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2.4 二極管的特性與選用

二極管在電子電路中用得較多,功能各異。從結(jié)構(gòu)上來分,有點接觸型和面接觸型二極管。面接觸型二極管的工作電流比較大,發(fā)熱比較嚴重,它的最高工作溫度不允許超過100℃。按照功能來分,有快速恢復及超快速恢復二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管及開關(guān)二極管等。下面談談各種二極管的特點及檢測方法。

2.4.1 開關(guān)整流二極管

開關(guān)二極管用在高速運行的電子電路中,起信號傳輸作用,在模擬電路中起鉗位抑制作用。高速開關(guān)硅二極管是高頻開關(guān)電源中的一個主要器件,這種二極管具有良好的高頻開關(guān)特性。它的反向恢復時間trr只有幾納秒,而且體積小、價格低。在開關(guān)電源的過電壓保護、反饋控制系統(tǒng)中常用到硅二極管,如1N4148、1N4448。整流二極管的選用參照表2-5。

表2-5 硅整流二極管技術(shù)參數(shù)指標

硅二極管的主要技術(shù)指標如下:

1)最高反向工作電壓VRM和反向擊穿電壓VBR:這兩個參數(shù)越大越好。

2)最大管壓降VFM:小于0.8V。

3)最大工作電流Id:大于150mA。

4)反向恢復時間trr:小于50ns。

5)交流電阻RD:交流電壓的變量ΔVD與相應的電流變量ΔI之比,即RDVDID,RD變化范圍為6~20Ω。

6)二極管極間電容CB:二極管正向電阻大時,極間電容小,反之就大。高頻時CB較大,容易引起電路振蕩。

2.4.2 穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管(Zener Diode),具有單向?qū)щ娦?。它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。當反向電壓達到并超過穩(wěn)定電壓時,反向電流突然增大,而二極管兩端的電壓恒定,這就叫作穩(wěn)壓。它在電子電路中用作過電壓保護、電平轉(zhuǎn)換,也可用來提供基準電壓。

穩(wěn)壓二極管分為低壓和高壓兩種。穩(wěn)壓值低于40V的叫作低壓穩(wěn)壓二極管;高于200V的叫作高壓穩(wěn)壓二極管。現(xiàn)在市面上2.4~200V各種型號規(guī)格齊全。穩(wěn)壓二極管的直徑一般只有2mm,長度為4mm。它的穩(wěn)壓性能好、體積小、價格便宜。穩(wěn)壓二極管從材料上分為N型和P型兩種。選用穩(wěn)壓二極管的原則是:第一,注意穩(wěn)定電壓的標稱值;第二,注意電壓溫度系數(shù)。

穩(wěn)壓二極管具有如下作用:第一,對漏極和源極進行鉗位保護,如圖2-12a所示;第二,起到加速開關(guān)管導通的作用,如圖2-12b所示;第三,在開關(guān)電源中常用高壓穩(wěn)壓二極管代替瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)對一次回路中產(chǎn)生的尖鋒電壓進行鉗位;第四,在晶體管反饋回路中,常常在晶體管的發(fā)射極串聯(lián)一只穩(wěn)壓二極管作為電壓負反饋,提高放大電路的穩(wěn)定性。

圖2-12 穩(wěn)壓二極管的作用

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)如下:

1)穩(wěn)定電壓VZ。設計人員根據(jù)需要選用。

2)穩(wěn)定電流IZ。

3)溫度系數(shù)αt。溫度越高,穩(wěn)壓誤差越大。

表2-6列出了常用穩(wěn)壓二極管的型號及主要參數(shù)。

表2-6 穩(wěn)壓二極管的型號及主要參數(shù)

(續(xù))

2.4.3 快速恢復及超快速恢復二極管

快速恢復二極管(Fast Recovery Diode,F(xiàn)RD)和超快速恢復二極管(Superfast Recovery Diode,SRD)是很多電子設備中常用的器件,在開關(guān)電源中也經(jīng)常用到。這兩種二極管具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大、體積小等優(yōu)點,常用在電子鎮(zhèn)流器、不間斷電源、變頻電源、高頻微波爐等設備的整流、續(xù)流、限流等電路中。

它的性能指標特點如下:

