电子电路原理学习笔记---第5章特殊用途二极管---第1天

第5章 特殊用途二极管

        整流二极管是最常用的一种二极管，作用是将电源电路中的交流电压转换为直流电压。除了整流以外，二极管还有很多其他的应用。本章首先介绍齐纳二极管，它具有优化的击穿特性。齐纳二极管是稳定电压的关键，所以非常重要。本章内容还涉及光敏二极管，包括发光二极管（LED）、肖特基二极管、变容二极管及其他类型的二极管。

5.1齐纳二极管

        小信号二极管和整流二极管在正常工作时是绝对不允许处于击穿区的，因为这样可能会损坏二极管。齐纳二极管（zener diode）则不同，这种硅二极管在制造时对击穿区工作特性进行了优化。齐纳二极管是稳压器的支撑器件，在外加电压和负载电阻有很大变化时仍能使电路的负载电压基本保持稳定。

5.1.1I-V曲线

        图5-1a所示是齐纳二极管的电路符号，图5-1b是另一种电路符号，在这两种符号表示中，形状像z的那条线表示“齐纳”（zener）。通过改变硅二极管的掺杂浓度，厂家可以制造出击穿电压从2-1000V以上的齐纳二极管。这些二极管可以工作在三个区域中的任意一个：正向偏置区、泄漏区以及击穿区。

        图5-1c所示是齐纳二极管的I-V特性曲线。在正偏区域，大约在0.7V开始导通，与普通二极管一样。在泄漏区域（0V和击穿电压之间）时，只有很小的反向电流。齐纳二极管击穿区的拐点很陡，电流增加的曲线几乎垂直，此时电压近似恒定，在整个击穿区域近似等于。数据手册中一般给出的是在特定电流下对应的。

        图5-1c也同时给出了最大的反偏电流，只要反偏电流小于，则二极管工作在安全区域，如果反偏电流大于，二极管将会损坏。为了防止过大的电流出现，必须使用限流电阻。

知识拓展   和普通二极管一样，制造厂家会以色带标记来识别齐纳二极管阴极。

5.1.2齐纳电阻

        在硅二极管的三阶近似中，二极管的正向电压等于阈值电压加上体电阻上的压降。

        类似地，在击穿区，二极管的反向电压等于击穿电压加上体电阻上的压降。在反向区的体电阻称为齐纳电阻，其阻值等于击穿区曲线斜率的倒数，即曲线越陡，齐纳电阻越小。

        在图5-1c中，齐纳电阻体现在当反向电流增大时，反向电压有微小的增加。电压的增加非常小，通常只有零点几伏，这个电压的微小变化在电路设计中可能很重要，但是在故障诊断和基本分析时却并非如此。除非有其他说明，在讨论中将会忽略齐纳电阻。图5-1d所示为典型的齐纳二极管。

5.1.3齐纳稳压器

        齐纳二极管有时又称作稳压二极管，因为当电流变化时它的输出电压可以保持恒定。正常工作时，应该将齐纳二极管反偏，如图5-2a所示。而且，为了使其工作在击穿区，电源电压必须大于齐纳击穿电压。通常需要串联一个限流电阻，以使齐纳电流小于它的最大额定电流，否则将会和其他器件一样，由于功耗过大而导致烧毁。

        图5-2b给出了一种接地的电路画法，电路中存在地时，就能以地为参考来确定电压。

        例如，假设需要测出图5-2a中串联电阻两端的电压。当电路已经搭建好时，可以用以下方法测试：首先知道左端到地的电压，然后测出右端到地的电压，再将这两个电压相减，就得到了两端的电压。如果欧姆表或数字万用表是浮地的，可以跨接在电阻的两端直接测量。

        图5-2c所示的是一个连接串联电阻和齐纳二极管的电源，这个电路用来产生一个小于电源电压的直流输出电压。这种电路称为齐纳电压稳定器，简称齐纳稳压器。

5.1.4利用欧姆定律

        在图5-2中，串联电阻或限流电阻两端的电压等于电源电压与齐纳电压之差，所以流过电阻的电流为：

        因为图5-2所示的是串联电路，所以得到了串联电流，也就得到了齐纳电流。要注意的是，电流必须小于。

5.1.5理想齐纳二极管

        为了故障诊断和基本分析的方便，可将击穿区变化曲线近似认为是垂直的，这样在电流改变时可以认为电压不变，相当于忽略了齐纳电阻。图5-3所示是齐纳二极管的理想化近似，即齐纳二极管在击穿区工作的理想情况可以看作一个电池。在电路中，如果齐纳二极管工作在击穿区，就可以将齐纳二极管当成一个电压值为的电压源。

