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第 197 篇

考研模电·零基础讲义 第03讲（下）｜稳压管稳压电路与其他特殊二极管

约 19 分钟 6133 字 华南师范大学模拟电子技术考研模电零基础讲义

考研模电·零基础讲义 · 第 03 讲（下）｜稳压管稳压电路与其他特殊二极管 学完这一讲，你能判断稳压管有没有进入稳压状态、算出稳压电路各支路电流和输出电压的波动，会按"两种最坏情况"选限流电阻，并认识变容、肖特基、发光、光电等特殊二极管。预计用时 2 小时。

本讲地图

  • 学什么：稳压管的特性与参数 → 稳压管的模型 → 稳压管工作状态的判断 → 并联式稳压电路的分析（含动态电阻） → 限流电阻的设计 → 稳压管串并联 → 其他特殊二极管（了解）。
  • 华师怎么考：考纲"直流电源：包括整流、滤波电路和稳压电路"。稳压管稳压是最简单的稳压电路，常考判断是否稳压、求各电流、选限流电阻；它也是第 18 讲（中）串联反馈式稳压电路里"基准电压"的来源。2026 回忆题第 3 题考的是直流稳压电源整体，本讲是它的基础一环。
  • 重要度：⭐⭐⭐ 稳压管工作状态判断、稳压电路电流计算、限流电阻选择；⭐⭐ 稳压管参数与模型、动态电阻分析、稳压管串并联、LED 限流；⭐ 变容、肖特基、光电二极管、激光二极管、太阳能电池（了解即可）。
  • 教材对应：康华光第六版第 3 章 3.5 特殊二极管（3.5.1 齐纳二极管、3.5.2 变容二极管、3.5.3 肖特基二极管、3.5.4 光电器件）。

前置知识

  • PN 结的反向击穿：雪崩击穿、齐纳击穿，电击穿可逆、热击穿烧管：见第 02 讲。
  • 判断二极管通断的断开法、戴维南等效：见第 03 讲（中）、第 01 讲（上）。

一、稳压管：专门"在击穿区工作"的二极管 ⭐⭐

1.1 大白话：溢流阀

想象水塔顶上装了一个溢流阀：水位低于某个高度时，阀门关着，一滴水也不漏；水位一到这个高度，阀门就打开，多余的水全从这里流走，水位再也涨不上去。

稳压管（也叫齐纳二极管）就是电路里的"溢流阀"：

  • 反向电压低于VZV_Z时，它像普通二极管反偏一样几乎不导电；
  • 反向电压一到VZV_Z⁠，它就反向击穿，电流可以很大幅度地变化，但两端电压基本钉死在VZV_Z。

普通二极管要避免击穿；稳压管却是专门工作在反向击穿区的。它用特殊工艺制造，杂质浓度高、耗尽层窄、电场强，所以击穿电压低而且稳定；而且只要电流不超过允许值，击穿就是可逆的电击穿，不会损坏。

1.2 符号与特性曲线

稳压管的伏安特性与稳压区 vD / V iD 正向 ≈ 0.7 V IZ(min) IZT（测试点 Q） IZ(max) −VZ 未击穿：iD ≈ 0 稳压区：ΔIZ 很大 ΔVZ 很小（rZ = ΔVZ/ΔIZ） 低于 IZ(min) 不稳压，高于 IZ(max) 会烧管 DZ 阳极 阴极

图 1：稳压管的 I-V 特性（右下为符号，阴极那根竖线两端带折角）。反向击穿区很陡：电流从IZ(min⁡)I_{Z(\min)}变到IZ(max⁡)I_{Z(\max)}⁠，电压几乎不变，稳定在VZV_Z附近

  • 正向特性和普通硅二极管一样：正偏导通，压降约 0.7 V。
  • 反向击穿区就是稳压区。曲线越陡，稳压性能越好。

1.3 主要参数

参数 符号 含义
稳定电压 VZV_Z 规定测试电流IZTI_{ZT}下的反向击穿电压
稳定电流 IZI_Z（⁠IZTI_{ZT}⁠） 测试VZV_Z时的电流，也是推荐的工作电流
最小稳定电流 IZ(min⁡)I_{Z(\min)} 低于它，进入转弯段，不稳压
最大稳定电流 IZ(max⁡)I_{Z(\max)}（⁠IZMI_{ZM}⁠） 高于它，功耗超标，可能烧毁
最大耗散功率 PZMP_{ZM} PZM=VZIZ(max⁡)P_{ZM}=V_ZI_{Z(\max)}
动态电阻 rZr_Z rZ=ΔVZ/ΔIZr_Z=\Delta V_Z/\Delta I_Z⁠，越小越好
温度系数 CTVC_{TV} 温度变化 1 ℃ 时VZV_Z的相对变化

