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ren-hang 2019-02-28 23:40 原文

电子制作站里二极管的基础知识讲的很详细,将相关二极管的资料整合一下,方便日后学习使用。

稳压二极管(zener diode),也称齐纳二极管

稳压二极管(zener diode),也称齐纳二极管,与普通二极管不同的是,稳压二极管工作在反向击穿状态时,它的工作电流在很大范围内变化而其两端的电压基本不变。

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1、稳压二极管典型直流稳压电路分析
稳压二极管主要用来构成直流稳压电路,这种直流稳压电路结构简单,稳压性能一般。下图所示是稳压二极管构成的典型直流稳压电路。电路中,VZ1是稳压二极管,R1是VZ1的限流保护电阻。

 

未经稳定的直流工作电压通过R1加到稳压二极管上,由于工作电压远大于VZ1稳压值,所以VZ1进入工作状态,其两端得到稳定的直流电压,作为稳压电路的输出电压。
当直流工作电压大小波动时,流过R1和VZ1的电流大小随之相应波动,由于稳压二极管VZ1稳压不变,这样直流电压大小波动的电压降在电阻R1上。

2、电子滤波器中的稳压二极管

 下图所示是电子滤波器中的稳压二极管应用电路。电路中,VZ1是稳压二极管,VT1是电子滤波管,C1是VT1基极滤波电容,R1是VT1偏置电阻。

 

在稳压二极管导通后,VT1基极电压被稳定在13V,根据三极管发射结导通后的结电压基本不变特性可知,这时VT1发射极直流输出电压也是稳定的,达到稳定输出电压目的。

3、稳压二极管构成的浪涌保护电路

下图所示是稳压二极管构成的浪涌保护电路。电路中,K1是继电器,VZ1是稳压二极管,R1是限流保护电阻,RL是负载电阻。

当工作电压没有浪涌出现时,工作电压没有高到足以使稳压二极管VZ1导通的程度,这时VZ1截止,没有电流流过继电器K1,K1的触点保持导通状态,工作电压通过继电器触点为负载RL正常供电。

当工作电压出现浪涌时,由于电压升高,稳压二极管VZ1导通,这时有电流流过继电器K1,K1的触点断开,电压不能通过继电器触点为负载RL供电,达到保护负载RL的目的。

 4、稳压二极管构成的过电压保护电路

 下图所示是稳压二极管构成的过电压保护电路。电路中VZ1是稳压二极管,VT1是控制管,+115V是主工作电压。

 

电阻R1和R2构成115V直流工作电压的分压电路,分压后的电压通过稳压二极管VZ1加到VT1基极,当115V电压大小正常时,R1和R2分压后的电压不足以使稳压二极管导通,这时VT1基极电压为0,VT1截止,其集电极为高电平,此时待机保护电路不动作,电路正常工作。

当电压高于115V时,R1和R2分压后的电压足以使稳压二极管VZ1导通,这时VT1饱和导通,其集电极为低电平,通过待机控制线的控制使电路进入待机保护状态。

5、功率放大器中的过电压保护电路

下图所示是一种功率放大器中的过电压保护电路。电路中,VZ1和VZ2是保护二极管,是稳压比较高的稳压二极管。VT1和VT2是功率放大器中的两只输出管。

1)、直流工作电压正常时:稳压二极管VZ1和VZ2不导通,相当于开路,对功率放大器正常工作无影响。
2)保护时电路分析:直流电压异常升高,稳压二极管VZ1、VZ2便击穿,钳住VT1和VT2管集电极与发射极之间直流工作电压,使VT1和VT2管集电极与发射极之间直流工作电压不会进一步增大,以达到保护功放输出管的目的。

