CN211653528U

CN211653528U - 一种大功率稳压二极管

Info

Publication number: CN211653528U
Application number: CN202020018295.6U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔建峰; 崔燚; 李光序
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2030-01-06

Abstract

本实用新型公开了一种大功率稳压二极管的技术，其特征在于：所述大功率稳压二极管包括晶体管Q₁、Q₂、稳压二极管D₁、电阻R_B1、R_E1、R_C2；不稳电源U_I通过限流电阻R进入所述大功率稳压二极管，A点电压依次通过电阻R_B1、反向稳压二极管D1连接工作地；同时A点电压依次通过晶体管Q1的C‑E极、电阻R_E1连接工作地；同时A点电压依次通过晶体管Q2的E‑C极、电阻R_C2连接工作地；电阻R_B1、稳压二极管D1的连接点连接晶体管Q1的基极，晶体管Q1的发射极连接晶体管Q2的基极，晶体管Q2的发射极与工作地之间输出稳定电源U_Z。

Description

一种大功率稳压二极管

技术领域

本实用新型涉及一种大功率稳压二极管的设计技术，针对稳压二极管的额定稳定电流偏小，从而不可以应用在大功率负载电路中，设计一种“大功率稳压系统”，其外在特性或内在作用作用相当于一个大功率稳压二极管。

背景技术

稳压二极管的英文名称叫Zener diode，故稳压二极管又被叫做齐纳二极管，是一种硅材料制成的面接触型晶体特殊二极管，简称稳压管，其实际上是利用pn结处于反向击穿状态时、其导通电流可在很大范围内变化而端电压基本不变的现象，制成的一种起稳压作用的二极管。

这种特殊二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高的电阻，一旦达到临界击穿点上，其反向电阻立即降低到一个很小的数值，在这个低阻区中工作电流虽然增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压值的大小来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用，而且稳压二极管可以通过串联就可获得更高的稳定电压，这些串联起来的稳压管可以在较高的电压上使用。

稳压二极管在反向击穿时，在一定的功率损耗范围内（或者说在一定的工作电流范围内），稳压二极管的端电压几乎不变，表现出稳压特性。

稳压二极管的最大稳定电流一般都小于1A，其耗散功率一般也小于3W，若希望稳压系统具有更大的带载能力，可以将稳压二极管与中功率晶体管（或三极管）组合，可以获取更大范围的可允许损耗功率，限流电阻的恰当应用，稳压系统的可允许损耗功率可进一步提高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、其外在特性或内在作用相当于一个大功率稳压二极管的设备。

为实现上述目的，本实用新型提供一种大功率稳压二极管，所述大功率稳压二极管包括NPN晶体管Q₁、PNP晶体管Q₂、稳压二极管D₁、电阻R_B1、电阻R_E1、电阻R_C2；不稳电源U_I通过限流电阻R进入所述大功率稳压二极管，A点电压依次通过所述电阻R_B1、所述稳压二极管D₁连接工作地；同时A点电压依次通过所述NPN晶体管Q₁的C-E极、所述电阻R_E1连接工作地；同时A点电压依次通过所述PNP晶体管Q₂的E-C极、电阻R_C2连接工作地；所述电阻R_B1与所述稳压二极管D₁的连接点连接所述NPN晶体管Q₁的基极，所述NPN晶体管Q₁的发射极连接所述PNP晶体管Q₂的基极，所述PNP晶体管Q₂的发射极与工作地之间输出稳定电源U_Z。

所述稳压二极管D₁的正极连接工作地，D₁的负极连接晶体管Q₁的基极。

附图说明

附图1、附图2、附图3、附图4、附图5用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是稳压管的伏安特性示意图；附图2是常见稳压管稳压电路结构图；附图3是稳压管与晶体管组合提升可允许功率损耗原理图。附图4是由晶体管通过串联电阻提升可允许功率损耗原理图；附图5是稳压二极管与达林顿晶体管组合提升额定允许损耗功率原理图。

具体实施方式

稳压二极管的伏安特性和实际工作电路

稳压二极管的伏安特性与普通二极管相类似，如图1所示。

稳压二极管的正向特性为指数曲线，当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则击穿，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现其具有稳压特性，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会因过热而损坏。