逐行拆解：

  • 下标 Z 来自 Zener（齐纳）。IZ(min⁡)I_{Z(\min)}读作"I-Z-min"。
  • 正常稳压的条件：IZ(min⁡)<IZ<IZ(max⁡)I_{Z(\min)}<I_Z<I_{Z(\max)}⁠。整个稳压管这一节的计算，归根到底都是在检查这个不等式。
  • 教材给出的几种典型稳压管：2CW52（⁠VZV_Z 3.24.5 V）、2CW107（⁠VZV_Z 8.59.5 V，IZM=100 mAI_{ZM}=100\,\text{mA}⁠，PM=1 WP_M=1\,\text{W}⁠）、2DW232（6.0~6.5 V，带温度补偿）。

1.4 稳压管的模型 ⭐⭐

在稳压区，把曲线近似成一条斜率为1/rZ1/r_Z的直线，就得到"电压源VZ0V_{Z0}串联电阻rZr_Z"的模型：

VZ=VZ0+IZrZV_Z=V_{Z0}+I_Zr_Z

VZ0V_{Z0}是这条直线延长后与电压轴的交点。VZV_Z较大时常忽略rZr_Z，直接把稳压管看成一个VZV_Z的恒压源——考题没给rZr_Z就这样处理。

例 1 某稳压管在IZT=5 mAI_{ZT}=5\,\text{mA}时VZ=6.2 VV_Z=6.2\,\text{V}⁠，rZ=10 Ωr_Z=10\,\Omega⁠。求VZ0V_{Z0}⁠；电流增大到 15 mA 时VZV_Z是多少？

解：VZ0=6.2−0.005×10=6.15 VV_{Z0}=6.2-0.005\times10=6.15\,\text{V}⁠；VZ=6.15+0.015×10=6.3 VV_Z=6.15+0.015\times10=6.3\,\text{V}⁠。电流变了 3 倍，电压只变了 0.1 V。

1.5 稳压管的三种状态（必会）

状态 条件 等效
正向导通 阳极比阴极高约 0.7 V 0.7 V 电压源（和普通二极管一样）
反向截止（未击穿） 反向电压<VZ<V_Z 开路
反向击穿（稳压） 反向电压想超过VZV_Z⁠，且IZ(min⁡)<IZ<IZ(max⁡)I_{Z(\min)}<I_Z<I_{Z(\max)} VZV_Z电压源（或VZ0+rZV_{Z0}+r_Z⁠）

⚠️ 易错点：稳压管接反了（阳极接高电位）就是一只正向导通的普通二极管，两端只有 0.7 V，不稳压。画图、读图时先看极性：稳压时阴极接高电位。

二、并联式稳压电路 ⭐⭐⭐

2.1 电路结构

稳压管稳压电路（并联式） + VI R 限流电阻 DZ RL 负载 IR IZ IL VO = VZ IR = IZ + IL，IR = (VI − VZ)/R

图 2：稳压管稳压电路。VIV_I是待稳定的直流电压（通常来自整流滤波），RR是限流电阻，负载RLR_L与稳压管*并联。绿点、蓝点分别示意流过稳压管和负载的电流（动画循环播放）*

  • DZD_Z与负载并联，所以叫并联式稳压电路，VO=VZV_O=V_Z⁠。
  • 限流电阻RR不能省：没有它，稳压管直接接在电源上，电源电压稍高于VZV_Z电流就会无穷大，稳压管烧毁；它还承担了"吃掉"多余电压的任务。
  • 核心关系（KCL + 欧姆定律）：
IR=VI−VZR,IR=IZ+IL,IL=VZRLI_R=\frac{V_I-V_Z}{R},\qquad I_R=I_Z+I_L,\qquad I_L=\frac{V_Z}{R_L}

2.2 它是怎么稳压的（答题模板）

输入电压升高时：VI↑V_I\uparrow → VOV_O有升高趋势 → 稳压管两端电压稍升，IZI_Z 大幅增大 → IR=IZ+ILI_R=I_Z+I_L增大 → RR上压降IRRI_RR增大 → 抵消VIV_I的升高，VOV_O基本不变。 负载电流增大时：IL↑I_L\uparrow → IRI_R有增大趋势、VOV_O有降低趋势 → IZI_Z 大幅减小 → IRI_R基本不变 → VOV_O基本不变。 一句话：稳压管用自身电流IZI_Z的大幅变化，配合限流电阻RR上压降的调整，维持输出电压稳定。

