稳压二极管(稳压管)及稳压电路工作原理

整流滤波后得到的直流输出电压,还会随着交流电源电压或负载的变化而波动,这对电子设备的工作有影响,因此还需再加稳定直流输出电压的电路,该电路常称稳压电路。稳压电路之一是用一种特殊二极管——稳压管来实现的。

稳压二极管

稳压管是面接触型特殊的硅晶体二极管,其伏安特性与普通二极管基本相似,但它是工作在二极管伏安特性的反向击穿区,且它的反向伏安特性曲线比普通二极管要陡。下图a所示是稳压管的伏安特性曲线,图b是稳压管的图形符号。

稳压二极管的伏安特性及图形符号

从反向特性曲线上可以看出,反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小,但当反向电压增大到击穿电压时,反向电流急剧增大,而稳压管两端的电压却变化很小,利用这一特性,稳压管能在电路中起稳定电压的作用。特别要指出的是,由于制造工艺上采用了必要措施,使稳压管的反向击穿是可逆的,这样保证了稳压管工作在反向击穿区而又不会损坏。

稳压管的主要参数

  1. 稳定电压$U_{V}$:$U_{V}$指反向击穿状态下管子两端的稳定工作电压。由于工艺方面或其他原因,同一型号的稳压管电压值分散性较大,如2CW14硅稳压管的稳定电压值为6~7.5V。稳定电压值随着温度的不同也略有不同。
  2. 最大稳定电流$I_{VM}$:是指稳压管工作电流的极限值,如通过稳压管的电流超过此电流就会过热损坏。
  3. 稳定电流$I_{V}$:是指工作电压仍能保持稳定电压值$U_{V}$时的最小反向电流,若稳压管电流小于此电流,则稳压管的稳压性能将变差。稳压管工作电流范围是$I_{V}\sim I_{VM}$,一般小功率稳压管为几毫安至几十毫安。
  4. 耗散功率$P_{VM}$:是指稳压管稳定电压与最大稳定电流的乘积,即$P_{VM}=U_{V}I_{VM}$,若超过此值,可使管子损坏。
  5. 电压温度系数$a_{u}$:是反映了稳定电压受温度变化的影响程度。如2CW14稳压管的$a_{u}$为+0.07%/℃,表示温度每升高1℃,稳定电压将增高0.07%。一般情况下,低于6V的稳压管,$a_{u}$是负的;高于6 V的稳压管,$a_{u}$是正的。6V左右的稳压管,温度稳定性较好。
  6. 动态电阻$r_{V}$。是指稳压管端电压的变化量与相应电流变化量的比值,图a中$\Delta U_{V}/\Delta I_{V}=r_{V}$,稳压管反向特性越陡,则动态电阻越小,稳压性能越好。

实际上,$r_{V}$随$I_{V}$的不同而不同,在正常工作范围内,$I_{V}$越大,$r_{V}$越小。

稳压电路工作原理

如下图所示是由稳压管组成的稳压电路。交流电压$u_{2}$经桥式整流和电容滤波后得到直流电压$U_{i}$,再经限流电阻R和稳压管VD组成的稳压电路供电给负载电阻$R_{L}$。

稳压管组成的稳压电路

下面分析交流电源电压变化时或负载变化时,稳压电路稳定输出电压的工作原理。

由稳压管特性可知,当稳压管反向击穿后,如果工作电流在$I_{V}\sim I_{VM}$范围内,其端电压仅发生微小变化,也可以这样理解,稳压管端电压的微小变化会引起其电流的显著变化,利用这个特性将稳压管与限流电阻串联,就起到稳定输出电压的作用。当电源电压$U_{i}$升高时,负载电压$U_{o}$相应地升高,根据上文中的图a的伏安特性,$I_{V}$将显著地增大,在限流电阻R上的压降$(I_{L}+I_{V})R$亦将增大,从而抵消了$U_{i}$的升高对$U_{o}$的影响。尽管此时稳压管的电流增大了,但其端电压仅有微小的增加,与之并联的负载电压$U_{oi}$几乎不变。反之,若$U_{i}$下降,$I_{V}$减小,R上的压降减小,亦使$U_{o}$近乎不变。

若电源电压$U_{i}$不变,负载电流改变,如$I_{L}$增大,由于电源内阻和R上的压降增大,使$U_{o}$下降,$I_{V}$也明显地减小,从而使得流过R上的电流$(I_{R}=I_{V}+I_{L})$及其压降近乎不变,输出电压$U_{0}$也就近乎不变。反之,负载电流减小时,稳压电路稳压过程正好相反。

实际应用时,首先根据负载电压$U_{0}$和负载电流$I_{0}$来选择稳压管及确定输入电压$U_{i}$,通常取:

稳压管的选择

$U_{i}$取得高,便可选较大的限流电阻R,这样稳压电路的稳压性能就好,但电路的功率损耗也将增大。

限流电阻R的选择,应保证流过稳压管的电流介于稳压管最小稳定电流和最大稳定电流之间,应该使稳压管工作在稳压区。若难以选择合乎上述条件的电阻R,可改选最大稳定电流较大的稳压二极管。

稳压管稳压电路较简单,但效率低,通常用于小功率电子设备和电子仪器中。

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