齐纳二极管是一种特殊类型的二极管，一旦电压达到设定值（称为齐纳电压），它允许电流反向流动。它保持电压稳定并保护电路免受突然变化的影响。本文详细解释了齐纳二极管的工作原理、类型、用途和常见的可靠性问题。
齐纳二极管基础知识和
齐纳二极管是一种设计的半导体器件，它不仅允许电流像标准二极管一样沿正向流动，而且一旦达到称为齐纳击穿电压 （Vz） 的特定电压，还可以沿相反方向流动。齐纳二极管不像普通二极管那样被反向电压损坏，而是被开发为在该击穿区域安全运行。这一独特的功能使其成为电压调节、电压参考电路和过压保护的理想选择。
当施加在齐纳二极管两端的反向电压超过其额定齐纳电压（例如，3.3V、5.1V 或 12V）时，即使输入电压或负载电流发生变化，它也会在其端子上保持几乎恒定的电压。这种稳定电压的能力使其广泛应用于需要可靠电压水平的电源和电子电路中。
齐纳击穿和雪崩击穿背后的物理学
该图显示了齐纳二极管的 I-V（电流-电压）特性，说明了它在正向和反向偏置条件下的行为。它突出显示了两种击穿机制：齐纳击穿和雪崩击穿，它们发生在图表的反向区域。
在正向区域，一旦正向电压超过称为导通电压 （VT） 的某个阈值，二极管就会开始传导电流，就像常规的 PN 结二极管一样。电流随着该区域电压的增加而迅速增加。
在反向区域，二极管最初阻止电流，直到反向电压达到一定值。可能会发生两种情况：
• 齐纳击穿 （VZ）：对于击穿电压低于约 5-6V 的二极管，称为齐纳击穿的量子力学隧道效应占主导地位。二极管安全地传导大反向电流，同时保持几乎恒定的电压。这在电压调节中得到了利用。
• 雪崩击穿 （VB）：在较高的反向电压下，冲击电离会导致雪崩击穿。这也会导致传导，但用于高压应用。
标准二极管和齐纳二极管的区别
| 特征 | 标准二极管 | 齐纳二极管 |
|---|---|---|
| 宗旨 | 整流（交流到直流转换） | 电压调节和保护 |
| 反向作 | 阻断电流，直到发生破坏性击穿 | 允许在额定齐纳电压下进行反向电流 |
| 设计 | 通用PN结 | 掺杂，实现精确、安全的击穿行为 |
| 典型用途 | 整流器、信号削波器 | 基准电压源、撬棍电路、稳压器 |
| 反向击穿 | 不受控制和破坏性 | 受控和正常作模式 |
使用齐纳二极管保持电压稳定
齐纳二极管是一种特殊的电子部件，可以帮助将电压保持在稳定水平。当您的电源提供比电路需要更多的电压时，这很有用。齐纳通过控制流向负载（电路中使用电源的部分）的电压量来提供帮助。
要进行设置，您需要连接一个电阻器和一个齐纳二极管。电阻器首先连接到电源。齐纳二极管在负载上向后放置（反向偏置）。这听起来可能很奇怪，但齐纳二极管就是这样工作的。当电压过高时，齐纳管打开并允许额外的电流流动，将电压保持在其额定水平（称为齐纳电压）。
但电阻器是需要的;它限制进入齐纳二极管和负载的电流。如果没有这个电阻器，过大的电流可能会损坏二极管或电路中的其他部件。
要选择合适的电阻器，您可以使用一个简单的公式：
这些符号的含义如下：
• Vin：来自电源的电压。
• Vz：负载两端所需的电压（齐纳电压）。
• Iz：通过齐纳二极管的电流需要正常工作。
• Iload：负载使用的电流。
将数字代入公式后，它就会为您提供所需的电阻值。如果确切的电阻值不可用，则可以使用下一个较大的电阻值。
齐纳二极管稳压器类型
并联调节器
在并联稳压器中，齐纳二极管与负载并联。这意味着它位于负载连接的相同两个点上。当电压高于齐纳击穿点时，它开始导通并防止电压上升得太高。
系列稳压器
在串联稳压器中，齐纳二极管的使用方式不同。齐纳不是直接控制负载两端的电压，而是用于为晶体管（BJT）的基极提供参考电压。晶体管与负载串联，这意味着它与电流路径一致。
带晶体管或运算放大器缓冲器的齐纳二极管
齐纳与 BJT 发射极跟随器
提高电流处理能力的一种常见方法是在发射极跟随器（共集电极）配置中连接双极结型晶体管 （BJT）。它的工作原理如下：
• 齐纳二极管置于反向偏置并连接到 BJT 的基极。
• 晶体管的发射极成为新的稳压输出。
• 输出电压约为：
这种设置将电流负担从齐纳释放到晶体管，使其能够在不影响电压调节的情况下提供更高的负载电流。齐纳现在只需要提供晶体管的小基极电流。
带运算放大器缓冲器的齐纳
为了实现更精确的电压调节，尤其是在模拟或敏感电路中，您可以将齐纳连接到配置为电压跟随器（缓冲器）的运算放大器的同相输入端。这提供了两个主要好处：
