二极管的工作原理 & 应用

JianweiXi
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参考

二极管

  • 在二极管的世界中，大部分二极管们都以：正向导通电流大，反向截止电压大为荣； 好比在武侠世界中，大部分武术从业者都追求：内力深厚，武技精湛（阿七：集中精神，以气驭剑）。但总有一部分人，另辟蹊径，既不追求内力有多深，也不奢望自己武技多厉害，他们只喜欢那挥刀瞬间的快感，不错，那就是“葵花宝典”！他们身残志坚，只追求一个字：“快”，如果还有更高的追求，那就是：“更快”，快到可以让时间逆流，不错， “无极”才是他们的终极目标。
  • 稳压二极管和TVS管（瞬态抑制二极管） 是二极管中的另类，它们追求的既不是正向的强大，也不是反向的耐造，而是“反向击穿”时的快感； 来吧，击穿一次不够，那就来一次（TVS），两次不够，就一直让我击穿（稳压管）。这种反其道而行之的特殊能力，让他们在电路世界中大受欢迎，成为了名副其实的 “肉盾”。

击穿状态

电磁兼容（EMC）：齐纳击穿与雪崩击穿的区别： zhuanlan.zhihu.com/p/245081965

  • 齐纳击穿
  • 雪崩击穿

稳压二极管 & TVS管

  1. 如下图为TVS管和稳压二极管的区别。 image.png

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  1. 如下图为TVS管，压敏电阻，空气放电管和TSS管的V-I伏安特性图。 image.png

TVS管

击穿一次，正常情况下工作在反向截止区，异常情况下工作在雪崩击穿状态。

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TVS管，瞬态抑制二极管。它是一种高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（ps级）和相当高的浪涌吸收能力。所以TVS管的主要作用是：以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

不错，TVS管是保护后端电路的器件，而且它能够吸收非常大的瞬态能量，主要用于静电以及浪涌的防护上。 当然，下方的示意图只是一个理想的防护效果，实际上抑制电压不会是一条水平线，会随浪涌电流的大小而变化。

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稳压二极管

持续击穿，正常情况下工作在齐纳击穿状态，也被称为齐纳二极管。

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特性

  1. 正向偏置状态下， 同普通二极管特性一样：正向导通，随正向偏压的提高，正向电流变化很大；
    • 稳压二极管正向通流能力一般不会太大，如果在实际应用中有正向导通的场景，需要分析其正向导通特性的参数，避免出现过流损坏等情况。
  2. 反向偏置状态下， 当反向电压没达到VBR之前，稳压二极管基本没导通；当接近VBR值时开始导通，产生IR电流；（反向导通电压VBR，反向漏电流IR）
    • 一般情况下，稳压二极管的正常工作电压不应该落在该区间，没起到稳压的作用。
  3. 当反向偏置增加，对应的反向偏压就是齐纳击穿电压；为了使二极管保持在稳定状态，必须维持最小的反向电流Iz(min)；
    • 这是稳压二极管的工作区间，同时根据V-I伏安特性曲线，可以看到正常工作有最小反向电流的要求，如果反向电流过小，那么对应的反向电压也会随之变小，不在稳压范围之内。
  4. 当反向电流高于曲线拐点处的电流Iz(max)时，电压出现剧烈变化，二极管被物理性损坏，此时就是 雪崩击穿电压；
    • 随着稳压电流的增大，稳压二极管会从齐纳击穿变为雪崩击穿，造成器件损坏。
  5. 保持稳压二极管的反向电流在Iz(min)~Iz(max)之间，二极管的两端电压就能保持近似恒定。
    • 稳压电流就算在要求范围之内，也并非是固定不变的，是有变化范围的，取决于不同稳压二极管个体的差异。

参数

  1. 稳定电压Vz：指稳压二极管通过额定电流时两端产生的稳定电压值，该值随工作电流和温度的变化而改变；
    • 稳压二极管的稳压范围，相对电源芯片来说还是比较大的，而且随着电流、温度以及稳压二极管个体的变化而变化，所以是否能够将它作为基准电压，要看实际应用需求和具体稳压二极管的参数。
  2. 额定电流Iz：指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值，低于此值时稳压效果会变差，高于此值时，只要不超过额定功率损耗，稳压性能会更好一些，但需要多消耗电能；
    • 如上特性中所述，不是随便在电路上加上一个稳压二极管就能起到稳压效果，要保证其反向电流Iz满足一定的条件才行，所以在稳压二极管和电源之间 串一个合适的电阻，是一个不错的选择。
  3. 动态电阻Rz：也称“齐纳阻抗”，指稳压管两端电压变化与电流变化的比值，一般工作电流愈大，动态电阻则愈小；
    • 电路中所需的稳压电压需要计算动态电阻与外部电阻的分压。
  4. 额定功耗Pz：由芯片允许的温升决定，数值为稳定电压Vz和最大电流Izm的乘积；
    • 额定功耗决定了稳压二极管的最大不被损坏的热耗，需根据电路最大电应力来计算。
  5. 反向漏电流IR：指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流；
  6. 温度系数α：指稳压管稳定温度变化1℃引起两端电压的相对变化（﹪/℃）。
    • 这个参数常常被忽略，由于少子的浓度与温度有很大的关系 （每上升10℃，反向漏电流增加4倍），所以稳压二极管温度的变化会造成两端电压变化，如果对稳压电压有较高的要求，那么必须分析单板最大环境应力并对照温度系数，进行计算。

应用

  1. 在稳压电源中作为基准电压源；
  2. 在过压保护电路中作为保护二极管；

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  1. ⭐️ 简易稳压电路：利用二极管稳压特性，实现小电流输出稳压；
  2. ⭐️ 改进型稳压电路：利用二极管稳压特性，实现较大电流输出稳压；

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  1. ESD保护电路：利用二极管的反向偏置特性，防止LED静电损坏；
  2. 过压保护电路：利用二极管导通特性，触发可控硅SCR对输入电压端进行限制；

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  1. 信号幅度钳位：利用二极管对input信号的幅度大小进行限制。

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