二极管
本文主要是关于二极管模型的相关介绍,并着重对二极管模型进行了详尽的阐述。
二极管的恒压降模型在实践中使用是比较广泛的。
它对二极管伏安特性在一定程度上进行了合理的近似建模。
该模型中,使用一个理想二极管模型和直流电源串联实现。理想二极管的单向导电决定了,恒压降模型也是单向导电。在外加正向电压时,只有大于0.7V(硅管)才会产生正向导通电流。
判断二极管导通状态
如何判断电路中的二极管是否导通,其实靠的是试验法。
先将电路中的二极管拿掉,计算原位置处两端正向电压;如果大于0.7v,那么把二极管再放回原位置的话,二极管必然是导通的。
举例:
(a)图中,拿掉二极管D可知,D阳极电位为-15v,阴极电位为-12v,D正向电压为-3v,故D不导通,AO两端电压为-12V。
(b)图,同时拿掉D1,D2。
得到D1原位置处两端电压为0-(-9)=9v
得到D2原位置处两端电压为-6-(-9)=3v
两个二极管都导通吗?不一定!由于二极管导通后会导致电路中各点电位重新分配,所以将二极管接回原电路的时候要一个一个来。
D1两端压差有9V,比D2的压差要高。我们就先将D1接回原电路,此时,A点电位是-0.7v,重新计算D2处两端压差为-6-(-0.7)=-5.3v。看到了吧,此时如果将D2接回电路是不导通的。
判断输出电压波形
分析如下:
D1在ui大于3.7v时导通,D2截止,此时uo=3.7v。
D2在ui小于-3.7v导通,D1截止,此时uo=-3.7。
D1D2同时导通的情况不存在。
D1D2在-3.7《ui《3.7时,都截止,对输出uo没影响,uo=ui
已经知道二极管是一种具有PN结的元件。在这一节,你将会学到二极管的电子符号,也能够在进行线路分析时,按照三种不同复杂度,分别采用合适的二极管替代模型。同时,本节也会介绍二极管的封装和辨识二极管的引脚的方法。
在学习完本节的内容后,你应该能够:参与讨论二极管的工作原理,并说出三种二极管的模型;识别二极管的符号,并能确认二极管的引脚;识别二极昝的不同外形结构;解释二极管的理想、实际和完整模型。
1.二极管的结构和符号
如你所知,二极管是单PN结的元件,在P型区和N型区两边分别接上金属接点和导线,如图1.31(a)所示。二极管的一半是N型半导体,而另一半是P型半导体。
目前有多种类型的二极管,本章所介绍的一般二极管或整流二极管的图标符号,则显示在图1.31(b)。N型区称为阴极( cathode),而P型区则称为阳极(anode)。符号中的箭头所指的方向,就是传统的电流方向(与电子流的方向相反)。
(1)正向偏压下的接线方式
如果电压源是按照图1. 32(a)的方式和二极管互相连接,则称此二极管受到正向偏压的作用。电压源的正极经过一个限流电阻,再连接到二极管的阳极。电压源的负极则接到二极管的阴极。正向电流(IF)则如图所示,从二极管的阳极流向阴极。正向电压降(VF)则是因为门槛电压的存在,使得二极管的阳极成为正极,而二极管的阴极成为负极。
(2)反向偏压下的接线方式
如果电压源是按照图1. 32(b)的方式和二极管互相连接,则称此二极管受到反向偏压的作用。咆压源的负极经过线路接到二极管的阳极。电压源的正极则接到二极管的阴极。反向偏压通常不需要限流电阻,但为了线路的一致性,仍在图中绘出。反向电流可予以忽略。要注意的是整个线路的偏压(VBIAS)都消耗在二极管。
2.理想的二极管模型
理想的二极管模型(the ideal diode model)可视为一个简单的开关。对二极管施加正向偏压时,二极管就像是一个闭合的开关(on),如图1.33(a)所示。对二极管施加反向偏压时,二极管就像是一个断路的开关(off),如图1.33(b)所示。至于门槛电压、正向动态阻抗和反向电流都予以忽略。