稳压二极管的主要参数有这么几个：稳定电压U_Z、稳定电流I_Z、额定功耗P_ZM、温度系数α等。

如图1所示，稳定电压U_Z是在规定电流下稳压管的反向击穿电压，同一型号的稳压管的U_Z存在一定的差别，但就某一只管子而言，U_Z值应该为一个确定值。

稳定电流I_Z是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压，一般常将I_Z记作I_Zmin；通过稳压管的最大稳定电流I_ZM记作I_ZMAX;工作电流超过其值，稳压管将可能被损坏。

额定功耗P_ZM等于稳压管的额定电压U_Z与最大稳定电流I_ZMAX的乘积，稳压管的功耗超过此值时，会因结温升过高而损坏，对于一只具体的稳压管，可以通过其P_ZM的值，求出I_ZM的值。

采用稳压二极管实现稳压电源的电路结构如图2所示。

在图2中，稳压管D_Z与负载R_L并联连接，由于稳压管的反向电流小于稳定电流I_Z（或I_Zmin）时不稳压，大于稳压管的最大允许反向工作电流I_Zmax时，会因超过额定可允许损耗功率P_ZM、而导致结温升过高而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻R来限制电流，从而保证稳压管正常工作，这个电阻称为限流电阻，注意只有在限流电阻取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。

稳压二极管提高额定允许功率损耗范围的方法

基于上文额定损耗功耗P_ZM=U_Z*I_Zmax的定义，可以这么认为，稳压系统可允许功率损耗范围越大，那么该稳压电源的带载能力就越高，该“稳压二极管”的最大稳定电流就会越大，可以远远大于单个稳压二极管的最大稳定电流，上述限流电阻R包含在稳压系统内部。

稳压二极管和中功率晶体管组合提高允许损耗功率

因此可以尝试用可允许功率损耗小的稳压二极管和中功率晶体管组合，可以提高稳压输出的允许损耗功率。

如图3所示，该稳压系统是稳压二极管D与NPN晶体管组合来提高可允许功率损耗的电路。

图3所述的稳压系统可以这样理解，晶体管Q的工作方式为共射极直流放大器，稳压管D的反向击穿电流I_D为晶体管Q的发射结提供开启电流，晶体管Q集电极电流I_C=(1+β)*I_D，故该“稳压管”的最大稳定电流I_Z=I_C +I_D=(2+β)* I_D，稳定电压等于晶体管Q的集电极—发射极电压，即U_Z=U_DZ+U_BE,其中U_Z为“稳压管”的稳定电压，U_DZ为稳压二极管D的稳定电压，U_BE为晶体管Q的发射结压降。

该“稳压管”所允许的最大功率损耗等于晶体管集电极损耗加上稳压二极管D的损耗，如果晶体管Q不加散热板，环境温度为25℃时，所允许的最大功率损耗为2W。

晶体管Q集电极添加电阻提升允许损耗功率

图2中，通过串联限流电阻R可以提高稳压系统的允许功率损耗，从而保持稳定电流I_Z处于I_Zmin与I_Zmax之间，实现稳定电压U_Z的稳定输出。

参考这种思路，可以在图3的晶体管Q的集电极接入适当的电阻R_C,可以实现“稳压管”允许损耗功率的提升，如图4所示。

图4中的电阻R_C的作用，可以这么理解，由于电阻R_C对电流I_C的消耗，对于晶体管Q来说，相对于图3的同样大小的集电极工作电流I_C，在图4中集电极通路所耗散的功率一定比图3大得多。

注意集电极电阻R_C值的选择，必须保证晶体管Q工作于共射极放大器的放大状态，即U_CB>0，U_BE>U_ON，其中U_CB为晶体管Q的集电结电压，U_BE为Q的发射结电压，U_ON为Q的基极开启工作电压，工作电流以及稳定电压计算公式如图3内容所示。

稳压二极管与达林顿晶体管组合且集电极添加电阻提升允许损耗功率

达林顿管具有很高的电流放大系数，所以如果将图3的晶体管Q替换为达林顿晶体管，该“稳压管”的允许损耗功率将会极大提升，如图5所示，通过这种结构组合形成的稳压系统其带载能力大大提高。

