齐纳二极管稳压电路模拟器

参数设置

输入电压 V_in

供给稳压器的可能变动的输入电压

齐纳电压 V_z

齐纳二极管的定格击穿电压

直列电阻 R_s

在输入和输出节点之间的限流电阻

负载电阻 R_L

连接到输出的并联负载，越小负载越重

计算结果

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输出电压 V_out (V)

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直列电阻电流 I_total (mA)

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负载电流 I_load (mA)

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齐纳电流 I_zener (mA)

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齐纳消耗功率 P_zener (mW)

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稳压判定

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齐纳稳压电路图 — 电流流动动画

通过直列电阻 R_s 的输入电流在节点处分为负载电流和齐纳电流。齐纳将多余电流分流至地，保持输出在 V_z 处。流动的点表示各电流的大小。

输出电压 V_out 与输入电压 V_in

齐纳电流 I_zener 与负载电阻 R_L

理论·主要公式

$$I_{total}=\frac{V_{in}-V_z}{R_s},\qquad I_{load}=\frac{V_z}{R_L}$$

直列电阻电流 I_total 和负载电流 I_load。V_in：输入电压，V_z：齐纳电压，R_s：直列电阻，R_L：负载电阻。

$$I_{zener}=I_{total}-I_{load},\qquad P_{zener}=V_z\cdot I_{zener}$$

齐纳电流 I_zener 和齐纳消耗功率 P_zener。齐纳分流多余电流至地，保持输出恒压。

$$V_{out}=V_z \quad (I_{zener}\ge I_{z,\min})$$

输出电压 V_out 仅在齐纳电流大于或等于最小保持电流 I_z,min（本工具为1mA）时固定在 V_z 处。低于此值则无法保持击穿，输出下降。

齐纳稳压电路概述

🙋

「齐纳二极管」与普通二极管有什么区别？听说要反向加电压使用？

🎓

简单说，齐纳就是「特意设计在反向击穿时工作的二极管」。普通二极管反向加电压也不导通，但超过某电压就会突然「击穿」，电流骤增。齐纳的击穿电压经精密设计到特定值，而且击穿时，即使电流大幅变化，电压也基本不变。这种「电压不变」的特性就成了稳压电路的主角。

🙋

明白了。用这个特性怎样才能把电压稳定住呢？

🎓

只需两个元件：直列电阻 R_s 和齐纳。从输入经 R_s 接到一个节点，这个节点上反向接齐纳（指向地）。负载也在这个节点并联。R_s 承受「变动的高输入电压」与「恒定输出」的差，齐纳卡在输出节点钉住电压。试试左边的滑块上下拉输入电压 V_in，你会看到输出电压 V_out 始终停留在 5.1V。

🙋

真的，V_in 变了 V_out 还是 5.10V！那多出来的电流去哪里了？

🎓

那就是齐纳的「分流（横向放掉）」动作。通过 R_s 的总电流 I_total，减去负载取走的 I_load，剩下的全被齐纳分流到地，这就是 I_zener = I_total − I_load。当负载突然变轻，用电量下降，齐纳就吸收那份余电。输入升高电流增多，增多的部分也被齐纳吸。所以无论哪种情况输出都几乎不动。下面「齐纳电流 vs 负载电阻」的图，拖动 R_L 可以看到这种吸收情况。

🙋

那似乎很万能啊！…但是不是没有弱点？

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有两个大弱点。第一是效率差。R_s 和齐纳都在持续消耗电流发热，无负荷时齐纳吞掉全部电流，功率全部浪费掉。第二是设计难度，R_s 要满足相反的两个条件。最坏的情况是「输入最低、负载最重」，此时齐纳电流要保证足够的保持电流，所以 R_s 不能太大。反面的最坏情况是「输入最高、无负荷」，齐纳会吸收最多电流，消耗功率 P_zener 最大，超过定格就烧坏，所以 R_s 也不能太小。得在这两个极端都满足的范围里选 R_s。所以齐纳分流电路只适合做「基准电压」或「轻负载电源」，需要效率或大电流就得用三端子稳压器或开关电源。

🙋

我把输入电压往下降，判定变成「稳压失效」了。这是什么情况？

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输入 V_in 降低，I_total 也跟着降。如果降到比 I_load 还小，齐纳就没有余余电流可分，I_zener 变成负数，齐纳无法保持击穿，再也钉不住电压了。输出就掉到 V_z 以下，只是两个电阻的分压了。这叫「脱落＝稳压失效」。实际设计时，要保证最坏工况（最低输入、最重负载）下齐纳电流还是大于保持电流。这是齐纳电路设计最关键的一点。