在图1.33(c)中,绘出了理想二极管的电压一电流特性曲线图。既然门槛电压和正向动态阻抗都予以忽略,因此在正向偏压下,可以假设二极管不会造成电压降,就如同位于垂直轴上的部分特性曲线所显示的含义一样。
正向电流(IF)是由所施加的偏压值和限流电阻,按照欧姆定律:
IF=VBIAS/RLIMIT (1.2)
既然反向电流可以忽略,就可假设其值为零.如图1. 33(c)中在负水平轴的部分特性曲线所示。
IR =OA
此时反向电压等于所施加的偏压电压值。
VR=VBlAS
当你在进行故障检修,或者找寻线路的工作状况时,因不需要考虑电压和电流的精确值,可以考虑改用二极管理想模型代替。
3.实际的二极管模型
实际的二极管模型(the practical diode model)是将门槛电压加入理想的开关模型。当二极管处于正向偏压下,它等于一个闭合开关再串接一个很小的等效电压源,电压源的电压等于门槛电压(0.7V),并将电压源的正极接到二极管的阳极,如图1. 34(a)所示。
这个等效电压源代表二极管在正向偏压下,在PN结上所产生的固定电压降(VF),此等效电路中的电压源并非主动电压源。
当二极管处在反向偏压时,它等于一个开路的开关,就如同理想模型,如图1. 34(b)所示。门槛电压并不会影响到反向偏压,所以不需加以考虑。
实际二极管模型的特性曲线表示在图1. 34(c)。既然门槛电压已考虑在内,而动态阻抗不予考虑,因此可以假设在正向偏压下,二极管本身拥有的电压降,如图所示,特性曲线向原点右方平行位移的部分就是这个电压。
VF=0. 7V
正向电流是依照下述公式算出,首先,将基尔霍夫电压定律应用到图1.34(a):
VBIAS-VF-VRLIMIT=0
VRLIMIT=IFRLIMIT
代入后解出IF为:
IF=VBIAS-VF/RLIMIT
假设二极管反向电流的值为零,如图1. 34(c)中在负水平轴上的部分特性曲线所示。
IR =OA
VR=VBIAS
4.完整二极管模型
二极管的完整模型(the complete diode model)是由门槛电压,小的正向动态阻抗(rd‘)和大的内部反向阻抗(rR’)所组成。之所以要将反向阻抗考虑进来,是因为此二极管模型要考虑到反向电流,因此必须将反向电
流所流经的反向电阻包括进来。
当二极管处于正向偏压时,就可视为一个闭合的开关,再串联一个等于门槛电压的电压源和一个小的正向动态阻抗(rd‘),如图1. 35(a)所示。当二极管处于反向偏压时,就可视为一个开路的开关,再并联一个大的内部反向电阻值(rR’),如图1. 35(b)所示。门槛电压并不会影响到反向偏压,所以可以不予考虑。
完整二极管模型的特性曲线显示在图1. 35(c)。既然需要考虑门槛电压和正向动态阻抗,因此在正向偏压下,可假设二极管本身有电压降。
其中正向电压(VF)是由门褴电压加上动态阻抗上的小电压降组成,可由特性曲线图中,位于原点右方的曲线部分看出。曲线开始倾斜,是因为当电流增加时,动态阻抗上的电压降也跟着增加的缘故。对于硅二极管的完整模型,可套用下面的公式:
VF=0.7V+IFrd’ (1.4)
IF=VBIAS-0.7V/RLIMIT+rd’ (1.5)
在计算反向偏压时,也需要将反向电流和并联的内部阻抗值(rR‘)一起考虑,可由特性曲线图中,位于原点左方的部分曲线看出。CX77304-17P曲线位于击穿电压附近的部分并没有显示出来,这是因为击穿区对于大部分的二极管来说,并不是一个正常的工作区。
5.典型二极管
图1.37示出几种常见的二极管的外形结构。有几种方式在二极管上标示出阳极和阴极,都是按照封装的种类加以标示的。阴极常用环带、凸出的片状物或其他方式表示。从封装外形观察,如果看到某个引脚和外壳直接相连,则外壳就是阴极。
关于二极管模型的相关介绍就到这了,希望通过本文能让你对二极管模型有更全面的认识。
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