1)反向恢復時間trr:通過二極管的電流由零點正向轉(zhuǎn)反向后,再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定值的時間。在圖2-13中,IF是正向電流,IRM為最大反向恢復電流,Irr為反向恢復電流。規(guī)定Irr=0.1IRM,當tto時,正向電流I=IF。當tto時,由于整流二極管的正向電壓突變?yōu)榉聪螂妷?,正向電流迅速減小。在t=t1時,I=0,整流二極管上的反向電流IR逐漸增大,在t=t2時達到最大反向恢復電流IRM。以后在正向電壓的作用下,反向電流逐漸減小,在t=t3時達到規(guī)定值Irr。從t1t3的時間為反恢復時間。

圖2-13 超快速恢復二極管反向 恢復電流的波形

2)平均整流電流Id:這是選用二極管的又一個主要指標。一般來說,選用管子的整流電流是設計輸出電流的3倍以上。

3)恢復和快速恢復二極管有3種結(jié)構(gòu),即單管、共陰極對管和共陽極對管。所謂共陰極、共陽極是指兩只二極管接法不同。

檢測方法及選用原則如下:

1)檢測方法:利用萬用表的電阻檔或數(shù)字萬用表的二極管檢測檔,能夠檢查二極管的單向?qū)щ娦?,并測出正向?qū)▔航?;用絕緣電阻表能測出反向擊穿電壓。一般正向電阻為6Ω,反向電阻為無窮大,可從讀出的負載電壓計算出正向?qū)▔航怠?/p>

2)選用原則:超快速恢復二極管在開關(guān)電源中可作為阻塞二極管和二次側(cè)輸出電壓的整流二極管。超快速恢復二極管的反向恢復時間在20~50ns之間;整流電流Id為最大輸出電流IOM的3倍以上,即Id>3IOM;最高反向工作電壓VRM為最大反向峰值電壓V(BR)S的2倍以上,即VRM>2V(BR)S。常用超快速恢復二極管的型號及主要參數(shù)見表2-7。

表2-7 常用超快速恢復二極管的型號及主要參數(shù)

2.4.4 肖特基二極管

肖特基二極管(Schottky Barrier Diode,SBD)是一種N型半導體器件,工作在低電壓、大電流狀態(tài)下,反向恢復時間極短,只有幾納秒,正向?qū)▔航禐?.4V,而整流電流達數(shù)百安。它是最近在開關(guān)電源中應用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和超快速恢復二極管的方法是兩者的正向壓降不同,肖特基二極管的正向壓降是0.4V,超快速恢復二極管的正向壓降是0.6V。值得注意的是,肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V,它適合用在低電壓、大電流的開關(guān)電源中。表2-8給出了肖特基二極管的型號及主要參數(shù)。

表2-8 肖特基二極管的型號及主要參數(shù)

2.4.5 瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor,TVS)是一種電壓保護器件。由于它在電路中的響應速度快、體積小、價格低,在開關(guān)電源和其他一些家用電器中得到了應用。瞬態(tài)電壓抑制器是一種用硅材料制成的器件,它與硅整流二極管一樣都具有PN結(jié);封裝形式有DO-41、A27K、A37K;在75℃溫度下額定脈沖功率為2W、5W、15W;在25℃溫度下承受的浪涌電流達到50A、80A、200A;最大功率可達60kW,承受瞬態(tài)高能電壓(如浪涌電壓、雷電干擾尖峰電壓)時,能迅速反向擊穿,由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài),把干擾脈沖鉗位到規(guī)定值,使設備不受外界條件影響,保護設備安全。

TVS有單向瞬態(tài)電壓抑制和雙向瞬態(tài)電壓抑制兩種。它的主要技術(shù)指標有:反向擊穿電壓VB(這是選擇時首先考慮的參數(shù))、脈沖電流IP(如果選小了,TVS將會擊穿)、鉗位時間(越短,安全性越好,一般僅為1ns)。如果反向電壓達不到,可以用兩只或三只TVS串聯(lián)起來使用。表2-9給出了TVS的型號及主要參數(shù)。

表2-9 TVS的型號及主要參數(shù)

注:VB為反向擊穿電壓;PP為峰值功率;IT為測試電流;VR為反向漏電電壓;IR為反向漏電電流;IP為脈沖電流;αt為溫度系數(shù)。

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