 6、稳压二极管构成的限幅电路

下图所示是稳压二极管构成的限幅电路。电路中,A1和A2是集成电路,VZ1和VZ2是稳压二极管。
  

从集成电路A1的1脚输出信号通过R1加到集成电路A2的1脚。当集成电路A1的1脚输出信号幅度没有超过VZ1稳压值时,这一信号完整的加到集成电路A2的1脚上;当集成电路A1的1脚输出信号幅度超过VZ1稳压值时,幅度超过部分使VZ1导通,信号幅度的最大值被限制,
达到限幅目的。
1)R2和VZ2构成的限幅电路与R1和VZ1构成的电路工作原理一样,只是它用来限制集成电路A1的2脚输出信号幅度。


2)R1和R2的作用一样,它用来传输集成电路A1和A2之间的信号,同时也是VZ1和VZ2的限流保护电阻。
3)限幅电路只是限去电压值超过稳压二极管稳压值的部分,对于信号电压幅度小于稳压二极管稳压值的部分无限副作用。


 7、稳压二极管构成的电弧抑制电路

 下图所示是稳压二极管构成的电弧抑制电路,这种电路通常用于一些功率较大的电磁吸铁控制电路中。电路中,VZ1是稳压二极管,L1是电感,R1是限流保护电阻,S1是电源开关。

 

这一电路的工作原理是:在电源开关S1从接通转为断开时,电感L1两端产生的方向电动势为上正下负,这一反向电动势很大,通过R1加到了稳压二极管VZ1两端,使之导通,这样将反向电动势能量释放,使开关S1上不会产生很大的电动势,从而不能产生电弧,达到了消弧目的。
电源开关S1正常接通时,直流电压通过R1加到VZ1上的电压不够大,不足以使VZ1导通,所以VZ1处于截止状态,不影响电路正常工作。

 

 




 

标称稳定电压VZ(Nominal Zener Voltage)是稳压二极管最重要参数,也是工程师在选型时首要的参数。

稳压二极管的典型应用电路如下图所示:

它的主要作用是从较高输入电压Vi中获取的较低输出电压Vo,这里我们并没有这样描述:从较高的不稳定的输入电压Vi中获取较低的稳定输出电压Vo。稳压二极管虽然有一定的稳压功能,但这种稳压能力在精度要求较高的场合并不适用,在大多数实际应用电路中,稳压二极管更多的是为了获取一个对精度要求不高的电压值。

稳压二极管应用于场效应管驱动时的示意图:

N沟通道场效应管的栅源开启电压VGS是有最大限制值的,比如±20V,超过此值则场效应管可能会损环,通常在此类开关控制电路中,VGS值设置为 10V左右,如果电路系统中只有36V较高的电压(其它为5V之类的低压),这个电压不可以直接作为VGS电压,当然,可以采用诸如低压差线性调整芯片(LDO)从36V中降压获取此电压,但是大多数情况下,我们只需要如图所示稳压二极管即可,成本低,电路简单,而且这种应用对稳压精度要求并不高。

当输入电源电压Vi比稳压二极管的稳定电压VZ低时,稳压二极管没有击穿而处于反向截止区,此时电路回路中只有比较小的反向漏电电流IR(reverse leakage current),这种工作状态不是稳压二极管的正常工作状态,因为输出电压Vo是随输入电压Vi变化的,没有达到输出稳定电压的目的,如下图所示:

当输入电源电压Vi比稳压二极管稳定电压ZT高时,稳压二极管被反向电压击穿,此时回路电流急剧增加,如下图所示:

 

此时的输出电压Vo就是稳压二极管的标称稳定电压,也就是我们所需要的电压值,回路中的电流就是稳压二极管的工作电流IZ(zener current),此值由下式可得:

其中,电阻R就是稳压二极管的限流电阻。能够使稳压二极管进入稳压状态的最小电流IZ也叫膝点/拐点电流IZK(knee point current),因此,电阻R值不应该太大,那么这个电阻的最小值应该是多少才合适呢?我们继续往下看:

当输入电源电压Vi时继续增加时,稳压二极管的稳定电压VZ(也就是输出电压Vo)会有一定的变化,但没有输入电压Vi变化那么大,因为稳压二极管处于反向击穿稳压状态,此时输入电压Vi与输出电压Vo的差值都施加到电阻R两端,继而引起回路电流上升。