2.3 第一步：先判断稳压管有没有击穿 ⭐⭐⭐

和普通二极管一样，先断开稳压管：

  1. 求断开后DZD_Z两端的开路电压VOCV_{OC}（就是RR与RLR_L分压）；
  2. VOC>VZV_{OC}>V_Z⁠：稳压管击穿稳压，VO=VZV_O=V_Z（还要检查IZI_Z是否在范围内）；
  3. VOC≤VZV_{OC}\le V_Z⁠：稳压管没有击穿（截止），VO=VOCV_O=V_{OC}⁠，稳压管不起作用。

例 2 VI=12 VV_I=12\,\text{V}⁠，R=1 kΩR=1\,\text{k}\Omega⁠，VZ=6 VV_Z=6\,\text{V}（忽略rZr_Z⁠）。分别求RL=2 kΩR_L=2\,\text{k}\Omega⁠、0.5 kΩ0.5\,\text{k}\Omega时的VOV_O和各电流；RLR_L为多少时是临界？

解：

（1）RL=2 kΩR_L=2\,\text{k}\Omega⁠：断开DZD_Z⁠，VOC=12×21+2=8 V>6 VV_{OC}=12\times\dfrac{2}{1+2}=8\,\text{V}>6\,\text{V}⁠，击穿稳压，VO=6 VV_O=6\,\text{V}⁠。

IR=12−61=6 mAI_R=\dfrac{12-6}{1}=6\,\text{mA}⁠，IL=62=3 mAI_L=\dfrac{6}{2}=3\,\text{mA}⁠，IZ=6−3=3 mAI_Z=6-3=3\,\text{mA}⁠。

（2）RL=0.5 kΩR_L=0.5\,\text{k}\Omega⁠：VOC=12×0.51.5=4 V<6 VV_{OC}=12\times\dfrac{0.5}{1.5}=4\,\text{V}<6\,\text{V}⁠，未击穿，VO=4 VV_O=4\,\text{V}⁠，IZ=0I_Z=0⁠。负载太重，稳压管"罢工"了。

（3）临界：IZ=0I_Z=0而VOV_O恰为VZV_Z⁠，即IL=IR=6 mAI_L=I_R=6\,\text{mA}⁠，RL=6 V6 mA=1 kΩR_L=\dfrac{6\,\text{V}}{6\,\text{mA}}=1\,\text{k}\Omega（此时VOC=6 VV_{OC}=6\,\text{V}⁠）。

⚠️ 最常见错误：不判断就直接写"VO=VZV_O=V_Z"。负载很重或输入很低时，稳压管可能根本没击穿。另一个错误是只判断击穿、不检查IZ>IZ(min⁡)I_Z>I_{Z(\min)}⁠。

2.4 第二步：考虑动态电阻，算输出电压的波动 ⭐⭐

例 3 稳压电路中R=220 ΩR=220\,\Omega⁠，RL=1 kΩR_L=1\,\text{k}\Omega⁠，VI=12 VV_I=12\,\text{V}⁠；稳压管VZ=6.8 VV_Z=6.8\,\text{V}（⁠IZT=10 mAI_{ZT}=10\,\text{mA}⁠），rZ=15 Ωr_Z=15\,\Omega⁠，IZ(min⁡)=4 mAI_{Z(\min)}=4\,\text{mA}⁠。求VIV_I变化 ±1 V 时VOV_O的变化。

解：

  1. 模型参数：VZ0=6.8−0.01×15=6.65 VV_{Z0}=6.8-0.01\times15=6.65\,\text{V}⁠。
  2. 用模型替换稳压管后列方程（⁠IR=IZ+IOI_R=I_Z+I_O⁠；VO=VZ0+IZrZ=IORLV_O=V_{Z0}+I_Zr_Z=I_OR_L⁠；VI=IRR+VOV_I=I_RR+V_O⁠），解得
IZ=VIRL−VZ0(RL+R)RLR+rZ(RL+R)I_Z=\frac{V_IR_L-V_{Z0}(R_L+R)}{R_LR+r_Z(R_L+R)}
  1. 代入：
VIV_I / V 11 12 13
IZI_Z / mA 12.12 16.31 20.51

三种情况IZI_Z都大于IZ(min⁡)=4 mAI_{Z(\min)}=4\,\text{mA}⁠，正常稳压。VI=12 VV_I=12\,\text{V}时VO=6.65+0.01631×15≈6.89 VV_O=6.65+0.01631\times15\approx6.89\,\text{V}⁠。

