硅稳压管及其应用

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在半导体直流稳压电源以及一些电子仪器中,常用到硅稳压管。本文简单讲讲这种管子的特点及其一般应用。

硅稳压管的特点

硅稳压管虽然也是一种二极管,但在用途上它又不同于一般二极管。

如果拿一个普通半导体整流二极管来,给它两端加上反向电压,当输入电压从零开始慢慢增加时,在开始一段二极管的反向电流很小,并且基本保持恒定;但当输入电压增加到某一数值时,管子的反向电流开始显著增加,这叫做管子被击穿了。如果进一步增高输入电压,即使是微小的增加,也将会引起反向电流的迅猛上升,以至使管子发热烧毁。因此,像这样一类的管子是不能工作在击穿区的。但必须指出,击穿和烧毁不是一回事,普通二极管用在击穿区所以烧毁,是由于此时管子的最大耗散功率不够,如果我们想办法提高管子的最大耗散功率,使得在击穿区不至于烧管,就可以利用击穿特性制出另一种用途的管子,这就是我们要讲的硅稳压管。

硅稳压管用硅材料做成,是一种面结型的二极管。由于在材料内部掺入的杂质较多,所以它能承受的最大允许电流和最大耗散功率都较大,用在反向击穿区时只要不超过这个允许值,管子就能稳定工作而不会被烧毁。

图1是硅稳压管的典型伏安特性曲线,横轴代表加在管子两端的电压,纵轴代表相应流过管子的电流值。由图可见,其正向特性和普通二极管相似,而反向特性则有所不同。反向电压从零到V\(_{a}\)这一段,特性曲线近似是一条平行于横轴的直线;反向电压升高到Va时,管子开始击穿。如果进一步增大输入电压,稳压管两端的电压并不升高,只是使管子的反向电流由A点经B点到达C点,管子的反向电流增加,而管压降却基本保持不变(B、C段几乎垂直于横轴),就起到了稳压的作用。

图1
图1 🔍原图 (582×381)

硅稳压管用图2(a)的符号来表示,图2(b)是目前常见的几种稳压管外形。

我国生产的稳压管是以2CW、2DW来命名的。例如

图2
图2 🔍原图 (505×252)

硅稳压管的电参数

硅稳压管的电参数主要有:

1.稳定电压V\(_{z}\) 是在给管子加上某一特定电流情况下,管子两端所产生的反向压降。由于半导体器件生产的分散性,同时也由于稳定电压受工作电流和温度的影响,所以生产厂给出的稳定电压值通常是指一个电压范围。

图3
图3 🔍原图 (404×185)

2.电压温度系数 是指温度每变化一度时,稳定电压的变化量。这个参数说明温度对稳压值影响的大小。一般说来,低于6V的稳压管,其电压温度系数是负的;高于6V的稳压管,其电压温度系数是正的;而在6V左右的稳压管,受温度影响最小,电压温度系数有可能为零。因此,在一些要求比较严格的场合,常选用6V稳压管,或者把6V的稳压管串联起来使用。

3.动态电阻r\(_{z}\) 是指稳压管两端电压的变化量与相应电流变化量之比。对于同一只管子来说,通常是工作电流越大,动态电阻越小。动态电阻越小,则其稳压性能越好。

4.最大稳定电流I\(_{M}\)和最大允许耗散功率PZ 管子在使用时,不得使工作电流超过I\(_{M}\),否则要损坏管子。当手册中未给出IM时,可由下式算出

P\(_{Z}\)=IM·V\(_{Z}\)