稳压二极管本身没有最高反向电压的参数,但是它会有一定的功耗,如下式:

 

也就是稳压二极管的稳定电压VZ与流过稳压二极管中的电流IZ的乘积,对于具体的稳压二极管,其稳定电压VZ是额定的,因此功耗也可以由最大的功耗也可由最大工作电流IZM(Maximum zener current)来表示,很多数据手册中也是给出这个值。

当回路电流IZ超过稳压二极管的最大工作电流IZM时(也就是超过二极管最高允许耗散功率),稳压二极管会因为过热而损坏,此时的输出电压Vo就是输入电压Vi,也就是不再有稳压能力了,如下图所示:

因此,我们在设置电阻R的最小值时,应控制稳压二极管的工作电流在IZM之内。

这种特性我们也可以从稳压二极管的伏安V-I特性曲线看出,如下图所示:

稳压二极管有一定的电阻,通常称为动态电阻RZ(zener resistance)或动态阻抗ZZ(zener impedance),它是指稳压管两端电压变化与电流变化的比值,可由下式所得:

 

动态电阻RZ随稳压二极管的工作电流IZ不同而不同,通常工作电IZ流越大(即分母越大),则动态电阻则RZ越小,这个值自然是越小越好。

我们可以把稳压二极管等效一个理想的电压源VZ与一个动态电阻RZ串联,如下图所示:

因此,典型应用电路也可以修改如下所示:

当回路中的电流IZ上升时,动态电阻RZ两端的压降(IZ×RZ)亦会上升,则输出电压Vo也会上升,动态电阻RZ越小则输出电压Vo变化越小,也就是说稳压能力更佳。

 

 




 

达林顿管(Darlingtontube)也称复合管

达林顿管(Darlingtontube)也称复合管,即使用两个三极管复合成一个三极管。一般大功率三极管的基极需要较大的电流来驱动,不能直接将小信号进行放大(小信号提供不了足够的基极驱动电流),而达林顿管内部由两个三极管组合而成,前级三极管将小电流放大后再驱动后级的三极管,这样小电流也可以驱动大功率的达林顿管,由原理也可以看出,功率部分主要是由后级的三极管来承担的。

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上图中的hFE为相应三极管的直流电流放大倍数,为了简便起见,我们将IC近似为IE,两个三极管组合成达林顿管后的三极管类型与第一级的三极管相同,组合后的总直流放大倍数为hFE1×hFE2。

前级三极管的穿透电流被后级进一步放大后,会导致达林顿管热稳定性变差,这样会更进一步使穿透电流变大,进入恶性循环,电阻R2与R3就是提供三极管穿透电流的释放回路,穿透电流通过电阻释放到外面,而不是被后级三极管进一步放大,如下图所示:

有些达林顿管内部也会有保护二极管,如下图所示:

这两个二极管一般是接感性负载时的续流二极管,防止感性负载回路断开瞬间产生的高压击穿三极管,其中二极管D1在接继电器一类负载时经常用到,如下图所示:

 

 而二极管D2在半桥或全桥驱动的大功率感性负载时会用到

 




 

肖特基二极管

肖特基二极管:肖特基(Schottky)二极管,又称肖特基势垒二极管(简称 SBD),它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。

肖特基(Schottky)二极管的最大特点是正向压降 VF 比较小。在同样电流的情况下,它的正向压降要小许多。另外它的恢复时间短。它也有一些缺点:耐压比较低,漏电流稍大些。选用时要全面考虑。

瞬态(瞬变)抑制二级管简称TVS器件,在规定的反向应用条件下,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很低的导通值,允许大电流通过,并将电压箝制到预定水平,从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其箝位响应时间仅为1ps(10-12S)。TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C,T=10ms条件下,可达50~200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。

 

在高频、大电流整流以及续流电路中,大量使用了快恢复二极管(FBR)、超快恢复二极管(SRD)和肖特基二极管(SBD)