例5-1假设图5-4a所示电路中齐纳二极管的击穿电压为10V，齐纳电流的最小值和最大值是多少？

        解：电源电压变化范围是20～40V，理想情况下，齐纳二极管就像一个电池，如图5-4b所示。因此，当所加电压在20～40V之间变化时，输出电压保持10V不变。

最小电流出现在电源电压最小时，电阻左端为20V，右端为10V，因而电阻上的电压为20V-10V，即10V，由欧姆定律可得

图 5-4举例

同理，最大电流发生在电源电压为40V时，电阻上的电压为30V，得到电流为：

        在图5-4a所示稳压器电路中，尽管电源电压从20V变化到40V，输出电压保持10V不变。电源电压越大，产生的齐纳电流越大，但输出电压稳定在10V（若考虑齐纳电阻，则输出电压将会随电源电压的增加而略有增加 ）。

5.2带负载的齐纳稳压器

        图5-5a所示为带负载的齐纳稳压器，图5-5b所示是有参考地的相同电路。齐纳二极管工作在击穿区，保持负载电压不变。即使电源电压或者负载电阻发生变化，负载两端的电压保持不变并且等于齐纳电压。

5.2.1工作在击穿区

        判断图5-5中的齐纳二极管是否工作在击穿区的方法如下，根据分压关系，二极管两端对应的戴维南电压为：

这是齐纳二极管未连接时的电压，这个戴维南电压必须比齐纳电压大，否则二极管不会被击穿。

5.2.2串联电流

        除非特别提示，后续所有的讨论都假设齐纳二极管工作在击穿区。在图5-5中，流过串联电阻的电流为：

        这里将欧姆定律应用于限流电阻，无论是否有负载电阻，它的表达形式是一样的，或者说，即使将负载电阻断开，流过串联电阻的电流仍然等于它上边的电压与电阻之比。

5.2.3负载电流

        理想情况下，由于负载电阻与齐纳二极管是并联的，负载上的电压等于齐纳电压：

这样就可以根据欧姆定律计算负载电流：

5.2.4齐纳电流

        由基尔霍夫电流定律：

        齐纳二极管和负载阻抗是并联的，它们的电流之和等于总电流，即流过串联电阻的电流。

        可以将前边的公式写成如下重要形式：

        这个式子告诉我们，齐纳电流不再像无负载齐纳稳压器那样等于串联电流了。由于负载电阻的存在，齐纳电流等于串联电流减去负载电流。

        表5-1总结了含负载的齐纳稳压器的电路分析步骤，从串联电流开始，然后分析负载上的电压和电流，最后分析齐纳电流。

5.2.5齐纳效应

        当击穿电压大于6V时，发生击穿的原因是雪崩效应。关于雪崩效应可参照第2章的讨论，其基本原理是少数载流子被加速到足够大的速度从而产生出更多的少子，产生一个连锁的如雪崩一样的效应，从而产生一个很大的反向电流。

        齐纳效应与此不同，当二极管是重掺杂时，耗尽层变得非常窄，因此耗尽层的电场（电压除以距离）非常大。当电场达到大约300000V/cm时，其强度足以将电子从其价带轨道中拉出，这种产生自由电子的方式称为齐纳效应（也称作场致激发）。齐纳效应与雪崩效应有显著区别，雪崩效应是通过高速的少子使价带电子成为自由电子。

        当击穿电压小于4V时，只发生齐纳效应；当击穿电压大于6V时，只发生雪崩效应；当击穿电压介于两者之间时，两种效应都存在。

        齐纳效应的发现要早于雪崩效应，所以工作在击穿区的所有二极管都被称作齐纳二极管。虽然偶尔会叫作雪崩二极管，但齐纳二极管的说法更常用。

5.2.6温度系数

        当环境温度改变时，齐纳电压将随之发生微小变化，在数据手册中，温度的影响列在温度系数这一项中，它定义为温度每增加带来的击穿电压的改变。在击穿电压小于4V时（齐纳效应），温度系数是负值。例如，击穿电压为3.9V的某齐纳二极管的温度系数为-1.4mV/℃，即温度每增加，击穿电压减小1.4mV。

        另一方面，当击穿电压大于6V时（雪崩效应），温度系数是正值。例如，击穿电压为6.2V的某齐纳二极管的温度系数为2mV/℃，即温度每升高，击穿电压增加2mV。

        在击穿电压介于4-6V时，温度系数从负值变到正值。也就是说，有些击穿电压在4-6V的齐纳二极管具有零温度系数，这一特性对于那些需要在温度变化较大的环境中保持稳定电压的电子产品非常重要。

