。
没有齐纳二极管的更高的抗跌落分析
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。
去除齐纳二极管的非稳压器。
100 kΩ 降压电阻和 500 Ω 负载电阻彼此串联，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) 告诉我们电流为 447.76 µA。计算两个电阻上的电压降 ( E=IR (opens new window) )，我们分别达到 44.776 伏和 224 毫伏。
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，在这种低电压下，即使二极管正向偏置，它也不会导通！因此，二极管停止调节电压。必须至少降低 12.6 伏电压才能“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以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完整的齐纳电压将始终下降！请记住，齐纳二极管通过_将_电压限制在某个最大值来工作。他们无法_弥补_电压不足。
# 10. 齐纳二极管稳压操作中的规则
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。如果负载电阻过低，则会消耗过多的电流，从而使串联降压电阻上的电压下降过多，从而使齐纳二极管上的电压不足以使其导通。当稳压二极管停止导通电流时，它就不能再调节电压，负载电压将低于调节点。
# 11. 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两个电阻串联电路（无二极管）中的电阻，插入已知的总电压值和下降电阻电阻值，并计算出 12.6 伏的预期负载电压：
总电压为 45 伏，负载两端电压为 12.6 伏，我们应该在 R 上下降32.4 伏：
降压电阻上的电压为 32.4 伏，其中的电阻值为 100 kΩ，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相等：
计算负载电阻现在是欧姆定律 (R = E/I) 的简单问题，得到 38.889 kΩ：
因此，如果负载电阻恰好为 38.889 kΩ，则其两端将有 12.6 伏，二极管或无二极管。任何小于 38.889 kΩ 的负载电阻都会导致负载电压低于 12.6 伏，二极管或无二极管。二极管就位后，对于任何_大于_38.889 kΩ 的负载电阻，负载电压将被调节到最大 12.6 伏。
降压电阻的原始值为 1 kΩ，我们的稳压器电路即使在负载电阻低至 500 Ω 的情况下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。较高值的降压电阻器使我们的功耗更小，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。
# 12. 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，以确保负载两端的电压降恒定。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，而且在驾驶条件不需要时，必须建立制动器来处理所有发动机的动力。
尽管设计存在这种根本性的低效率，但齐纳二极管稳压器电路由于其纯粹的简单性而被广泛采用。在效率低下无法接受的大功率应用中，应用了其他电压调节技术。但即便如此，基于齐纳二极管的小型电路也经常用于提供“参考”电压，以驱动更高效的放大器电路来控制主电源。
# 13. 常见的齐纳二极管电压
齐纳二极管按照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。瓦数对应于芯片和封装尺寸，是二极管可以在不损坏的情况下消耗的功率。
常见的齐纳二极管电压
| 0.5W | ||||||
| 2.7V | 3.0V | 3.3V | 3.6V | 3.9V | 4.3V | 4.7V |
| 5.1V | 5.6V | 6.2V | 6.8V | 7.5V | 8.2V | 9.1V |
| 10V | 11V | 12V | 13V | 15V | 16V | 18V |
| 20V | 24V | 27V | 30V | |||
| 1.3W | ||||||
| 4.7V | 5.1V | 5.6V | 6.2V | 6.8V | 7.5V | 8.2V |
| 9.1V | 10V | 11V | 12V | 13V | 15V | 16V |
| 18V | 20V | 22V | 24V | 27V | 30V | 33V |
| 36V | 39V | 43V | 47V | 51V | 56V | 62V |
| 68V | 75V | 100V | 200V |
__齐纳二极管限幅器：__一种限幅电路，可在二极管的齐纳电压附近对波形峰值进行限幅。下图的电路有两个串联的齐纳二极管，它们在接近齐纳电压时对称地削波波形。该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 二极管 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大约 10 V 处削波。背靠背二极管削波两个峰值。对于正半周期，顶部齐纳二极管反向偏置，在 10 V 的齐纳电压下击穿。下部齐纳二极管下降约 0.7 V，因为它是正向偏置的。因此，更准确的削波电平是 10+0.7=10.7V。类似的负半周期削波发生在 -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。
# 14. 总结
- 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_电压，在该电压下它们开始传导大量反向电流。
- 齐纳二极管可以通过充当辅助负载来充当电压调节器，如果电压过高，则从源中汲取更多电流，如果电压过低，则从源中汲取更少的电流。
相关练习：
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