  1. 输出变化：ΔVO=rZΔIZ=15 Ω×(20.51−12.12) mA≈0.126 V\Delta V_O=r_Z\Delta I_Z=15\,\Omega\times(20.51-12.12)\,\text{mA}\approx0.126\,\text{V}⁠。

  2. 相对变化：输入±1/12≈±8.3%\pm1/12\approx\pm8.3\%（共 16.7%），输出0.126/6.89≈1.8%0.126/6.89\approx1.8\%⁠。稳压效果明显。

快速估算法（小信号思路）：VIV_I变化时，交流通路里RR与(rZ/ ⁣/RL)(r_Z/\!/R_L)分压，ΔVO≈ΔVI⋅rZ/ ⁣/RLR+rZ/ ⁣/RL=2×14.8234.8≈0.126 V\Delta V_O\approx\Delta V_I\cdot\dfrac{r_Z/\!/R_L}{R+r_Z/\!/R_L}=2\times\dfrac{14.8}{234.8}\approx0.126\,\text{V}⁠，结果一致。rZr_Z越小、RR越大，稳压越好。

2.5 第三步：限流电阻RR的选择 ⭐⭐⭐（设计题）

RR不能太大也不能太小，要同时顾两种最坏情况：

最坏情况一：稳压管电流最小——输入最低VI(min⁡)V_{I(\min)}⁠、负载电流最大IL(max⁡)I_{L(\max)}⁠。此时仍要保证IZ>IZ(min⁡)I_Z>I_{Z(\min)}⁠：

VI(min⁡)−VZR−IL(max⁡)>IZ(min⁡)  ⇒  R<VI(min⁡)−VZIZ(min⁡)+IL(max⁡)=Rmax⁡\frac{V_{I(\min)}-V_Z}{R}-I_{L(\max)}>I_{Z(\min)}\;\Rightarrow\;R<\frac{V_{I(\min)}-V_Z}{I_{Z(\min)}+I_{L(\max)}}=R_{\max}

最坏情况二：稳压管电流最大——输入最高VI(max⁡)V_{I(\max)}⁠、负载电流最小IL(min⁡)I_{L(\min)}（常为负载开路，IL=0I_L=0⁠）。此时要保证IZ<IZ(max⁡)I_Z<I_{Z(\max)}⁠：

VI(max⁡)−VZR−IL(min⁡)<IZ(max⁡)  ⇒  R>VI(max⁡)−VZIZ(max⁡)+IL(min⁡)=Rmin⁡\frac{V_{I(\max)}-V_Z}{R}-I_{L(\min)}<I_{Z(\max)}\;\Rightarrow\;R>\frac{V_{I(\max)}-V_Z}{I_{Z(\max)}+I_{L(\min)}}=R_{\min}

于是Rmin⁡<R<Rmax⁡R_{\min}<R<R_{\max}**；若算出Rmin⁡>Rmax⁡R_{\min}>R_{\max}⁠，说明这只稳压管不能满足要求**，要换IZ(max⁡)I_{Z(\max)}（功率）更大的管子。

记忆："R 的上限看最小电流（低压重载），R 的下限看最大电流（高压空载）"。

例 4 设计一个输出 9 V 的稳压电路：输入VIV_I在 1518 V 之间波动，负载电流 030 mA，稳压管VZ=9 VV_Z=9\,\text{V}⁠，IZ(min⁡)=5 mAI_{Z(\min)}=5\,\text{mA}⁠。（1）若IZ(max⁡)=50 mAI_{Z(\max)}=50\,\text{mA}⁠，能否找到合适的RR⁠？（2）换一只IZ(max⁡)=80 mAI_{Z(\max)}=80\,\text{mA}的管子，求RR的范围，选标称值后核算稳压管和电阻的功耗。

解：

（1）Rmax⁡=15−95+30 kΩ≈171 ΩR_{\max}=\dfrac{15-9}{5+30}\,\text{k}\Omega\approx171\,\Omega⁠；Rmin⁡=18−950+0 kΩ=180 ΩR_{\min}=\dfrac{18-9}{50+0}\,\text{k}\Omega=180\,\Omega⁠。Rmin⁡>Rmax⁡R_{\min}>R_{\max}⁠，无解，这只管子不行。

