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最強總結:二極管及八大電路保護

2020-02-27 10:49 來源:互聯網 編輯:咩咩

作為一名電子工程師,對于電路不說必須要非常精通,但至少能夠看得懂電路,知道電路保護器件的作用,在客戶提出防護需求時,及時給出有效且具有實施性的整改意見。

電路保護元器件應用領域廣泛,只要有電的地方就有安裝電路保護元器件的必要,如各類家用電器、家庭視聽及數碼產品、個人護理等消費類電子產品、計算機及其周邊、手機及其周邊、照明、醫療電子、汽車電子、電力、工業設備等,涵蓋人們生產生活的方方面面。

最詳細總結:二極管及八大電路保護

電路保護主要有兩種形式:過壓保護和過流保護。選擇適當的電路保護器件是實現高效、可靠電路保護設計的關鍵,涉及到電路保護器件的選型,我們就必須要知道各電路保護器件的作用。在選擇電路保護器件的時候我們要知道保護電路不應干擾受保護電路的正常行為,此外,其還必須防止任何電壓瞬態造成整個系統的重復性或非重復性的不穩定行為。

防雷過壓器件分為鉗位型過壓器件和開關型過壓器件,開關型過壓器件就是我們熟知的防雷器件:陶瓷氣體放電管、半導體放電管和玻璃放電管;鉗位型過壓器件有瞬態抑制二極管、壓敏電阻、貼片壓敏電阻和 ESD 放電二極管;過流器件則以 PTC 元件自恢復保險絲為主,以下是其具體作用:

1.放電管的作用:放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級,起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓作用,放電管是通過將電壓限制在較低的水平,從而起到保護作用。碩凱電子的放電管又分為氣體放電管和固體放電管,氣體放電管主要以陶瓷氣體放電管和玻璃氣體放電管為主,具體應用中放電管類別和型號的選擇則需要工程師根據產品應用端口的防護等級以及相關選型參數來確定。

2.瞬態抑制二極管的作用:瞬態抑制二極管能以 10 的負 12 次方秒量級的速度,將其兩極間的高阻抗變為低阻抗,吸收高達數千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預定值,有效地保護電子線路中的精密元器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。

3.壓敏電阻的作用:壓敏電阻是一種限壓型保護器件,電路保護中主要是利用壓敏電阻的非線性特性,當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值,從而實現對后級電路的保護。

4.貼片壓敏電阻的作用:貼片壓敏電阻主要用于保護元件和電路,防止在電源供應、控制和信號線產生的 ESD。

5.ESD 靜電放電二極管的作用:ESD 靜電放電二極管是一種過壓、防靜電保護元件,是為高速數據傳輸應用的 I/O 端口保護設計的器件。ESD 保護器件是用來避免電子設備中的敏感電路受到 ESD(靜電放電)的影響。可提供非常低的電容,具有優異的傳輸線脈沖(TLP)測試,以及 IEC6100-4-2 測試能力,尤其是在多采樣數高達 1000 之后,進而改善對敏感電子元件的保護。

6.PTC 自恢復保險絲的作用:電路正常工作時它的阻值很小(壓降很小),當電路出現過流使它溫度升高時,阻值急劇增大幾個數量級,使電路中的電流減小到安全值以下,從而使后面的電路得到保護。當故障排除之后,PPTC 元件很快冷卻并將回復到原來的低電阻狀態,這樣又象一只新的 PPTC 元件一樣可以重新工作了。

7.電感的作用:電磁的關系相信大家都清楚,電感的作用就是在電路剛開始的時候,一切還不穩定的時候,如果電感中有電流通過,就一定會產生一個與電流方向相反的感應電流(法拉第電磁感應定律),等到電路運行了一段時間后,一切都穩定了,電流沒有什么變化了,電磁感應也就不會產生電流,這時候就穩定了,不會出現突發性的變故,從而保證了電路的安全,就像水車,一開始由于阻力轉動的比較慢,后來慢慢趨于平和。電感還有一個作用就是通直流,阻交流,這個用的不多,我也不太清楚具體怎么用,等用到了再和大家分享

8.磁珠的作用:磁珠有很高的電阻率和磁導率,他等效于電阻和電感串聯,但電阻值和電感值都隨頻率變化。他比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時呈現阻性,所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗,從而提高調頻濾波效果,在以太網芯片上用到過。

再具體談一下二極管基礎知識 - 分類,應用,特性,原理,參數

二極管的特性與應用

幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導體二極管,它在許多的電路中起著重要的作用,它是誕生最早的半導體器件之一,其應用也非常廣泛。

二極管的應用

1、整流二極管

利用二極管單向導電性,可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。

2、開關元件

二極管在正向電壓作用下電阻很小,處于導通狀態,相當于一只接通的開關;在反向電壓作用下,電阻很大,處于截止狀態,如同一只斷開的開關。利用二極管的開關特性,可以組成各種邏輯電路。

