齐纳二极管

齐纳二极管( zener diodes)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。在本节中,你将会学习到齐纳二极管在适当的工作条件下,如何维持一个接近定值的直流电压。你将会学习到如何正确使用齐纳二极管的条件和限制,以及影响效能的一些因素。
    在学完本节后,你应该能够:说明齐纳二极管的特性和分析它的工作原理;根据符号来辨识齐纳二极管;参与讨论累增击穿(avalanche breakdown)和齐纳击穿(Zener break-down);分析齐纳二极管的特性(V-I)曲线;参与讨论齐纳二极管的等效电路;定义温度系数并应用到齐纳二极管的分析;参与讨论齐纳二极管的功率消耗和功率额降;诠释齐纳二极管的特性参数表。
    齐纳二极管的符号如图3.1所示。齐纳二极管(Zener diode)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( reverse-breakdown region)。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。其伏安的特性曲线我们再一次显示于图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。

                          

                 
   1.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。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。然而,两种类型都称为齐纳二极管。齐纳二极管在市面上可买到击穿电压从1.8~200V的产品,误差则是从1%~20%。
    2.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(Zener test current)时的电压。
   3.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)
   5.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)
    6.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IZT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ZZT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ZZT=△Vz/△Iz。你不能用直流的VZ和IZT来计算。这个表格也包含了Zzk,这是在电流等于膝点电流IZK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IZM测得的稳定电压和稳定电压误差所决定。IZM的估计值可由最大功率消耗PD(max)和在IZT的Vz,计算如下所示:  IZM=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。

<think>好的,用户想知道如何测试齐纳二极管的好坏,特别是电路检测方法。我需要先回忆一下齐纳二极管的基本知识。根据引用[3],齐纳二极管也就是稳压二极管,主要工作在反向击穿区,用来稳定电压。测试好坏的话,通常需要检查它的稳压特性,也就是在反向电压下能否维持标称的稳压值。 首先,用户可能已经了解二极管的一般测试方法,比如用万用表的二极管档测正向压降。但齐纳二极管的不同之处在于它的反向特性,所以可能需要不同的方法。根据引用[4]提到的TVS二极管的应用,虽然齐纳和TVS不同,但反向击穿的测试可能有相似之处。不过用户的问题集中在齐纳二极管,所以得专注于这点。 接下来,常规的测试方法可能有:万用表直接测量、搭建简单电路测试稳压值、或者用可调电源加限流电阻观察电压。需要详细说明这些步骤。例如,使用万用表的话,普通二极管档可能无法测到齐纳电压,因为通常万用表的测试电压较低,无法达到齐纳击穿电压。这时候可能需要更高电压的电源。 然后,用户可能需要具体的步骤,比如如何连接电路,需要哪些元件,比如限流电阻的选择。根据引用[3],稳压二极管需要串联电阻来限制电流,否则可能损坏二极管。所以在测试电路中,必须正确计算电阻值,确保电流在安全范围内。 另外,区分普通二极管和齐纳二极管也是用户可能需要的。比如,普通二极管在反向时不会导通,除非超过击穿电压,而齐纳二极管则设计为在特定反向电压下工作。因此,测试反向电压是否稳定是关键。 还要考虑安全措施,比如防止过流烧毁二极管,或者如何判断二极管是否损坏,比如短路或开路的情况。例如,如果齐纳二极管短路,用万用表测量正反向都会导通;如果开路,则没有电流。 可能需要分步骤说明:初步检测用万用表,进一步测试用电路方法。同时,注意事项也很重要,比如选择合适的电源电压,正确极性连接,避免超过功率耗散等。 最后,生成相关问题时要围绕测试方法、参数选择、常见问题等展开,帮助用户深入理解。比如如何选择限流电阻,或者如何判断齐纳二极管是否老化等。</think>### 如何测试齐纳二极管(稳压二极管)的好坏? 齐纳二极管(稳压二极管)的核心特性是反向击穿时能稳定输出电压。测试其好坏需重点关注其反向击穿电压(稳压值)和单向导电性。以下是具体的检测方法: --- #### **一、初步检测:万用表测量** 1. **正向导通测试** - 将万用表调至二极管档(或电阻档)。 - 红表笔接齐纳二极管阴极(有标记的一端),黑表笔接阳极。 - **正常现象**:显示正向压降(硅管约0.6-0.7V,锗管约0.2-0.3V)。若显示开路(OL),则可能已损坏[^2][^3]。 2. **反向特性测试** - 反向连接(红表笔接阳极,黑表笔接阴极)。 - **正常现象**:普通二极管应显示开路(OL),但齐纳二极管可能显示一定阻值(取决于万用表测试电压是否达到其稳压值)。 - **注意**:普通万用表无法直接测量高稳压值(如12V以上),需结合电路测试[^3]。 --- #### **二、电路测试法(精准测量稳压值)** **所需材料**:可调直流电源、限流电阻(1kΩ左右)、万用表、齐纳二极管。 1. **电路搭建** $$ \text{电源正极} \rightarrow \text{限流电阻} \rightarrow \text{齐纳二极管阴极} \rightarrow \text{齐纳二极管阳极} \rightarrow \text{电源负极} $$ **并联测量**:将万用表调至电压档,并联在齐纳二极管两端(如图)。 2. **操作步骤** - 逐步调高电源电压,直至二极管两端电压稳定。 - **正常现象**:电压稳定在标称稳压值附近(如5.1V、12V等)。若电压无法稳定或远低于标称值,则二极管可能损坏[^3][^4]。 - **限流电阻计算**: $$ R = \frac{V_{\text{电源}} - V_{\text{稳压}}}{I_{\text{额定}}} $$ 例如,电源电压15V,稳压值5.1V,额定电流5mA,则电阻为 $\frac{15-5.1}{0.005} = 1980Ω$(选2kΩ)。 --- #### **三、故障判断** 1. **短路故障** - 正反向测量均导通,电路测试时电压接近0V。 2. **开路故障** - 正向无压降,反向无稳压特性。 3. **性能下降** - 稳压值偏移或动态电阻增大(电压随负载波动明显)。 --- #### **注意事项** - **极性保护**:反向击穿测试时需严格限制电流,避免热击穿。 - **功率限制**:测试时间不宜过长,防止超过二极管额定功率($P = V_{\text{稳压}} \times I$)。 - **温度影响**:高温可能导致稳压值漂移,测试环境应保持常温[^2][^3]。 ---
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