（2）Rmin⁡=18−980 kΩ=112.5 ΩR_{\min}=\dfrac{18-9}{80}\,\text{k}\Omega=112.5\,\Omega⁠，范围112.5 Ω<R<171 Ω112.5\,\Omega<R<171\,\Omega⁠。选标称值R=150 ΩR=150\,\Omega⁠，核算：

  • 最大IZI_Z（18 V、空载）：18−90.15=60 mA<80 mA\dfrac{18-9}{0.15}=60\,\text{mA}<80\,\text{mA} ✓；
  • 最小IZI_Z（15 V、30 mA）：15−90.15−30=10 mA>5 mA\dfrac{15-9}{0.15}-30=10\,\text{mA}>5\,\text{mA} ✓；
  • 稳压管最大功耗：9 V×60 mA=0.54 W9\,\text{V}\times60\,\text{mA}=0.54\,\text{W}⁠，管子的PZM=9×80 mA=0.72 WP_{ZM}=9\times80\,\text{mA}=0.72\,\text{W}⁠，够用；
  • 电阻最大功耗（18 V）：(18−9)2150=0.54 W\dfrac{(18-9)^2}{150}=0.54\,\text{W}⁠，应选 1 W 的电阻留余量。

⚠️ 易错点：

  1. 两种最坏情况别配错：最小IZI_Z对应"VIV_I最小 + ILI_L最大"，最大IZI_Z对应"VIV_I最大 + ILI_L最小"。
  2. 负载开路时负载电流全部"转移"给稳压管——这是稳压管最危险的时刻。
  3. 设计题最后别忘了电阻的额定功率。

2.6 稳压管稳压电路的优缺点 ⭐⭐

  • 优点：电路最简单，元件少。
  • 缺点：输出电压不能调；负载电流变化范围受IZ(max⁡)−IZ(min⁡)I_{Z(\max)}-I_{Z(\min)}限制，只适合小电流；稳压精度一般。
  • 改进：用稳压管提供基准电压，再加三极管和运放组成串联反馈式稳压电路（第 18 讲（中）），或者直接用三端集成稳压器 LM78xx / LM317（第 18 讲（下），真题 3）。

三、稳压管的串联与并联 ⭐⭐

常见小题：两只稳压管串联或并联，问输出电压。方法：逐只判断它是"反向击穿（⁠VZV_Z⁠）""正向导通（0.7 V）"还是"截止"。

例 5 DZ1D_{Z1}⁠：VZ1=6 VV_{Z1}=6\,\text{V}⁠；DZ2D_{Z2}⁠：VZ2=8 VV_{Z2}=8\,\text{V}⁠；正向压降都是 0.7 V。输入电压足够高、限流电阻合适。求下列接法下的输出电压：（1）两管同向串联（都是阴极朝高电位）；（2）串联，但DZ1D_{Z1}反接；（3）串联，DZ2D_{Z2}反接；（4）两管都反接串联；（5）两管同向并联；（6）并联，其中一只反接。

解：

接法 各管状态 输出
(1) 同向串联 都击穿 6+8=14 V6+8=14\,\text{V}
(2) DZ1D_{Z1}反接串联 DZ1D_{Z1}正向导通，DZ2D_{Z2}击穿 0.7+8=8.7 V0.7+8=8.7\,\text{V}
(3) DZ2D_{Z2}反接串联 DZ1D_{Z1}击穿，DZ2D_{Z2}正向导通 6+0.7=6.7 V6+0.7=6.7\,\text{V}
(4) 都反接串联 都正向导通 0.7+0.7=1.4 V0.7+0.7=1.4\,\text{V}
(5) 同向并联 VZV_Z小的先击穿，把电压钳在 6 V，另一只截止 6 V6\,\text{V}
(6) 并联、一只反接 反接那只正向导通，钳在 0.7 V，另一只截止 0.7 V0.7\,\text{V}

