齐纳二极管
齐纳二极管
齐纳二极管的主要作用就是当作一种电压调整器,QLCO-A146提供稳定的参考电压,可应用在电源供应器、电压表与其他的仪器中。齐纳二极管的符号如图3.1所示。齐纳二极管是一种硅pn 结元件,它和整流二极管不同,因为它是设计用于反向击穿区。齐纳二极管的击穿电压,可在生产制造时仔细控制掺杂的程度加以设定, 其伏安特性曲线如图3.2,一般整流二极管和齐纳二极管的工作区域,是以阴影区域表示。假如齐纳二极管处于正向偏压,它就如同整流二极管一般。
齐纳击穿
齐纳二极管是设计用于反向击穿区。齐纳二极管的反向击穿有两种类型,就是累增击穿和齐纳击穿。齐纳击穿则是齐纳二极管在低反向偏压时发生。如果齐纳二极管经过大量掺杂,就可降低击穿电压。这样可以产生很薄的耗尽区, 结果就可在耗尽区产生很强的电场, 从而导致隧道效应。当接近反向击穿电压(Vz)时,电场的强度足够将电子拉离价带,因而产生大量的电流。齐纳二极管的击穿电压若约小于5V ,就会工作于反向击穿区。而那些高于5V 击穿电压的齐纳二极管,则是工作于累增击穿区, 两种类型都称为齐纳二极管。 击穿特性
图3.3显示齐纳二极管的特性曲线的反向偏压部分。请注意当反向偏压(VR)增加,反向电流(IR)-直到曲线的膝点之前都仍然维持非常小。此时的反向电流又称为稳定电流。在这一点,击穿效应开始出现,内部的电阻值,也称为动态阻抗(Zz),随着反向电流快速增加而开始降低。从膝点以下,反向击穿电压(vz)基本上维持定值,即使当稳定电流增加也只些微地增加。
这种能够维持两端之间反向电压不变的能力,就是齐纳二极管的关键特性。当齐纳二极管工作在击穿区时就像一个电压调整器,因为它在特定的反向电流范围内,两端的电压几乎维持在固定值。为了调整电压,要让二极管维持在击穿区工作,就必须保持反向电流在最低值。可以从在图3.3中的曲线看出,当反向电流阵低到曲线的膝点以下,电压会急速地下降,因此丧失调整电压的功能。同时,当二极管的电流超过最大值IZM 时,二极管可能会因为过量的功率消耗而损毁。所以,基本上当齐纳二极管的反向电流值在IZK ~IZM 的范围内,它在两端之间会维持接近定值的电压。通常资料表中所指的稳定电压,是指当反向电流为齐纳测试电流时的电压。
齐纳等效电路
图3.4(a)显示齐纳二极管在反向击穿区的理想模型。它拥有等于齐纳电压的定值电压降。这个定值电压降可用一个直流电压源加以表示,
事实上虽然齐纳二极管并不会产生一个电动势
(emf)的电压源。这个直流电压源只是表示在反向击穿时,在二极管两端会产生一个固定电压的情况。
图3.4(b)代表齐纳二极管的实际模型,这个模型包含动态阻抗(Zz)。因为实际的电压曲线并不是完全垂直的,齐纳电流的改变( △Iz) 会产生微小的齐纳电压变更(△Vz) ,如图3.4(c)所示。由欧姆定律,△Vz 对△Iz 的比率就是阻抗,如下式所示:Zz=△Vz/△Iz
4. 温度系数
温度系数( temperature coefficient)是指对每摄氏温度的改变,所造成稳定电压的变动百分比。例如,一个12V 的齐纳二极管有一个正温度系数0.Ol%/℃,当接面温度上升一摄氏度时,稳定电压会上升1.2mV 。依据提供的温度系数,接面温度的变动量,则稳定电压的变动量可由下式计算出来: △Vz=Vz×TC ×△T (3.2)
其中,Vz 是在25℃时的指定稳定电压,而TC 是温度系数,△T 是温度的变动量。正值的TC 意指当温度增加时,稳定电压也增加,或者温度降低时,稳定电压也随着降低。负值的意指当温度增加时,稳定电压降低,或者温度降低时,稳定电压反而增加。
在某些情况下,温度系数是以mV/℃表示,而不以%/℃表示。在这些情况下,计算如下: △Vz= TC ×△T (3.3)