硅稳压管的应用

1.硅稳压管稳压器

作稳压器是硅稳压管最基本的也是最广泛的应用。图3为硅稳压管稳压器的典型电路。一般说来,造成负载电压变化的因素有两个,一个是负载的改变,一个是电源电压的变化。如果能保持硅稳压管和负载电阻的总电流不变,那么就可以在负载上得到稳定的电压。我们从图1中可以看到,稳压管在A、B、C三点表明了三个不同的内阻值,其中A点的电阻最大,可达几兆欧;C点的电阻最小,只有几十欧。也就是说,稳压管是一个变化范围很大的可变电阻。通常,硅稳压管的工作点都取在B点。如果由于某种原因使负载电阻变小了,也就是说负载加大使输出电压降低,那么稳压管的工作点就会由B点变到A点,用增加硅稳压管的内阻来补偿减少的负载电阻,从而使稳压管和负载电阻的总电阻不变;如果负载电阻增大,也就是说,负载变小,使得输出电压增高,这时稳压管的工作点就会由B点移到C点,这时内阻减小,以抵消增加的负载电阻,稳压管和负载电阻的总电阻仍然保持不变。也就是说,流到R\(_{L}\)的电流一旦减少,那么流到稳压管的电流就会相应增加;流到RL的电流增加,就会引起流到稳压管中的电流相应减少,但总电流始终保持不变,这样就使输出电压保持稳定。如果是电源电压变化引起输出电压变化,稳压原理和上面是一样的,这里不再重复。

上面只是定性地介绍稳压管在线路中的工作过程。为了实现这一点,还需要进行一下近似计算。这种稳压电源的计算,只需要解决两个问题,一个是选择稳压管,一个是选择限流电阻R。

稳压管应根据要求的电压以及负载电流I\(_{L}\)来选取。如果要求输出电压为6V,则应选择稳定电压为6V的管子。同时这种管子的最大稳定电流IM应超过负载电流I\(_{L}\)的2~3倍,即

I\(_{M}\)≥(2~3)

限流电阻R可以根据欧姆定律来计算,由图3可得:

V\(_{1}\)=VZ+IR

=V\(_{Z}\)+(IZ+I\(_{L}\))R

所以 R=\(\frac{V}{_{1}}\)-VZI\(_{Z}\)+IL

通常 V\(_{1}\)=(1.5~3)VZ

2.简单串联式稳压电源

图4是最简单的串联式稳压电源原理图。在这里稳压管用来作为基准电压。输出电压V\(_{o}\)等于基准电压加上调整管的be结压降。

图4
图4 🔍原图 (411×204)

假定说,由于某种原因输出电压偏离稳定电压而增高时,因为稳压管的作用,V\(_{b}\)是恒定的,且Vb=-V\(_{be}\)+Vo,V\(_{o}\)一增大,Vbe就增大,晶体管集电极电流I\(_{c}\)则减小,从而使Vce电压增大,这样就反过来迫使V\(_{o}\)下降到稳定值。同样输出电压Vo降低时,V\(_{be}\)就减小,Ic增大,使V\(_{ce}\)压降减少,迫使Vo升高到稳定值。

调整管式稳压器有很多种电路形式,不管电路如何变化,稳压管在这里所起的作用都是相同的。

3.直流恒流源

在很多测量仪器及其它一些电路中,还广泛地使用着恒流源。图5是晶体管恒流源的典型电路。图中稳压管也是作基准电压用的。

图5
图5 🔍原图 (316×235)

假定负载电阻R\(_{L}\)变小,负载电流增大,那么流过电阻Re的电流也增大,I\(_{L}\)Re就增大,由于稳压管DZ的作用,V\(_{b}\)是恒定的,而且Vb=I\(_{L}\)Re-V\(_{be}\),所以,Vbe增大,I\(_{b}\)就要减小,就抑制了Ie的增大,也就抑制了I\(_{L}\)的变化,迫使IL回到恒定值;如果负载电阻变大,负载电流I\(_{L}\)减小,则Vbe减小,使得I\(_{e}\)增大,促使负载电流IL回到恒定值。

以上列举的几个应用实例,仅仅是稳压管应用的一部分。除此以外,稳压管还常被用在形成方波、晶体管过压保护等一些地方,这里就不详细讲了。(黎彤宇)