规律：并联时"谁电压低听谁的"（和第 03 讲（中）"优先导通"同理）；串联时各管电压相加。

实际电路一般不把稳压管直接并联使用（电流会集中在VZV_Z低的那只上），这里只是练判断。

四、其他特殊二极管 ⭐（了解即可）

特殊二极管的符号 稳压管 变容二极管 肖特基二极管 发光二极管 LED 光电二极管

图 3：几种特殊二极管的符号

这一节考纲没有具体要求，记住"用在什么偏置下、有什么特点、用来干什么"三件事即可。

器件 工作状态 原理/特点 典型用途
稳压管 反向击穿 击穿区电压稳定 稳压、基准电压、限幅
变容二极管 反偏 利用势垒电容随反压变化，反压越大电容越小；电容最大/最小之比可达 20 以上 电视机电子调谐、压控振荡
肖特基二极管（SBD） 正偏 金属–N 型半导体接触，多子导电，几乎无电荷存储效应、速度很快；正向压降比 PN 结低约 0.2 V；但反向击穿电压低（大多不高于 60 V）、反向漏电流大 高频、开关电源、低压大电流整流
发光二极管（LED） 正偏 电子空穴复合发光，颜色由材料决定；正向电压比硅管高（红光约 1.61.8 V，绿光约 2.22.4 V，10 mA 时）；工作电流几毫安到十几毫安 指示、显示、光通信发送
光电二极管 反偏 光照激发电子空穴对，反向电流随照度增大而成正比增大（灵敏度典型约 0.1 μA/lx） 光的检测、光通信接收
激光二极管 正偏 在 LED 结构中加光谐振腔，发出单色相干光（多为红外） 光驱、激光打印机、光纤通信
太阳能电池 光照下作电源 光照在 PN 结产生光电流，向负载供电 光伏发电、计算器

4.1 发光二极管的限流电阻 ⭐⭐

LED 和普通二极管一样，必须串联限流电阻，否则电流过大会烧毁。

例 6 用 5 V 电源点亮一只红色 LED，希望工作电流 10 mA，LED 正向电压按 1.7 V 计算。求限流电阻；选 330 Ω 标称值时，若实际正向电压是 1.8 V，电流是多少？若换绿色 LED（按 2.3 V）呢？

解：R=5−1.710 mA=330 ΩR=\dfrac{5-1.7}{10\,\text{mA}}=330\,\Omega⁠；实际I=5−1.8330≈9.7 mAI=\dfrac{5-1.8}{330}\approx9.7\,\text{mA}⁠，基本不变。绿色：R=5−2.310 mA=270 ΩR=\dfrac{5-2.3}{10\,\text{mA}}=270\,\Omega⁠。

注意：LED 的正向电压不是 0.7 V，题目一般会给出。

4.2 三个小计算

例 7（变容二极管） 变容二极管CB0=40 pFC_{B0}=40\,\text{pF}⁠，V0=1 VV_0=1\,\text{V}⁠，m=1/2m=1/2⁠。反压 3 V 和 15 V 时电容各多大？用它和电感组成 LC 谐振电路，谐振频率（⁠f=12πLCf=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}⁠）之比是多少？

解：C=401+3=20 pFC=\dfrac{40}{\sqrt{1+3}}=20\,\text{pF}⁠；401+15=10 pF\dfrac{40}{\sqrt{1+15}}=10\,\text{pF}⁠。频率之比20/10≈1.41\sqrt{20/10}\approx1.41⁠：只要改变直流反压，就能调谐频率——这就是"电子调谐"。

例 8（肖特基） 一个 2 A 的整流电路，普通硅二极管压降按 0.7 V，肖特基二极管按 0.4 V，二极管导通损耗各多少？

解：2×0.7=1.4 W2\times0.7=1.4\,\text{W}⁠；2×0.4=0.8 W2\times0.4=0.8\,\text{W}⁠。低压大电流场合，肖特基能明显减少发热。

例 9（光电二极管） 灵敏度 0.1 μA/lx，照度 500 lx，反向光电流多大？流过 10 kΩ 电阻产生多大电压？

解：0.1×500=50 μA0.1\times500=50\,\mu\text{A}⁠；50 μA×10 kΩ=0.5 V50\,\mu\text{A}\times10\,\text{k}\Omega=0.5\,\text{V}⁠。

五、稳压管的另一用途：限幅 ⭐⭐

稳压管除了稳压，还常用来限幅：两只稳压管背靠背串联（阴极对阴极或阳极对阳极）接在输出端，无论输出往正还是往负"冲"，总有一只击穿、另一只正向导通，把输出限制在±(VZ+0.7 V)\pm(V_Z+0.7\,\text{V})⁠。第 16 讲（上）的电压比较器就靠它把输出钳在规定电平。

例 10 两只VZ=5.3 VV_Z=5.3\,\text{V}的稳压管背靠背串联后并在输出端（前面有限流电阻），输出最大能到多少？

解：输出为正时，一只反向击穿（5.3 V）、另一只正向导通（0.7 V），输出被限制在+6 V+6\,\text{V}⁠；输出为负时两管角色互换，限制在−6 V-6\,\text{V}⁠。所以输出范围±6 V\pm6\,\text{V}⁠。