3、限幅元件

二極管正向導通后,它的正向壓降基本保持不變(硅管為 0.7V,鍺管為 0.3V)。利用這一特性,在電路中作為限幅元件,可以把信號幅度限制在一定范圍內。

4、繼流二極管

在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。

5、檢波二極管

在收音機中起檢波作用。

6、變容二極管

使用于電視機的高頻頭中。

二極管的工作原理

晶體二極管為一個由 p 型半導體和 n 型半導體形成的 p-n 結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于 p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流 I0。當外加的反向電壓高到一定程度時,p-n 結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。

二極管的類型

二極管種類有很多,按照所用的半導體材料,可分為鍺二極管(Ge 管)和硅二極管(Si 管)。根據其不同用途,可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發光二極管等。按照管芯結構,又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面,通以脈沖電流,使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起,形成一個“PN 結”。由于是點接觸,只允許通過較小的電流(不超過幾十毫安),適用于高頻小電流電路,如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN 結”面積較大,允許通過較大的電流(幾安到幾十安),主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管,它不僅能通過較大的電流,而且性能穩定可靠,多用于開關、脈沖及高頻電路中。

一、根據構造分類

半導體二極管主要是依靠 PN 結而工作的。與 PN 結不可分割的點接觸型和肖特基型,也被列入一般的二極管的范圍內。包括這兩種型號在內,根據 PN 結構造面的特點,把晶體二極管分類如下:

1、點接觸型二極管

點接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后,再通過電流法而形成的。因此,其 PN 結的靜電容量小,適用于高頻電路。但是,與面結型相比較,點接觸型二極管正向特性和反向特性都差,因此,不能使用于大電流和整流。因為構造簡單,所以價格便宜。對于小信號的檢波、整流、調制、混頻和限幅等一般用途而言,它是應用范圍較廣的類型。

2、鍵型二極管

鍵型二極管是在鍺或硅的單晶片上熔接或銀的細絲而形成的。其特性介于點接觸型二極管和合金型二極管之間。與點接觸型相比較,雖然鍵型二極管的 PN 結電容量稍有增加,但正向特性特別優良。多作開關用,有時也被應用于檢波和電源整流(不大于 50mA)。在鍵型二極管中,熔接金絲的二極管有時被稱金鍵型,熔接銀絲的二極管有時被稱為銀鍵型。

3、合金型二極管

在 N 型鍺或硅的單晶片上,通過合金銦、鋁等金屬的方法制作 PN 結而形成的。正向電壓降小,適于大電流整流。因其 PN 結反向時靜電容量大,所以不適于高頻檢波和高頻整流。

4、擴散型二極管

在高溫的 P 型雜質氣體中,加熱 N 型鍺或硅的單晶片,使單晶片表面的一部變成 P 型,以此法 PN 結。因 PN 結正向電壓降小,適用于大電流整流。最近,使用大電流整流器的主流已由硅合金型轉移到硅擴散型。

5、臺面型二極管

PN 結的制作方法雖然與擴散型相同,但是,只保留 PN 結及其必要的部分,把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩余的部分便呈現出臺面形,因而得名。初期生產的臺面型,是對半導體材料使用擴散法而制成的。因此,又把這種臺面型稱為擴散臺面型。對于這一類型來說,似乎大電流整流用的產品型號很少,而小電流開關用的產品型號卻很多。

6、平面型二極管

在半導體單晶片(主要地是 N 型硅單晶片)上,擴散 P 型雜質,利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用,在 N 型硅單晶片上僅選擇性地擴散一部分而形成的 PN 結。因此,不需要為調整 PN 結面積的藥品腐蝕作用。由于半導體表面被制作得平整,故而得名。并且,PN 結合的表面,因被氧化膜覆蓋,所以公認為是穩定性好和壽命長的類型。最初,對于被使用的半導體材料是采用外延法形成的,故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極管而言,似乎使用于大電流整流用的型號很少,而作小電流開關用的型號則很多。

7、合金擴散型二極管

它是合金型的一種。合金材料是容易被擴散的材料。把難以制作的材料通過巧妙地摻配雜質,就能與合金一起過擴散,以便在已經形成的 PN 結中獲得雜質的恰當的濃度分布。此法適用于制造高靈敏度的變容二極管。

8、外延型二極管

用外延面長的過程制造 PN 結而形成的二極管。制造時需要非常高超的技術。因能隨意地控制雜質的不同濃度的分布,故適宜于制造高靈敏度的變容二極管。

9、肖特基二極管

基本原理是:在金屬(例如鉛)和半導體(N 型硅片)的接觸面上,用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與 PN 結的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有 40V 左右。其特長是:開關速度非常快:反向恢復時間 trr 特別地短。因此,能制作開關二極和低壓大電流整流二極管。

