電源設計說明：齊納二極管穩壓器

雪崩和齊納效應

正向偏置時，齊納二極管的行為類似于帶有 PN 結的普通硅二極管，允許電流從陽極流向陰極。然而，與在反向偏置時阻止電流流動的普通二極管不同，在達到某個反向電壓閾值時，齊納二極管開始以相反方向流動的電流導通。

當施加到齊納二極管的反向電壓超過元件典型的限制閾值時，半導體耗盡區會發生稱為雪崩擊穿的過程，隨后二極管會產生電流以限制電壓的增加。在此過程中，自由電子與相鄰原子的碰撞會產生電荷，從而產生熱量并可能對器件造成不可逆的損壞。

然而，如果二極管制造時具有非常薄且高度摻雜的耗盡區，則有可能產生反向電流，作為在結中產生高強度電場的效果。這個過程（圖 1）稱為齊納擊穿，是可逆的，不會損壞二極管。齊納二極管上的電壓開始穩定的水平軸上的點對應于所謂的齊納電壓 (V Z )，其值可以在幾伏到幾百伏之間。在摻雜和二極管制造過程中，可以仔細控制傳導曲線的斜率和觸發該過程的最小反向電流值，容差小于 1%。

圖 1：齊納二極管的典型 IV 特性

齊納穩壓器

齊納二極管提供比橋式整流器電路和濾波電容器更高的穩定水平（電源）。特別是，通過適當的半導體摻雜，可以實現圖 1的齊納擊穿曲線的斜率實際上是垂直的，從而獲得穩定電壓，隨著輸入電壓的變化，紋波可忽略不計且恒定。圖 2顯示了最簡單的基于齊納二極管的穩壓器的原理圖。已使用V Z = 12 V 的齊納二極管，而串聯電阻R的值可以如圖所示確定，其中V i是輸入電壓，V o是穩定的輸出電壓 (12 V)，而I L是負載吸收的電流。

圖 2：帶齊納二極管的穩壓器

空載時，I L = 0，電路中的所有電流都將通過齊納二極管，而齊納二極管又會耗散其最大功率。因此，需要仔細選擇串聯電阻值，如圖所示，以免超過齊納二極管在空載時所能承受的最大功率。該電路能夠產生幾十毫安的電流，常用于晶體管基極的極化或作為運算放大器的輸入，從而獲得較高的電流值。圖 3顯示了一個晶體管并聯穩壓器，能夠擴展負載吸收的功率。輸出電壓V O由下式給出：V O = VZ + V BE。

圖 3：具有齊納二極管和晶體管的并聯穩壓器

標準齊納電壓

在市場上，齊納二極管的電壓范圍從 1 V 到幾百伏不等。對于每個電壓值，通常有一個或多個功率值可用，范圍從略低于 0.5 W 到超過 5 W。最常見的齊納二極管系列是小信號系列 BZX55，其V Z電壓在 2.4 V 和 75 V 之間和 500 mW 的最大功率。BZX85 系列齊納功率二極管也被廣泛使用，其電壓V Z介于 2.7 V 和 100 V 之間，最大功率為 1,300 mW。

帶齊納二極管的串聯穩壓器

圖 4顯示了帶有齊納二極管的串聯穩壓器的最簡單示例。晶體管作為電壓跟隨器連接，輸出電壓比齊納電壓低約 0.6 至 0.7 V。電阻R 的大小必須使齊納二極管正確極化并且 Q1 的基極電流足以使其導通。為防止齊納管上的電流下降到與齊納效應不兼容的值，可以用達林頓管代替小功率晶體管2N2222。

圖 4：具有齊納二極管和晶體管的串聯穩壓器

審核編輯：湯梓紅