常见问题

齐纳二极管处于反向击穿状态时，输出电压基本固定在其齐纳电压 V_z 处。直列电阻 R_s 承受输入电压 V_in 与输出之间的压差，齐纳与输出并联，将电压钉住。因此输出电压 ≒ V_z。但这仅在齐纳流过最小保持电流（本工具为1mA）以上时成立。若输入过低或负载过重，将无法保持击穿，输出电压将降至 V_z 以下。

直列电阻中流过 I_total = (V_in − V_z)/R_s 的电流。负载中流过 I_load = V_z/R_L 的电流。齐纳流过的电流为差值 I_zener = I_total − I_load。即齐纳将「负载未消耗的余余电流」全部分流到地，以保持输出节点电压恒定。负载电流增大，齐纳电流相应减小；负载减轻，齐纳吸收余余电流。

直列电阻 R_s 面临两个相反的条件。首先是「最坏工况下保证最小保持电流」：输入电压最低、负载最重时，I_zener 不能低于保持电流，所以 R_s 应足够小。其次是「不超过齐纳定格功率」：输入最高、负荷最轻（或无负荷）时，余余电流集中流向齐纳，P_zener 增大，R_s 过小会导致超过定格。需在两个极端工况都满足的范围内选择 R_s。

最大缺点是效率低下。直列电阻和齐纳持续消耗电流，无负荷时齐纳吸收全部电流，功率白白浪费。另外输出电流有限，输入电压变动范围大时难以设计。它最适合生成稳定基准电压和轻负载电源，但对于效率和大电流需求，应使用三端子稳压器或开关电源。

实际应用

基准电压（参考）生成：齐纳分流电路最古老、最重要的用途是生成稳定的基准电压。A/D转换器、比较器、模拟电路的偏置点都需要「不动的电压」，轻负载情况下直列电阻一根加齐纳一个就能做出足够精度的基准。更高精度则用温度补偿型齐纳（带隙）替换，但电路拓扑还是同样的分流式。

微控制器·小信号电路的辅助电源：消耗电流小的微控制器、传感器、单个运放这样的轻负载，可以直接用齐纳分流电路做电源。元件少、成本低，即使找不到所需电压的集成稳压器，只要有那个电压的齐纳，任意电压都能造。

浪涌·过压保护、电压箝制：齐纳「规定电压一超，电流就骤增」的特性反过来用，可以防护后级电路免受浪涌和过压伤害。并在信号线或电源线上，一旦超过定格齐纳就吸收电流，电压被钉死。这也是分流动作。

电路设计学习·概算评估：齐纳电路是体验直流欧姆定律和基尔霍夫电流定律最直接的教材。用本工具这样的概算，可在设计阶段就摸清输入和负载变化对齐纳电流、消耗功率的影响，检查定格是否有余量、会不会脱落。用SPICE详细仿真前先做个理智检查，很有用。

常见误解和注意事项

最大的误解就是「输出电压总是等于齐纳电压」。输出固定在 V_z 只在齐纳能维持击穿的时候，也就是齐纳电流大于最小保持电流的时候。入力电压下降过多、或负载变重、负载电流接近直列电阻电流时，齐纳就没有多余电流可分，击穿解除。这时输出掉到 V_z 以下，电路变成直列电阻加负载的分压。本工具里往下拉输入电压，能看到输出从 V_z 掉下来的脱落点。

其次，「无负载时电路最轻松」这个想法完全反了。无负载对齐纳来说是最酷烈的工况。负载不取电，直列电阻的全电流都被齐纳一个吃，齐纳消耗功率 P_zener = V_z·I_zener 最大。齐纳定格功率就得以「输入最高、无负载」这个最坏情况为基础算。反过来保持电流的保证是以「输入最低、负载最重」为基础。设计时必须分别对这两个极端工况计算。

最后，「不考虑效率、盲目取大电流」。齐纳分流电路本质上低效，直列电阻和齐纳时刻消耗，无负载也在浪费。要取大电流就得减小直列电阻，那样无负载时齐纳损失反而暴增。超过几十毫安的负载、或者要靠电池驱动讲究效率，光用齐纳不够，要加射极跟随器，或改用三端子稳压器和开关电源。齐纳分流电路要割舍掉「基准电压·轻负载·低成本」之外的想法。

齐纳稳压电路概述

常见问题

实际应用

常见误解和注意事项

使用指南

具体计算示例

实务注意事项