二、根據用途分類

1、檢波用二極管

就原理而言,從輸入信號中取出調制信號是檢波,以整流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流小于 100mA 的叫檢波。鍺材料點接觸型、工作頻率可達 400MHz,正向壓降小,結電容小,檢波效率高,頻率特性好,為 2AP 型。類似點觸型那樣檢波用的二極管,除用于檢波外,還能夠用于限幅、削波、調制、混頻、開關等電路。也有為調頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。

2、整流用二極管

就原理而言,從輸入交流中得到輸出的直流是整流。以整流電流的大小(100mA)作為界線通常把輸出電流大于 100mA 的叫整流。面結型,工作頻率小于 KHz,最高反向電壓從 25 伏至 3000 伏分 A~X 共 22 檔。分類如下:①硅半導體整流二極管 2CZ 型、②硅橋式整流器 QL 型、③用于電視機高壓硅堆工作頻率近 100KHz 的 2CLG 型。

3、限幅用二極管

大多數二極管能作為限幅使用。也有象保護儀表用和高頻齊納管那樣的專用限幅二極管。為了使這些二極管具有特別強的限制尖銳振幅的作用,通常使用硅材料制造的二極管。也有這樣的組件出售:依據限制電壓需要,把若干個必要的整流二極管串聯起來形成一個整體。

4、調制用二極管

通常指的是環形調制專用的二極管。就是正向特性一致性好的四個二極管的組合件。即使其它變容二極管也有調制用途,但它們通常是直接作為調頻用。

5、混頻用二極管

使用二極管混頻方式時,在 500~10,000Hz 的頻率范圍內,多采用肖特基型和點接觸型二極管。

6、放大用二極管

用二極管放大,大致有依靠隧道二極管和體效應二極管那樣的負阻性器件的放大,以及用變容二極管的參量放大。因此,放大用二極管通常是指隧道二極管、體效應二極管和變容二極管。

7、開關用二極管

有在小電流下(10mA 程度)使用的邏輯運算和在數百毫安下使用的磁芯激勵用開關二極管。小電流的開關二極管通常有點接觸型和鍵型等二極管,也有在高溫下還可能工作的硅擴散型、臺面型和平面型二極管。開關二極管的特長是開關速度快。而肖特基型二極管的開關時間特短,因而是理想的開關二極管。2AK 型點接觸為中速開關電路用;2CK 型平面接觸為高速開關電路用;用于開關、限幅、鉗位或檢波等電路;肖特基(SBD)硅大電流開關,正向壓降小,速度快、效率高。

8、變容二極管

用于自動頻率控制(AFC)和調諧用的小功率二極管稱變容二極管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓, 使其 PN 結的靜電容量發生變化。因此,被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。通常,雖然是采用硅的擴散型二極管,但是也可采用合金擴散型、外延結合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管,因為這些二極管對于電壓而言,其靜電容量的變化率特別大。結電容隨反向電壓 VR 變化,取代可變電容,用作調諧回路、振蕩電路、鎖相環路,常用于電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路,多以硅材料制作。

9、頻率倍增用二極管

對二極管的頻率倍增作用而言,有依靠變容二極管的頻率倍增和依靠階躍(即急變)二極管的頻率倍增。頻率倍增用的變容二極管稱為可變電抗器,可變電抗器雖然和自動頻率控制用的變容二極管的工作原理相同,但電抗器的構造卻能承受大功率。階躍二極管又被稱為階躍恢復二極管,從導通切換到關閉時的反向恢復時間 trr 短,因此,其特長是急速地變成關閉的轉移時間顯著地短。如果對階躍二極管施加正弦波,那么,因 tt(轉移時間)短,所以輸出波形急驟地被夾斷,故能產生很多高頻諧波。

10、穩壓二極管

是代替穩壓電子二極管的產品。被制作成為硅的擴散型或合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管。作為控制電壓和標準電壓使用而制作的。二極管工作時的端電壓(又稱齊納電壓)從 3V 左右到 150V,按每隔 10%,能劃分成許多等級。在功率方面,也有從 200mW 至 100W 以上的產品。工作在反向擊穿狀態,硅材料制作,動態電阻 RZ 很小,一般為 2CW 型;將兩個互補二極管反向串接以減少溫度系數則為 2DW 型。

11、PIN 型二極管(PIN Diode)