知识拓展   在齐纳电压介于3～8V之间时，温度系数受二极管反向电流的影响也很大。随着反向电流的增加，温度系数向正向变化。

知识拓展   在需要高稳定参考电压源的电路中，齐纳二极管与一个或多个半导体二极管串联起来使用，这些二极管的电压随温度的变化方向与的变化方向相反，从而使在很宽的温度范围内保持稳定。

例5-2图5-6a所示电路中的齐纳二极管是否工作在击穿区？

        解：由式（5-2）有：

因为戴维南电压大于齐纳电压，所以齐纳二极管工作在击穿区。

例5-3图5-6b所示电路中，通过齐纳二极管的电流等于多少？

        解：图中给出了串联电阻两端的电压，两者相减即得到串联电阻上的电压为8V，根据欧姆定律：

由于负载电压为10V，则负载电流为：

齐纳电流是两个电流之差：

应用实例5-4图5-7所示电路的功能是什么？

        解：这是一个采用前置稳压器（第一个齐纳二极管）来驱动齐纳稳压器（第二个齐纳二极管）的例子。首先，前置稳压器的输出电压是20V，这是第二个齐纳二极管的输入，第二个稳压器输出电压为10V。基本思路是给第二级齐纳稳压器提供一个已经稳压的输入，使它的输出电压更稳定。

应用实例5-5图5-8所示电路的功能是什么？

        解：在大部分应用中，齐纳二极管用于稳压，工作在击穿区。但是也有例外，有时齐纳二极管被用来实现如图5-8所示的波形整形。

        这两个齐纳二极管是背靠背连接的，在输入波形的正半周，上方的二极管导通，下方的二极管击穿。这样，输出波形被削平，如图所示，削波后的电平等于齐纳电压（击穿的二极管）加上0.7V（正偏的二极管）。

        在输入波形的负半周期，情况则相反。下方的二极管导通，上方的二极管击穿。这样，输出波形接近方波，输入正弦波的幅度越大，输出的方波整形效果越好。

应用实例5-6简要描述图5-9所示各个电路的工作原理。

        解：图5-9a的电路给出了一种在20V的电源电压下，使用齐纳二极管和普通二极管产生多个直流输出电压的方法。底部的二极管产生10V的输出，每个普通二极管都是正向偏置的，分别产生10.7V、11.4V的输出，如图5-9a所示。顶部二极管的击穿电压为2.4V，给出13.8V的输出。将齐纳二极管与普通二极管以其他方式连接构成类似电路，可以产生不同的直流输出电压。

        如果将一个6V的继电器接到12V的系统中，继电器可能会损坏，所以需要降低电压。图5-9b给出了一个方案，将一个击穿电压为5.6V的齐纳二极管与继电器串联，则加在继电器两端的电压只有6.4V，这通常在继电器工作的额定电压范围之内。

        大的电解电容器往往具有较小的额定电压。例如，1000μF的电解电容的额定电压可能只有6V，这意味着电容器两端的最大电压必须小于6V。图5-9c给出了一种在12V电源电压情况下使用额定电压为6V的电解电容器的解决方法。其基本原理都是利用齐纳二极管降低部分电压，在这个例子中，齐纳二极管压降为6.8V，余下5.2V的电压加在电容上，这样电解电容在实现对电源滤波的同时，其工作电压可保持在额定范围内。

图 5-9齐纳管的应用

5.3齐纳二极管的二阶近似

        图5-10a所示是齐纳二极管的二阶近似，齐纳电阻与一个理想电池串联，二极管的总电压等于击穿电压加上齐纳电阻上的压降，由于齐纳电阻相对较小，它对齐纳二极管两端总电压的影响很小。

5.3.1对负载电压的影响

        如何计算齐纳电阻对负载电压的影响？图5-10b所示是一个电源驱动有载齐纳稳压器的电路。理想情况下，输出电压应该等于击穿电压，但是在二级近似下，需要考虑齐纳电阻，如图5-10c所示，由于上的额外压降，将会导致输出电压略有增加。

        图5-10c中，由于齐纳电流流过齐纳电阻，所以输出电压为：

        可见，相对于理想情况，输出电压的改变量为：

        通常情况下很小，所以引起的电压变化不大，一般为零点几伏。例如，当=10mA，=10Ω时，=0.1V。

知识拓展   击穿电压为7V左右的齐纳二极管具有最小的齐纳阻抗。

图 5-10齐纳二极管的二阶近似

5.3.2对纹波电压的影响

        当考虑到纹波电压时，可以采用图5-11a所示的等效电路。能够影响纹波电压的器件只有图中的三个电阻。可以将这个电路进一步简化，对一般设计而言，远小于，所以影响纹波电压的最重要的两个元件是串联电阻和齐纳电阻，如图5-11b所示。

