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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} 与 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 Pm：Pm=IPP∗VCPm=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​

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