這是在 P 區和 N 區之間夾一層本征半導體(或低濃度雜質的半導體)構造的晶體二極管。PIN 中的 I 是“本征”意義的英文略語。當其工作頻率超過 100MHz 時,由于少數載流子的存貯效應和“本征”層中的渡越時間效應,其二極管失去整流作用而變成阻抗元件,并且,其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時,“本征”區的阻抗很高;在直流正向偏置時,由于載流子注入“本征”區,而使“本征”區呈現出低阻抗狀態。因此,可以把 PIN 二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用于高頻開關(即微波開關)、移相、調制、限幅等電路中。

12、 雪崩二極管 (Avalanche Diode)

它是在外加電壓作用下可以產生高頻振蕩的晶體管。產生高頻振蕩的工作原理是欒的:利用雪崩擊穿對晶體注入載流子,因載流子渡越晶片需要一定的時間,所以其電流滯后于電壓,出現延遲時間,若適當地控制渡越時間,那么,在電流和電壓關系上就會出現負阻效應,從而產生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。

13、江崎二極管 (Tunnel Diode)

它是以隧道效應電流為主要電流分量的晶體二極管。其基底材料是砷化鎵和鍺。其 P 型區的 N 型區是高摻雜的(即高濃度雜質的)。隧道電流由這些簡并態半導體的量子力學效應所產生。發生隧道效應具備如下三個條件:①費米能級位于導帶和滿帶內;②空間電荷層寬度必須很窄(0.01 微米以下);簡并半導體 P 型區和 N 型區中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數有峰谷電流比(IP/PV),其中,下標“P”代表“峰”;而下標“V”代表“谷”。江崎二極管可以被應用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中(其工作頻率可達毫米波段),也可以被應用于高速開關電路中。

14、快速關斷(階躍恢復)二極管 (Step Recovary Diode)

它也是一種具有 PN 結的二極管。其結構上的特點是:在 PN 結邊界處具有陡峭的雜質分布區,從而形成“自助電場”。由于 PN 結在正向偏壓下,以少數載流子導電,并在 PN 結附近具有電荷存貯效應,使其反向電流需要經歷一個“存貯時間”后才能降至最小值(反向飽和電流值)。階躍恢復二極管的“自助電場”縮短了存貯時間,使反向電流快速截止,并產生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設計出梳狀頻譜發生電路。快速關斷(階躍恢復)二極管用于脈沖和高次諧波電路中。

15、肖特基二極管 (Schottky Barrier Diode)

它是具有肖特基特性的“金屬半導體結”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外,還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料采用硅或砷化鎵,多為 N 型半導體。這種器件是由多數載流子導電的,所以,其反向飽和電流較以少數載流子導電的 PN 結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微,所以其頻率響僅為 RC 時間常數限制,因而,它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達 100GHz。并且,MIS(金屬-絕緣體-半導體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發光二極管。

16、阻尼二極管

具有較高的反向工作電壓和峰值電流,正向壓降小,高頻高壓整流二極管,用在電視機行掃描電路作阻尼和升壓整流用。

17、瞬變電壓抑制二極管

TVP 管,對電路進行快速過壓保護,分雙極型和單極型兩種,按峰值功率(500W-5000W)和電壓(8.2V~200V)分類。

18、雙基極二極管(單結晶體管)

兩個基極,一個發射極的三端負阻器件,用于張馳振蕩電路,定時電壓讀出電路中,它具有頻率易調、溫度穩定性好等優點。

19、發光二極管

用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成,體積小,正向驅動發光。工作電壓低,工作電流小,發光均勻、壽命長、可發紅、黃、綠單色光。

三、根據特性分類

點接觸型二極管,按正向和反向特性分類如下。

1、一般用點接觸型二極管

這種二極管正如標題所說的那樣,通常被使用于檢波和整流電路中,是正向和反向特性既不特別好,也不特別壞的中間產品。如:SD34、SD46、1N34A 等等屬于這一類。

2、高反向耐壓點接觸型二極管

是最大峰值反向電壓和最大直流反向電壓很高的產品。使用于高壓電路的檢波和整流。這種型號的二極管一般正向特性不太好或一般。在點接觸型鍺二極管中,有 SD38、1N38A、OA81 等等。這種鍺材料二極管,其耐壓受到限制。要求更高時有硅合金和擴散型。

3、高反向電阻點接觸型二極管

正向電壓特性和一般用二極管相同。雖然其反方向耐壓也是特別地高,但反向電流小,因此其特長是反向電阻高。使用于高輸入電阻的電路和高阻負荷電阻的電路中,就鍺材料高反向電阻型二極管而言,SD54、1N54A 等等屬于這類二極管。

4、高傳導點接觸型二極管

它與高反向電阻型相反。其反向特性盡管很差,但使正向電阻變得足夠小。對高傳導點接觸型二極管而言,有 SD56、1N56A 等等。對高傳導鍵型二極管而言,能夠得到更優良的特性。這類二極管,在負荷電阻特別低的情況下,整流效率較高。

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