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基本元器件 - 二极管

伏安特性:

  • 导通后分电压值约为 0.7 V(LED 约为 1-2 V,电流 5-20 mA)。
  • 反向不导通,但如果达到反向击穿电压,那将导通(超过反向最大电压可能烧坏)。
  • 正向电压很小时不导通(0.5 V 以上时才导通)。

二极管的主要参数

  • 最大整流电流 IFI_F:表示长期运行允许的最大正向平均电流,超出可能因结温过高烧坏。
  • 最高反向工作电压 URU_R:允许施加的最大反向电压,超出可能击穿。(URU_R 通常为击穿电压的一半)
  • 反向电流 IRI_R:未击穿时的反向电流,越小导电性越好。
  • 最高工作频率 fMf_M:上线截止频率。因结电容作用,超出可能不能很好体现的单向导电性。

二极管的分类

类型:

  • 整流管
    • 普通二极管:恢复速度相对慢,不适用于高频电路
    • 快恢复二极管
    • 肖特基二极管:应用于 <200V 的场景
  • 稳压管:持续击穿,应用于低功率场景
    • TVS:瞬间击穿,应用于高功率场景

整流二极管

用途:利用单向导通性,把交流电变成脉动直流电。

快恢复二极管(FRD)

快速恢复二极管的结构和功能与整流二极管相同。整流二极管用于 500 Hz 以下的低频应用,而 FRD 则用于从几千赫兹到 100 kHz 的高频开关。因此,FRD 具有反向恢复时间(trr)很短的特性,这对高速开关非常重要。一般整流二极管的 trr 为几微秒到几十微秒;而 FRD 的 trr 是几十毫微秒到几百毫微秒,约为整流二极管的 1/100。它应用于开关电源、逆变器、DC/DC 转化器等。

稳压(齐纳)二级管

定义:能稳定一定电压的二极管。

稳压二极管利用了 PN 结的反向特性。持续击穿,并得到恒定的电压,应用于低功率场景。

稳压条件:

  1. 工作在反向击穿状态下
  2. 反向电压大于稳压电压

稳压二级管的参数

  • 稳定电压 UZU_Z:表示在规定电流下的反向击穿电压,对于同一型号的稳压管,稳定电压是确定值。
  • 反向电流 IZI_Z:工作在稳压态下的参考电流,电流低于此值时稳压效果变差,也称 IZmin{I_Z}_{min}
  • 额定功耗 PZMP_{ZM}:等于稳定电压 UZU_Z 与最大稳定电流 IZMI_{ZM} 的乘积。超出可能因结温过高损坏。只要不超额定功率,电流越大,稳压效果越好。

基本稳压电路:

限流电阻的选择:

在稳压电路中,需要串联一个限流电阻,保护稳压二极管(用于分掉输入电压和稳定电压之间的电压差值)。电阻两端的电压取输入电压和稳定电压之间的差值,电流取稳压二极管 IZmin{I_Z}_{min}IZmax{I_Z}_{max} 之间,加上负载路的总电流。

瞬态电压抑制器(TVS)

TVS 管是为了防止瞬态高能量冲击,保护精密元器件。TVS 管有单向与双向之分,单向 TVS 管的特性与稳压二极管相似,双向 TVS 管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。

TVS 并联在电路中,正常情况下电流不走 TVS 的支路,TVS 表现出二极管单向导通的特性:

当发生过压时,TVS 进入击穿,将电流分流到地,使后续电路的电压保持在二极管的钳位电压:

用法:

  • 加在信号与电源线上,可防静电、交流浪涌或噪声。
  • 能释放超过 10000 V、60 A 以上的脉冲,持续 10 ms,可防止元器件损坏或总线间开关引起的干扰。
  • 放置在信号线和地之间,避免数据和控制总线受噪声干扰。

TVS 管的主要参数:

  • 反向截止电压 VRWM 与反向漏电流 IR:反向截止电压 VRWM 表示 TVS 管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。
  • 击穿电压 VBR:TVS 管通过规定的测试电流时的电压,这是表示 TVS 管导通的标志电压。
  • 脉冲峰值电流 IPP:TVS 管允许通过的 10/1000μs 波的最大峰值电流(8/20 μs 波的峰值电流约为其 5 倍左右),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小,一般是几安 - 几十安。
  • 最大钳位电压 VC:TVS 管流过脉冲峰值电流 IPP 时两端所呈现的电压。
  • 脉冲峰值功率 PmPm=IPPVCPm=IPP*VC。在给定的最大钳位电压下,功耗 PM 越大,其浪涌电流承受能力越大,在给定的功耗 PM 下,钳位电压越 低,其浪涌电流的承受能力越大。
  • 稳态功率 P0:TVS 管也可以作稳压二极管用,这时要使用稳态功率。
  • 极间电容 Cj:与压敏电阻一样,TVS 管的极间电容 Cj 也较大,且单向的比双向的大,功率越大的电容也越大,极间电容会影响 TVS 的响应时间。

TVS 管与稳压(齐纳)二极管的差异:

TVS 管在短时间内吸收很高的过电压,保护后续电路;而稳压(齐纳)二极管将输入电压钳制为恒定电压,并将钳制的恒定电压提供给后续电路。

开关二极管

为了开关设计而定制的二极管,截至 / 导通切换时间比较短,防止反向电流烧坏精密元器件

示例:

图中的 1N4148 起保护作用,当右侧灌入负电压时,能导通接地,保护三端稳压器

肖特基二极管(SBD)

肖特基二极管是一种采用半导体和金属结合,而不是采用 PN 结的器件(trr 会随着温度的升高而变长)。由于其正向电压小,反向恢复时间短,所以适合于高速开关应用。

肖特基二极管的伏安特性曲线:

正偏与反偏

  • 正向偏置:指 P 接高电位、N 接低电位,电流流动将顺着 PN 结方向,将显示出其单向导电的性能。
  • 反向偏置:相反,形成由 N 区流向 P 区的反向电流,通常可以认为反向偏置的 PN 结不导电,基本上处于截止状态。

常用封装

封装名称备注
DO-214AC/SMA通流能力 2 A
DO-214AA/SMB通流能力 4 A
DO-214AB/SMC通流能力 5 A
DPAK/D2PAK

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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