由于图5-11b是一个分压电路，故输出纹波电压为：

        计算波纹电压并不要求特别精确，由于一般设计中远远大于，在故障诊断和初步分析时可以采用近似计算：

图 5-11齐纳稳压器减小纹波

例5-7图5-12所示电路中，齐纳二极管的击穿电压为10V，齐纳电阻为8.5Ω，采用二级近似，计算当齐纳电流为20mA时的负载电压。

        解：输出电压的变化量等于齐纳电阻与齐纳电流的乘积：

        对于二级近似，输出电压为：

例5-8在图5-12中，=270Ω，=8.5Ω，=2V，计算负载上的纹波电压。

        解：输出波纹电压近似等于输入波纹乘以与之比：

应用实例5-9图5-13中的齐纳稳压器，=10V，=270Ω，=8.5Ω，使用与例5-7和例5-8相同的数值，描述Multisim电路仿真时的测量过程。

图 5-13齐纳稳压器纹波的Multisim分析

        解：如果采用前文所述方法对图5-13电路的电压进行计算，将得到以下结果。匝数比为8:1的变压器的二次电压峰值为21.2V，减去两个二极管的压降，滤波电容上的峰值电压为19.8V。流过390Ω电阻的电流为51mA，流过的电流为36mA，电容需要提供这两个电流的和，即87mA。根据式（4-10），这个电流将会导致电容上产生大约2.7V（峰峰值）的纹波电压，由此得到齐纳稳压器输出的纹波电压近似等于85mV（峰峰值）。

        由于纹波电压较大，电容器两端的电压将会在17.1～19.8V之间摆动，取两者的平均值得到滤波电容上的直流电压约为18.5V。这个直流电压有所下降，意味着之前计算的输入及输出的纹波电压也将减小，如前所述，这只是估算，精确分析需要考虑高阶效应。

         现在看一下Multisim的测量结果，这个结果几乎是精确的。万用表读数为18.78V，非常接近估计值18.5V，示波器的通道1给出电容上的纹波电压近似为2V（峰峰值），比估计值2.7V（峰峰值）要小一些，但仍然在合理近似范围之内。最终由通道2测得齐纳稳压器的纹波电压大约为85mV（峰峰值）。

5.4齐纳失效点

        齐纳稳压器要保持输出电压恒定，齐纳二极管必须在所有工作条件下都处于击穿区。也就是说，在电源电压和负载电流的变化过程中，二极管中必须始终有齐纳电流通过。

        图5-14a给出了一个齐纳稳压器，得到以下电流：

        考虑电源电压从20V减小到12V的情况。通过前边的计算可以看到，将会减小，不变，将会减小。当减小到12V时，等于10mA，=0，在这个较低的电源电压作用下，齐纳二极管即将脱离击穿区，如果电源电压继续下降，稳压特性将会丧失，或者说，负载电压将会小于10V，所以，电源电压太低将会导致齐纳电路的稳压作用失效。

        另外一种导致稳压失效的情况是负载电流过大。在图5-14a中，考虑负载电阻从1kΩ减小到200Ω的情况。当负载电阻降低为200Ω时，负载上的电流增加到50mA，齐纳电流减小到0，同样地，齐纳二极管即将脱离击穿区。所以，负载电阻太小也会导致稳压失效。

        最后考虑当从200Ω增加到1kΩ的情形。在这种情况下，串联电流从50mA减小到10mA，所以过大的串联电阻也能够使电路脱离稳压区。

        将上述情况进行归纳，可得到所有最坏条件，如图5-14b所示。当齐纳电流接近0时，齐纳稳压器接近失控或失效条件。通过分析这种最坏情况，可以得到以下公式：

另外一种形式也很有用：

这两个等式非常重要，可以用来检查齐纳稳压器在任何条件下是否有可能失效。

图 5-14齐纳稳压器

例5-10一个齐纳稳压器的输入电压可以从22V变化到30V，如果它的稳定输出电压是12V，负载电阻从140Ω变化到10kΩ，允许的最大串联电阻是多少？

        解：利用式（5-9）计算最大串联电阻：

只要串联电阻小于117Ω，齐纳稳压器就可以在各种情况下正常工作。

例5-11一个在例5-10中，若输入电压范围是15～20V，负载电流变化范围是5～ 20mA，若齐纳电压为6.8V，允许的最大串联电阻是多少？

        解：利用式（5-10）计算最大串联电阻：

只要串联电阻小于410Ω，则齐纳稳压器可在各种情况下正常工作。