• 高输入阻抗：运算放大器几乎不从齐纳吸收电流，保持齐纳电压稳定
• 低输出阻抗：它可以驱动负载而不引起电压下降
这使得运算放大器缓冲齐纳装置非常适合用作模拟电路、ADC 基准电压源或传感器偏置电路中的稳定基准电压源。
齐纳二极管噪声和瞬态处理
降噪
当齐纳二极管在其击穿区域工作时，可能会出现称为噪声的小随机电压波动。为了减少这种情况，一个旁路电容器（约 100 nF）直接连接到齐纳二极管上。该电容器可平滑快速电压变化并滤除高频噪声，使输出电压更加稳定。
瞬态保护
电源线或开关电路可能会产生突然的电压尖峰，称为瞬变。这些会对齐纳二极管或连接的组件施加压力。添加缓冲电路，即电阻器和电容器串联的组合，有助于吸收这些尖峰并保护电路免受突然浪涌的影响。
纹波和供应稳定性
如果输入电压有纹波（直流信号上的交流变化很小），齐纳的输出也会波动。要减少纹波：
• 使用更大的串联电阻 （Rs） 来限制电流变化
• 在输入端添加一个大容量电容器以平滑电源电压
• 将齐纳电流保持在其额定工作范围内，以实现稳定的性能
齐纳二极管削波和限位电路
单齐纳剪切
当单个齐纳二极管在信号线上反向偏置连接时，一旦信号电压超过齐纳电压，它就会开始导通。这可以防止信号上升到该电平以上，从而有效地削波任何多余的电压。它通常用于保护敏感电路输入或创建受控波形限制。
交流信号的背对背齐纳管
对于交替信号，两个齐纳二极管背靠背放置（方向相反）。这种布置允许电路对称地削波正负峰值，使波形保持在固定电压范围内。该技术通常用于音频处理或波形整形，以防止失真或保护放大器输入。
卷tage 限制和输入保护
齐纳二极管还可以很好地用作数字系统的电压限制器。它们可以保护微控制器、逻辑 IC 或 ADC 的输入引脚免受电压尖峰的影响，否则可能会损坏它们。当电压上升到齐纳阈值以上时，二极管会在限制范围内安全地传导和箝位电压。
齐纳二极管可靠性和故障模式
齐纳二极管退化的常见原因
| 原因 | 描述 | 对齐纳二极管的影响 |
|---|---|---|
| 过剩功耗 | 当齐纳消耗的功率超过其额定极限（P = V~Z~ × I~Z~）时，结内部会积聚热量。 | 齐纳电压的永久性热击穿或漂移。 |
| 重复浪涌电流 | 频繁的电压尖峰或浪涌电流会导致短暂但强烈的电流流过二极管。 | 结疲劳，导致泄漏增加或部分失效。 |
| 静电放电 （ESD） | 处理或附近电路突然发生高压静电放电。 | 在结处产生微短路，导致泄漏或完全短路。 |
| 过压作 | 长时间使用齐纳管接近或高于其最大反向电压。 | PN结逐渐击穿，电压稳定性丧失。 |
预防性设计实践
| 预防方法 | 宗旨 | 好处 |
|---|---|---|
| 降额功率（额定值的 60–70%） | 限制运行过程中的热量积聚。 | 延长二极管寿命并防止热应力。 |
| 使用限流电阻 | 在电压尖峰期间控制通过齐纳的电流。 | 防止突然的过流情况。 |
| 在高压电路中添加TVS二极管 | 在瞬变期间提供快速浪涌吸收。 | 保护齐纳和附近的组件免受高能脉冲的影响。 |
| 确保适当的散热 | 如果需要，请使用 PCB 铜区域或散热器。 | 将结温保持在安全范围内。 |
结论
齐纳二极管是保持电压恒定并防止浪涌损坏的可靠组件。它们独特的击穿行为使它们能够调节功率并保护电路的敏感部分。通过适当的设计和电流控制，它们在电压调节和保护应用中提供持久、稳定的性能。
常见问题 [FAQ]
齐纳二极管的符号是什么？
它看起来像一个普通的二极管符号，但在阴极线上有弯曲的边缘，表明当达到齐纳电压时它反向导通。
温度如何影响齐纳电压？
对于低于 5.6 V 的二极管，齐纳电压随温度降低，而对于高于 5.6 V 的二极管，齐纳电压会随温度升高。在 5.6 V 左右，它几乎保持稳定。
如何用万用表测试齐纳二极管？
在二极管模式下，正向偏置显示约0.6–0.7 V，反向偏置显示开路。要检查齐纳电压，请用电阻器反向供电并测量稳定电压。
齐纳二极管的额定功率定义是什么？
它是齐纳电压和电流的乘积（P = VZ × IZ）。常见额定值为 0.25 W、0.5 W 和 1 W，显示二极管可以安全处理多少功率。
齐纳二极管中的动态电阻是什么？
它是小电压变化除以击穿区域的电流变化。较低的动态电阻意味着更好的电压稳定性。
齐纳二极管可以调节交流电压吗tage？
是的，当两个齐纳管背靠背连接时，它们可以削波正负峰值，从而限制交流电压摆幅。