例 11（简答，易错概念） 把待稳定的直流电源直接接到稳压管两端（电源正端接阴极），能得到稳定电压吗？串联一个限流电阻后呢？

答：直接相连不行。电源电压一旦高于VZV_Z⁠，由于稳压管击穿区电阻（⁠rZr_Z⁠）很小，电流会急剧增大，超过IZ(max⁡)I_{Z(\max)}而烧毁；低于VZV_Z则稳压管不击穿，两端电压就是电源电压，谈不上稳压。串联限流电阻后，电源与VZV_Z的差值降在电阻上，电流被限制在允许范围内，稳压管才能稳压；而且这种稳定是相对的——输入或负载变化时，输出仍有rZΔIZr_Z\Delta I_Z的微小变化。

速记卡

项目 要点
稳压管 工作在反向击穿区；阴极接高电位；接反就是 0.7 V 的普通二极管
稳压条件 ⭐⭐⭐ IZ(min⁡)<IZ<IZ(max⁡)I_{Z(\min)}<I_Z<I_{Z(\max)}⁠；PZM=VZIZ(max⁡)P_{ZM}=V_ZI_{Z(\max)}
模型 VZ=VZ0+IZrZV_Z=V_{Z0}+I_Zr_Z⁠；没给rZr_Z就当恒压源VZV_Z
并联稳压电路 IR=VI−VZR=IZ+ILI_R=\frac{V_I-V_Z}{R}=I_Z+I_L⁠，VO=VZV_O=V_Z⁠；限流电阻不可省
先判击穿 ⭐⭐⭐ 断开DZD_Z求开路电压VOCV_{OC}⁠：>VZ>V_Z稳压；≤VZ\le V_Z未击穿，VO=VOCV_O=V_{OC}
稳压原理 IZI_Z大幅变化 + RR上压降调整，维持VOV_O不变
输出波动 ΔVO=rZΔIZ≈ΔVIrZ/ ⁣/RLR+rZ/ ⁣/RL\Delta V_O=r_Z\Delta I_Z\approx\Delta V_I\frac{r_Z/\!/R_L}{R+r_Z/\!/R_L}
选RR ⭐⭐⭐ Rmax⁡=VI(min⁡)−VZIZ(min⁡)+IL(max⁡)R_{\max}=\frac{V_{I(\min)}-V_Z}{I_{Z(\min)}+I_{L(\max)}}（低压重载）；Rmin⁡=VI(max⁡)−VZIZ(max⁡)+IL(min⁡)R_{\min}=\frac{V_{I(\max)}-V_Z}{I_{Z(\max)}+I_{L(\min)}}（高压空载）；还要算电阻功率
串并联 串联电压相加（反接的算 0.7 V）；并联"谁低听谁的"
特殊二极管（了解） 变容：反偏、电容随反压减小；肖特基：快、压降低约 0.2 V、耐压低；LED：正偏、压降 1.6~2.4 V、要限流；光电：反偏、电流正比照度

自测练习

1.（基础）稳压管正常稳压时工作在什么区？如果把它的阳极接电源正端、阴极接地（中间有限流电阻），两端电压是多少？

答案与提示

工作在反向击穿区。阳极接正端是正向偏置，它就像普通硅二极管一样导通，两端约 0.7 V，不稳压。

2.（判断状态）VI=10 VV_I=10\,\text{V}⁠，R=1 kΩR=1\,\text{k}\Omega⁠，VZ=6 VV_Z=6\,\text{V}⁠。（1）RL=1 kΩR_L=1\,\text{k}\Omega时VOV_O多少？（2）RL=3 kΩR_L=3\,\text{k}\Omega时VOV_O和IZI_Z多少？

答案与提示

（1）断开DZD_Z⁠：VOC=10×12=5 V<6 VV_{OC}=10\times\frac{1}{2}=5\,\text{V}<6\,\text{V}⁠，未击穿，VO=5 VV_O=5\,\text{V}⁠。

（2）VOC=10×34=7.5 V>6 VV_{OC}=10\times\frac{3}{4}=7.5\,\text{V}>6\,\text{V}⁠，稳压，VO=6 VV_O=6\,\text{V}⁠；IR=4 mAI_R=4\,\text{mA}⁠，IL=2 mAI_L=2\,\text{mA}⁠，IZ=2 mAI_Z=2\,\text{mA}（还需大于IZ(min⁡)I_{Z(\min)}才算可靠稳压）。

