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B3 · 二极管

齐纳二极管:从抖动的输入得到平稳的输出

把二极管深深推入反向,它会反向击穿,同时把电压钳住。这一单元亲手升高输入电压,确认从哪一点开始输出不再跟着上升,而是停在一个值上。

输入升高而输出停下的那一点

横轴是输入电压,纵轴是输出电压,浅色对角线是输出等于输入时的线。升高输入时,输出起初沿着对角线上升,但越过虚线标出的 Vz 后,齐纳管击穿,输出变平。拖动工作点,找出输出停下的位置。

输入电压 VinVin = 2.0 V
输出电压 Vout
Vout = Vin
仍在击穿电压以下。齐纳管几乎截止,输出原样跟随输入。
输出跟随输入

反向击穿,故意倒着用

在 B1 中,反向偏置的二极管几乎没有电流。可是把反向电压升得足够高,到某一点就会突然流过很大的电流。普通二极管在这里可能损坏,而齐纳二极管就是为在这个击穿区安全工作而制造的,可以说是有意反着用的二极管。击穿电压低的主要靠齐纳效应击穿,高的主要靠雪崩击穿,但用法相同。

为什么电压被固定

在击穿区,反向曲线几乎竖直。不论电流大小,两端电压在击穿电压 Vz 附近几乎不变,所以齐纳管看起来就像一个与电流无关、输出恒定电压的电压源。由曲线极小的斜率产生的动态电阻 rz,决定剩下的微小变化。

稳压电路:并联式

在输入和负载之间串一个电阻,再把齐纳管与负载并联。串联电阻承担输入与 Vz 之差的电压。即使输入波动或负载变化,齐纳管接纳的电流也会自动增减,把输出稳在 Vz;这是最简单的稳压电路,凡是需要基准电压的地方都会用到。不过必须始终有维持击穿的最小电流流过齐纳管,所以负载取走的电流太多时,输出就会低于 Vz。

观察Vout = Vz (V > Vz)
击穿区里输出固定在 Vz。
选择IR = (Vin - Vz) / ?
串联电阻电流是输入与 Vz 之差除以 R。
填空IR = Iz + ?
电阻电流分给齐纳管和负载。
自己来ΔVout ≈ rz ?
剩下的输出变动由小动态电阻决定。

回到第一屏

输入较低时,输出沿着浅色对角线原样上升。但一越过击穿电压,曲线就弯折变平,此后不管输入升多高,输出都停在 Vz。那条平线就是稳压。多亏几乎竖直的击穿曲线,电流大幅变化时电压也几乎不变;串联电阻承担了输入的波动,送到负载上的只有平稳的 Vz。B1 的反向区就这样成了最简单的基准电压工具。

齐纳二极管是有意工作在反向击穿区的二极管。超过击穿电压 Vz 后,即使电流变化很大,两端电压也几乎恒定地保持在 Vz。把它与负载并联、前面串一个电阻(并联稳压器),即使输入波动,输出也固定在 Vz,成为稳压电路。剩下的微小变化由很小的动态电阻 rz 决定。

接下来的脉络

到目前为止,我们看的是一个二极管的用法。下一单元把四个二极管像桥一样连接起来,看看把交流的负半周也翻成正的全波整流。然后用电容把那凹凸不平的脉动整平,接近平滑的直流。把 B1 的整流和 B3 的稳压合起来,电源的前端就完成了。