  肖特基二极管利用了肖特基,来对金属或半导体接触面上的反向电压来进行阻挡,从而让电流进行单向的传导。与传统的二极管不同,肖特基与PN结的结构相比,存在很大的差异。快速恢复二极管,顾名思义是一种能够快速恢复反向时间的半导体二极管。

 

  肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,简称肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),具有正向压降低(0.4--0.5V)、反向恢复时间很短(10-40纳秒),而且反向漏电流较大,耐压低,一般低于150V,多用于低电压场合。

  快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下),工艺上多采用掺金措施,结构上有采用PN结型结构,有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V),反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长,后者则在100纳秒以下。

  超快恢复二极管(简称fred)是一种具有开关特性好、反向恢复时间超短的半导体二极管,常用来给高频逆变装置的开关器件作续流、吸收、箝位、隔离、输出和输入整流器,使开关器件的功能得到充分发挥。超快恢复二极管是用电设备高频化(20khz以上)和高频设备固态化发展不可或缺的重要器件。

快恢复、超快恢复二极管的结构特点

  快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同,它是在P 型、N 型硅材料中间增加了基区I,构成P-I-N硅片。由于基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大减小了trr值,还降低了瞬态正向压降,使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒,正向压降约为0.6V,正向电流是几安培至几千安培,反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小,使其trr可低至几十纳秒。

  20A以下的快恢复及超快恢复二极管大多采用TO-220封装形式。从内部结构看,可分成单管、对管(亦称双管)两种。对管内部包含两只快恢复二极管,根据两只二极管接法的不同,又有共阴对管、共阳对管之分。几十安的快恢复二极管一般采用TO-3P金属壳封装。更大容量(几百安~几千安)的管子则采用螺栓型或平板型封装形式。

性能、参数比较

  下表列出了肖特基二极管和超快恢复二极管、快速恢复二极管、硅高频整流二极管、硅高速开关二极管的性能比较。由表可见,硅高速开关二极管的trr虽极低,但平均整流电流很小,不能作大电流整流用。

反向恢复时间

  什么是反向恢复时间?当外加二极管的电压瞬间从正向转到反向时,流经器件的电流并不能相应地瞬间从正向电流转换为反向电流。此时,正向注入的少数载流子(空穴)被空间电荷区的强电场抽取,由于这些空穴的密度高于基区平衡空穴密度,因而在反向偏置瞬间,将产生一个远大于反向漏电流的反向电流,即反向恢复电流IRM。与此同时,符合过程的强化也在加速这些额外载流子密度的下降,直到基区中积累的额外载流子的完全消失,反向电流才下降并稳定到反向漏电流。整个过程所经历的时间为反向恢复时间。

  反向恢复时间trr的定义是:电流通过零点由正向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。

区分肖特基二极管与快恢复二极管

  1、结构原理不同,肖特基二极管是贵重金属和n型半导体结合成,快恢复二极管是普通pn结加了个薄基区。

  2、快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下),工艺上多采用掺金措施,结构上有采用PN结型结构,有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V),反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长,后者则在100纳秒以下。 肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,称肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),具有正向压降低(0.4--0.5V)、反向恢复时间很短(10-40纳秒),而且反向漏电流较大,耐压低,一般低于150V,多用于低电压场合。

  3、肖特基二极管反向击穿电压大多不高于60V,最高仅约100V,限制其使用,快恢复二极管反向峰值可以到几百到几千伏,因此像在开关电源变压器次级用100V以上的高频整流二极管等只有使用快速恢复(UFRD)。

  4、肖特基正向导通压降仅0.4V左,快回复二级馆0.6伏, 总的来说,由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频率响仅为RC时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且,MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。快恢复二极管:有0.8-1.1V的正向导通压降,35-85nS的反向恢复时间,在导通和截止之间迅速转换,提高了器件的使用频率并改善了波形。快恢复二极管在制造工艺上采用掺金,单纯的扩散等工艺,可获得较高的开关速度,同时也能得到较高的耐压。目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件。

 

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