齐纳二极管的功率消耗与额降
齐纳二极管设计是以最大功率工作,称之为最大直流功率消耗。例如,1N746齐纳二极管的PD(max)=500mW,而1N3305A 的PD(max)等于50W
。此直流功率消耗可用下面公式
求得 PD=VzIz
齐纳二极管的最大功率消耗通常是定义在等于或小于某个温度(例如50℃)。当高于此温度时,最大功率消耗会随着降额因子而减低。降额因子是用mW/℃表示。最大降额功率可用下列公式计算: PD(derated)一PD(max) -(mW/℃) △T (3.4)
齐纳二极管参数表信息
参数表上有关齐纳二极管(或是任何种类的电子元器件)的数量与种类的数据,皆不尽相同。对某些齐纳二极管,可从资料表上发现比其他的齐纳二极管更多的资料。图3.7提供一个例题,其中有你曾学过的类别参数,也可在一般标准参数表中找到,但是这份参数表并不完整。这份资料是有关1N4728.1N4764齐纳二极管系列。
(1)电特性
图3.7(a)是有关电特性( electrical characteristics)的表格,第一栏是齐纳二极管的型号。大部分的元件参数表都有这项特性数据。齐纳电压(Zener voltage)财于每个齐纳二极管的型号,在每个指定的齐纳测试电流,相对的齐纳电压则列在第二栏。Vz 的标示值会随着误差不同而改变。例如,1N4738的标示值是8.2V 。误差为10%时,此值可从7.38V 变动到9.02V 。 齐纳测试电流(Zener test current)稳定电流I ZT 的单位是毫安,此电流是在表示的稳定电压下的测出值,其值列在图3.7(a)表格的第三栏。
齐纳阻抗(Zener impedance)是在稳定测试电流,所测得的动态阻抗的欧[姆]值。每种齐纳二极管的Z ZT 值列在第四栏。动态这个名词表示它是交流数值,就是对于特定电流的变动量所造成的电压变化量Z ZT =△Vz/△Iz 。你不能用直流的V Z 和I ZT 来计算。这个表格也包含了Zzk ,这是在电流等于膝点电流I ZK 时,所测的阻抗。
反向漏电流( reverse leakage current)的值列在表格的第五栏。漏电流是当齐纳二极管反向偏压在特性曲线膝点以下时,流过二极管的电流值。注意这些值非常的小,就如同整流二极管的情形一样。
最大齐纳二极电流(maximum Zener current)最大的直流电流值IZM 并没有在这份资料表中表示出来。然而,这还是僮得说明一下,因为你会在某些资料表中找到它。IZM 的标示值是根据功率等级,在I ZM 测得的稳定电压和稳定电压误差所决定。I ZM 的估计值可由最大功率消耗PD(max)和在I ZT 的Vz ,计算如下所示: I ZM =PD(max)/Vz
(2)图形数据
有些参数表提供各种参数的图表,有些则没有。图3.7提供有关本节所讨论过概念的图表。 功率降额( power derating)图3.7(b)显示此特定系列齐纳二极管的功率额降曲线。请注意,在温度50℃以下,齐纳二极管的最大功率消耗是1W 。50℃以上,功率额定值会线性地降低,如图所示。例如,在140℃时功率额定值大约是400mW 。
温度系数( temperature coefficients)图3.7(c)显示在稳定电压低于12V 以下,相对于稳定电压的温度系数(mV/℃) 。这两个曲线定义了温度系数的范围。例如,6V 的齐纳二极管的温度系数范围可能从1.5~3mV/℃。
齐纳电流对齐纳阻抗的影响(effect of Zener current on Zener impedance)图3.7(d)表示当齐纳电压在特定的标示值时,齐纳阻抗ZZ 对电流的变化情况:2.7V 、6.2V 、27V 和47V 。请注意,Zz 会随电流增加而变小。