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稳压二极管详解：原理、作用、应用与选型要点

news 来源：原创 2025/7/22 6:41:54
一、稳压二极管的基本定义

稳压二极管（齐纳二极管，Zener Diode） 是一种利用反向击穿特性实现电压稳定的半导体器件。其核心特性是：在反向击穿时，两端电压几乎恒定（Vz），且不会因电流变化而显著改变。

  • 核心公式：
    稳压电压（Vz）：二极管反向击穿时的固定电压（如5.1V、12V）。
    功率损耗（P）：P = Vz × Iz（Iz为反向电流）。

二、稳压二极管的核心作用

  1. 电压稳定：

    在输入电压波动或负载变化时，维持输出电压恒定（如5V基准源）。

  2. 过压保护：

    并联在敏感器件两端，钳制电压不超过Vz（如保护MCU的IO引脚）。

  3. 电压参考：

    为ADC、运放等提供高精度参考电压（需低温度系数型号）。
三、稳压二极管的典型应用
电压基准电路

  • 设计要点：

    • 选择低温度系数型号（如±2mV/℃）。

    • 配合缓冲器（如运放）提高驱动能力。

四、稳压二极管选型的关键参数
参数定义与选型规则公式/示例
稳压电压（Vz）反向击穿电压（需匹配目标稳压值）若需5V稳压，选Vz=5.1V的1N4733A
最大功耗（Pmax）允许的最大功率（需≥实际功耗）Pmax ≥ Vz × Iz_max（如500mW）
动态电阻（Rz）反向击穿区的等效电阻（越小稳压效果越好）Rz=5Ω（I=10mA时，ΔVz=50mV）
温度系数（TC）电压随温度的变化率（高精度场景需低TC）TC=±0.05%/℃ → 温度每升1℃，Vz变化0.5mV
反向漏电流（Ir）未击穿时的微小电流（高温下可能增大）25℃时Ir=5μA，100℃时Ir=50μA
五、选型注意事项
1. 限流电阻设计

  • 最小电流保障：确保Iz ≥ Iz_min（如5mA），防止脱离稳压区。

  • 最大电流限制：Iz_max ≤ Pmax / Vz（如500mW/5.1V≈98mA）。

2. 热管理

  • 结温计算：
    Tj = Ta + (P × Rθja)
    *（Ta：环境温度；Rθja：热阻，如200℃/W）*

    • 示例：Ta=50℃，P=0.5W → Tj=50+0.5×200=150℃（需Tj_max≥150℃）。

3. 精度与稳定性

  • 高精度场景：选低TC（如BZX85C5V1，TC=±5mV/℃）。

  • 宽温应用：选择温度补偿型稳压管（如LM385）。

4. 封装选择

  • 小功率：DO-35（如1N4733A，0.5W）。

  • 大功率：DO-41（如1N5349B，5W）。

六、主流厂商及型号推荐
厂商典型型号关键参数适用场景
ON Semi1N4733AVz=5.1V，Pmax=1W，TC=±5%通用稳压
VishayBZX85C5V1Vz=5.1V，Pmax=1.3W，TC=±2mV/℃高精度基准
STMicroLM4040Vz=2.5V~10V，精度±0.1%精密参考电压
Diodes IncDDZ9V1Vz=9.1V，Pmax=500mW，SOD-123封装小尺寸应用
七、设计案例：5V稳压电源

  1. 需求：输入电压12V±3V，负载电流10mA。

  2. 选型：

    • 稳压管：1N4733A（Vz=5.1V，Pmax=1W，Iz_min=5mA）。

    • 限流电阻：
      R = (15V - 5.1V) / (5mA + 10mA) = 9.9V / 15mA ≈ 660Ω → 选680Ω

    • 电阻功率：
      P_R = (15V - 5.1V)² / 680Ω ≈ 0.13W → 选0.25W电阻

  3. 验证：

    • 最大电流Iz_max = (15V - 5.1V) / 680Ω ≈ 14.6mA < 1W/5.1V≈196mA（安全）。

八、常见问题与解决方案

  1. 输出电压不稳：

    • 原因：Iz不足或Rz过大。

    • 解决：减小限流电阻或换低Rz型号。

  2. 二极管过热：

    • 原因：功耗超限（如输入电压过高）。

    • 解决：增大限流电阻或选更高Pmax型号。

  3. 基准电压漂移：

    • 原因：温度变化影响。

    • 解决：选温度补偿型稳压管（如LM385）。

九、总结

稳压二极管选型需关注Vz、Pmax、Rz和TC四大核心参数：

  1. 电压匹配：Vz需精准满足电路需求。

  2. 功率余量：确保实际功耗≤Pmax。

  3. 动态性能：Rz越小，负载调整率越好。

  4. 温度影响：高精度场景需低TC型号。

设计箴言：

“稳压先选Vz，功率算清楚；
动态电阻小，温度要稳住。”

注：具体设计请参考数据手册并结合实际测试验证。

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