二极管的分类及其8种电路设计应用

2023-06-05 10:00:00 徐继 46

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二极管的基本介绍


1、二极管是最简单的双极性半导体,A为正极,B为负极,具有单向导电功能,电流从A流向B。

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2、当A和B两端的电压差≥0.7V时,即A端电压减去B端电压≥0.7V,二极管导通,反之二极管不导通,相当于开路。

 

3、二极管的伏安特性曲线

下图左:二极管实际的特性曲线(即二极管两端电压随电流增大而增大)。

下图右:二极管等效的特性曲线(即实际使用时,二极管两端电压默认为0.7V,无论两端电流多大,两端电压不变,为0.7V)。

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二极管的进阶介绍

低频时,二极管就是简单的单向导通,A和B两端电压差≥0.7V时,二极管导通;低于0.7V时,二极管不导通,处于开路状态。

高频时,二极管的单向导通特性并不十分理想,二极管从图a变成了图b,二极管并联了一个电容(即结电容)。

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因为高频时结电容的出现,二极管从单向导电变成了双向导电,即电流可以从A流向B,也可以从B流向A,但是反向导电不是一直可以导电,只是导通一段时间trr,因为当前技术和生产工艺,结电容不可避免,只能尽量的减小trr。

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二极管的分类

因为结电容的存在,根据trr值的大小,分出了三种二极管

整流二极管:trr的值在ms级别。

快恢复二极管:trr小于200ns。

肖特基二极管:trr的值在10ns级别,两个优点,导通压降小,恢复软度大(不易产生反向恢复电压),特别适合低压开关电源使用。

一般来说,trr越小,二极管价格越高。


二极管的特性引申

1、发光二极管,即LED灯(见下图)

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伏安特性基本与普通二极管一致,决定发光二极管亮度的是电流,不是电压,不同颜色LED灯导通电压是不一样的,具体需要看每家厂商LED灯的datasheet。

LED灯做指示灯时,电压源串联限流电阻使用。

LED灯做照明灯时,使用恒流源供电。


2、稳压二极管(见下图)

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稳压二极管又叫齐纳二极管,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变,原理是利用伏安特性的反向特性(前面介绍的伏安特性是指伏安特性的正向特性),见下图,第一象限里的是正向特性,第三象限里的是反向特性。

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当电流在Iz至Izm之间时,电压保持在Uz。

 

稳压管稳压的本质

稳压二极管是依靠改变电流来实现端电压的稳定的,如下图,稳压管是不可能稳出5V电压的。

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如下图a,Vout也不可能是5V的,因为RL和R1两电阻串联分压使的Vout仅为0.9V。

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如下图b,如果将R1的阻值改为≤1KΩ时,Vout为5V。

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3、TVS二极管

TVS是一种特殊的二极管雪崩器件,其工作原理和齐纳二极管类同。见下图,图a是双向的TVS管,没有正负极之分,图b是单向的TVS管,和稳压管的符号相同,有方向,A是正极,B是负极。

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当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,可以迅速将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲及雷击的损坏,各种总线端口使用的非常频繁。


二极管在电路设计中的应用


1. 防反作用

串联一个二极管,利用二极管的单向导电的特性,实现了最简单可靠的低成本防反接功能电路。这种低成本方案一般在小电流的场合,类似小玩具等。因为二极管导通会有一个0.7V(硅管)的导通压降,如果实际电流很大的话,那么就会产生一个热损耗,会导致发热。而且如果反接的电压很大的话,超过反向截止电压,也会击穿二极管本身,导致二极管失效,起不到防反接的功能,从而不能起到保护后级电路的作用了。

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2.泄放作用

如下图所示,D1~D3为TVS管,当RS485线缆上受到浪涌或者雷击时,TVS管可以瞬间泄放巨大能量,确保后级电路不受干扰。

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3. 整流作用

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电,这就是交流电的整流过程,整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压,而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压,习惯上称单向脉动性直流电压。

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4. 稳压作用

具备稳压作用的二极管叫做稳压二极管,英文名称Zener diode,又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变,其基本电路结构如下图所示。

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5. 续流作用

续流二极管都是并联在线圈(感性元器件)的两端,线圈在通过电流时,会在其两端产生感应电动势。当电流消失时,其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时,会把原件如三极管,等造成损坏。续流二极管并联在线 两端,当流过线圈中的电流消失时,线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它元件的安全。常见的电路结构如下。(HF49FD 功率继电器)

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又或者BUCK芯片电路中的续流二极管

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6. 检波作用

峰值检波电路是对输入信号幅值的最大值进行检测,其工作原理是:当输入电压幅度大于二极管正向电压时,二极管导通,输出电压加在电容C1上,电容两端充电完毕,当输入电压幅值低于先前输入电压幅值时,二极管处于反偏截止状态,此时,电容两端的电压基本保持不变;若再输入信号,输入电压幅度必须高于此时电容两端的电压(即加在二极管的正向电压),二极管才能导通。

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7. 倍压作用

下图是一个2倍压电路原理图,其工作过程大概分析如下:

电源负半周时,二极管D1导通,D2截止,电流从电源下端流出经过D1, C1回到电源,因此电容C1右正左负,如下图中红色箭头。电源正半周时,电容C1上的电压叠加电源电压,使二极管D2导通,二极管D1截止,电容C2上正下负,峰值电压可达2倍电源的峰值电压,即实现二倍压,该半周期时电流走向如下图中桔色箭头所示。

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8. ADC检测口电压钳位作用

(钳位电路)在一些ADC检测电路中会用两个二极管进行钳位保护,原理很简单,0.7V为D1和D2的导通压降,Vin进来的电压大于等于3.3V+0.7V时,D35导通,Vout会被钳位在4V;Vin小于等于-0.7V时,Vout被钳位在-0.7V左右。

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