从图5可以看到，这种由稳压二极管D₁与达林顿晶体管构成的稳压系统，主要由两个晶体管Q₁、Q₂、以及稳压二极管D₁、电阻R_B1、R_E1、R_E2、R_C2构成，可以发现通过稳压二极管与达林顿晶体管组合构成的稳压系统相当于一个大功率“稳压二极管”D_Z，图5中的电阻R相当于图2中的限流电阻R。

达林顿管又称复合管。他将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管，这只等效三极管的放大倍数是原二者之积，因此它的特点是放大倍数非常高；达林顿电路有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN,前二种是同极性接法，后二种是异极性接法，组合管的极性只认前面的三极管。

图5所示稳压系统组合，由NPN型晶体管Q₁以及PNP型晶体管Q₂组合成一个NPN型达林顿管，即Q₂的基极与Q₁的发射极相互耦合，这样在PNP管子Q₂的输出端（发射极）与工作地之间就得到了一个稳定的电压U_Z。

稳定电压U_Z的大小，可以这样计算，按照图5所示电路结构，晶体管Q₁工作于共集电极放大器状态，Q₁的输入电压为U_Z1（稳压管D₁的稳定电压），共集电极放大器的输出电压约等于输入电压，故Q₁的发射极电压即Q₂的输入电压约等于U_Z1。故图5所示的“稳压管”D_Z其稳定电压U_Z可由以下公式求出：

Figure DEST_PATH_972271DEST_PATH_IMAGE001

其中U_BE2为晶体管Q₂的发射结压降，单位皆为伏特。

通过限流电阻R的电流I_R=I₁+ I₂+ I₃,该电流I_R实际上就是大功率“稳压管”D_Z的稳定电流I_Z，可见大功率稳压管D_Z的稳定电流I_Z比稳压管D₁的稳定电流I_D1要大的多，从而极大提高了大功率稳压管的可允许损耗额定功率的等级。

经试验，在晶体管Q₁、Q₂都不加散热板以及环境温度为25℃时，大功率稳压管D_Z的可允许功率损耗为15W，若在晶体管上加散热片，以及在PNP晶体管Q₂的集电极端接上一个合适的电阻R_C2，就可以进一步起到提高可允许功率损耗的作用，工作原理如图4内容。

其中PNP管Q₂集电极所接的电阻R_C2值应该由其集电极电流来确定，大功率稳压管D_Z的稳定电压U_Z的数值，也应该用所需电压来决定。

注意事项

由于该大功率稳压管的可允许损耗功率较大，故在实际应用中，图5中限流电阻R的选择非常重要，不但要考虑电阻R的阻值选取要保证大功率稳压管D_Z工作电流选择处于I_Zmin~I_Zmax之间，电阻R的功率选择同样需要考虑，其额定功率值必须大于大功率稳压管D_Z的可允许损耗功率P_ZM。

本设计巧妙利用稳压二极管与中功率晶体管的组合，完成了较大功率稳压二极管的预期设计，在添加散热板以及合适电阻的情况下其允许耗散功率可达20W以上，完美解决了在实际应用过程中，稳压二极管额定功率总嫌不足的尴尬现象。

Claims

1.一种大功率稳压二极管，其特征在于：所述大功率稳压二极管包括NPN晶体管Q₁、PNP晶体管Q₂、稳压二极管D₁、电阻R_B1、电阻R_E1、电阻R_C2；不稳电源U_I通过限流电阻R进入所述大功率稳压二极管，A点电压依次通过所述电阻R_B1、所述稳压二极管D₁连接工作地；同时A点电压依次通过所述NPN晶体管Q₁的C-E极、所述电阻R_E1连接工作地；同时A点电压依次通过所述PNP晶体管Q₂的E-C极、电阻R_C2连接工作地；所述电阻R_B1与所述稳压二极管D₁的连接点连接所述NPN晶体管Q₁的基极，所述NPN晶体管Q₁的发射极连接所述PNP晶体管Q₂的基极，所述PNP晶体管Q₂的发射极与工作地之间输出稳定电源U_Z。

2.根据权利要求1所述的一种大功率稳压二极管，其特征在于：所述稳压二极管D₁的正极连接工作地，D₁的负极连接晶体管Q₁的基极。