3.（设计）VIV_I在 1214 V 之间变化，要求输出 5 V，负载电流 020 mA，稳压管IZ(min⁡)=5 mAI_{Z(\min)}=5\,\text{mA}⁠、IZ(max⁡)=40 mAI_{Z(\max)}=40\,\text{mA}⁠。求限流电阻范围；选250 Ω250\,\Omega时核算IZI_Z的变化范围和电阻最大功耗。

答案与提示

Rmax⁡=12−55+20=0.28 kΩ=280 ΩR_{\max}=\frac{12-5}{5+20}=0.28\,\text{k}\Omega=280\,\Omega⁠；Rmin⁡=14−540=0.225 kΩ=225 ΩR_{\min}=\frac{14-5}{40}=0.225\,\text{k}\Omega=225\,\Omega⁠。范围225∼280 Ω225\sim280\,\Omega⁠。

R=250 ΩR=250\,\Omega⁠：IZmax⁡=14−50.25=36 mA<40I_{Z\max}=\frac{14-5}{0.25}=36\,\text{mA}<40 ✓；IZmin⁡=12−50.25−20=8 mA>5I_{Z\min}=\frac{12-5}{0.25}-20=8\,\text{mA}>5 ✓。电阻功耗最大(14−5)2250≈0.32 W\frac{(14-5)^2}{250}\approx0.32\,\text{W}⁠，选 1/2 W 电阻。

4.（基础）某稳压管IZT=20 mAI_{ZT}=20\,\text{mA}时VZ=5.1 VV_Z=5.1\,\text{V}⁠，rZ=20 Ωr_Z=20\,\Omega⁠，求VZ0V_{Z0}⁠。

答案与提示

VZ0=5.1−0.02×20=4.7 VV_{Z0}=5.1-0.02\times20=4.7\,\text{V}⁠。

5.（串并联）VZ1=5 VV_{Z1}=5\,\text{V}⁠，VZ2=9 VV_{Z2}=9\,\text{V}⁠，正向压降 0.7 V。两管串联且DZ2D_{Z2}反接，输出多少？两管同向并联呢？

答案与提示

串联、DZ2D_{Z2}反接：5+0.7=5.7 V5+0.7=5.7\,\text{V}⁠。同向并联：5 V 的先击穿，输出 5 V。

6.（华师风格·分析）稳压电路VI=20 VV_I=20\,\text{V}⁠，R=500 ΩR=500\,\Omega⁠，稳压管VZ=10 VV_Z=10\,\text{V}⁠，IZ(min⁡)=5 mAI_{Z(\min)}=5\,\text{mA}⁠，IZ(max⁡)=25 mAI_{Z(\max)}=25\,\text{mA}⁠。（1）简述该电路的稳压原理；（2）负载开路时稳压管安全吗？（3）为保证正常稳压，负载电阻RLR_L最小为多少？（4）若RL=500 ΩR_L=500\,\Omega⁠，输出电压是多少？

答案与提示

（1）见 2.2 答题模板。

（2）负载开路时IZ=IR=20−100.5=20 mA<25 mAI_Z=I_R=\frac{20-10}{0.5}=20\,\text{mA}<25\,\text{mA}⁠，安全。

（3）IRI_R固定为 20 mA，需IZ=IR−IL>5 mAI_Z=I_R-I_L>5\,\text{mA}⁠，即IL<15 mAI_L<15\,\text{mA}⁠，RL>10 V15 mA≈667 ΩR_L>\frac{10\,\text{V}}{15\,\text{mA}}\approx667\,\Omega⁠。

（4）RL=500 Ω<667 ΩR_L=500\,\Omega<667\,\Omega⁠，先断开判断：VOC=20×5001000=10 VV_{OC}=20\times\frac{500}{1000}=10\,\text{V}⁠，恰好等于VZV_Z⁠，稳压管处于击穿边缘、IZ≈0I_Z\approx0⁠，不能可靠稳压，VO≈10 VV_O\approx10\,\text{V}但已失去稳压作用——负载稍有加重或输入稍降，输出就会跟着下降。

7.（了解）为什么光电二极管要加反向电压工作？LED 呢？

答案与提示

光电二极管反偏时，暗电流很小，光照产生的电子空穴对在耗尽层强电场中被分开，形成与光照成正比的反向电流，便于检测。LED 必须正偏，电子与空穴复合才能发光，并且要串联限流电阻。

下一讲预告

第 04 讲（上）把两个 PN 结背靠背做在一起，就成了能"放大"的双极型三极管（BJT）——我们看它的结构，以及发射结正偏、集电结反偏时电流是怎样被放大的。

👉 点击进入下一讲：第04讲（上）｜BJT 的结构与放大原理

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