干货来了 | 带你彻底搞懂二极管

2019-07-17 11:22:32 来源:电子工程世界
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许多初学者对二极管很“熟悉”,提起二极管的特性可以脱口而出它的单向导电特性,说到它在电路中的应用第一反应是整流,对二极管的其他特性和应用了解不多,认识上也认为掌握了二极管的单向导电特性,就能分析二极管参与的各种电路,实际上这样的想法是错误的,而且在某种程度上是害了自己,因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析,许多二极管电路无法用单向导电特性来解释其工作原理。

 

二极管除单向导电特性外,还有许多特性,很多的电路中并不是利用单向导电特性就能分析二极管所构成电路的工作原理,而需要掌握二极管更多的特性才能正确分析这些电路,例如二极管构成的简易直流稳压电路,二极管构成的温度补偿电路等。

 

二极管简易直流稳压电路及故障处理

二极管简易稳压电路主要用于一些局部的直流电压供给电路中,由于电路简单,成本低,所以应用比较广泛。

 

二极管简易稳压电路中主要利用二极管的管压降基本不变特性。

 

二极管的管压降特性:二极管导通后其管压降基本不变,对硅二极管而言这一管压降是0.6V左右,对锗二极管而言是0.2V左右。

 

如图9-40所示是由普通3只二极管构成的简易直流稳压电路。电路中的VD1、VD2和VD3是普通二极管,它们串联起来后构成一个简易直流电压稳压电路。

 

图9-40 3只普通二极管构成的简易直流稳压电路

 

1.电路分析思路说明

分析一个从没有见过的电路工作原理是困难的,对基础知识不全面的初学者而言就更加困难了。

 

关于这一电路的分析思路主要说明如下。

 

1)从电路中可以看出3只二极管串联,根据串联电路特性可知,这3只二极管如果导通会同时导通,如果截止会同时截止。

 

2)根据二极管是否导通的判断原则分析,在二极管的正极接有比负极高得多的电压,无论是直流还是交流的电压,此时二极管均处于导通状态。从电路中可以看出,在VD1正极通过电阻R1接电路中的直流工作电压+V,VD3的负极接地,这样在3只串联二极管上加有足够大的正向直流电压。由此分析可知,3只二极管VD1、VD2和VD3是在直流工作电压+V作用下导通的。

 

3)从电路中还可以看出,3只二极管上没有加入交流信号电压,因为在VD1正极即电路中的A点与地之间接有大容量电容C1,将A点的任何交流电压旁路到地端。

 

2.二极管能够稳定直流电压原理说明

电路中,3只二极管在直流工作电压的正向偏置作用下导通,导通后对这一电路的作用是稳定了电路中A点的直流电压。

 

众所周知,二极管内部是一个PN结的结构,PN结除单向导电特性之外还有许多特性,其中之一是二极管导通后其管压降基本不变,对于常用的硅二极管而言导通后正极与负极之间的电压降为0.6V。

 

根据二极管的这一特性,可以很方便地分析由普通二极管构成的简易直流稳压电路工作原理。3只二极管导通之后,每只二极管的管压降是0.6V,那么3只串联之后的直流电压降是0.6×3=1.8V。

 

3.故障检测方法

检测这一电路中的3只二极管最为有效的方法是测量二极管上的直流电压,如图9-41所示是测量时接线示意图。如果测量直流电压结果是1.8V左右,说明3只二极管工作正常;如果测量直流电压结果是0V,要测量直流工作电压+V是否正常和电阻R1是否开路,与3只二极管无关,因为3只二极管同时击穿的可能性较小;如果测量直流电压结果大于1.8V,检查3只二极管中有一只开路故障。

 

图9-41 测量二极管上直流电压接线示意图

 

4.电路故障分析

如表9-40所示是这一二极管电路故障分析:

 

表9-40 二极管电路故障分析

 

 

5.电路分析细节说明

关于上述二极管简易直流电压稳压电路分析细节说明如下。

 

1)在电路分析中,利用二极管的单向导电性可以知道二极管处于导通状态,但是并不能说明这几只二极管导通后对电路有什么具体作用,所以只利用单向导电特性还不能够正确分析电路工作原理。

 

2)二极管众多的特性中只有导通后管压降基本不变这一特性能够最为合理地解释这一电路的作用,所以依据这一点可以确定这一电路是为了稳定电路中A点的直流工作电压。

 

3)电路中有多只元器件时,一定要设法搞清楚实现电路功能的主要元器件,然后围绕它进行展开分析。分析中运用该元器件主要特性,进行合理解释。

 

二极管温度补偿电路及故障处理

众所周知,PN结导通后有一个约为0.6V(指硅材料PN结)的压降,同时PN结还有一个与温度相关的特性:PN结导通后的压降基本不变,但不是不变,PN结两端的压降随温度升高而略有下降,温度愈高其下降的量愈多,当然PN结两端电压下降量的绝对值对于0.6V而言相当小,利用这一特性可以构成温度补偿电路。如图9-42所示是利用二极管温度特性构成的温度补偿电路。

 

图9-42 二极管温度补偿电路

 

对于初学者来讲,看不懂电路中VT1等元器件构成的是一种放大器,这对分析这一电路工作原理不利。

 

在电路分析中,熟悉VT1等元器件所构成的单元电路功能,对分析VD1工作原理有着积极意义。了解了单元电路的功能,一切电路分析就可以围绕它进行展开,做到有的放矢、事半功倍。

 

1.需要了解的深层次电路工作原理

分析这一电路工作原理需要了解下列两个深层次的电路原理。

 

1)VT1等构成一种放大器电路,对于放大器而言要求它的工作稳定性好,其中有一条就是温度高低变化时三极管的静态电流不能改变,即VT1基极电流不能随温度变化而改变,否则就是工作稳定性不好。了解放大器的这一温度特性,对理解VD1构成的温度补偿电路工作原理非常重要。

 

2)三极管VT1有一个与温度相关的不良特性,即温度升高时,三极管VT1基极电流会增大,温度愈高基极电流愈大,反之则小,显然三极管VT1的温度稳定性能不好。由此可知,放大器的温度稳定性能不良是由于三极管温度特性造成的。

 

2.三极管偏置电路分析

电路中,三极管VT1工作在放大状态时要给它一定的直流偏置电压,这由偏置电路来完成。电路中的R1、VD1和R2构成分压式偏置电路,为三极管VT1基极提供直流工作电压,基极电压的大小决定了VT1基极电流的大小。如果不考虑温度的影响,而且直流工作电压+V的大小不变,那么VT1基极直流电压是稳定的,则三极管VT1的基极直流电流是不变的,三极管可以稳定工作。

 

在分析二极管VD1工作原理时还要搞清楚一点:VT1是NPN型三极管,其基极直流电压高,则基极电流大;反之则小。

 

3.二极管VD1温度补偿电路分析

根据二极管VD1在电路中的位置,对它的工作原理分析思路主要说明下列几点:

 

1)VD1的正极通过R1与直流工作电压+V相连,而它的负极通过R2与地线相连,这样VD1在直流工作电压+V的作用下处于导通状态。理解二极管导通的要点是:正极上电压高于负极上电压。

 

2)利用二极管导通后有一个0.6V管压降来解释电路中VD1的作用是行不通的,因为通过调整R1和R2的阻值大小可以达到VT1基极所需要的直流工作电压,根本没有必要通过串入二极管VD1来调整VT1基极电压大小。

 

3)利用二极管的管压降温度特性可以正确解释VD1在电路中的作用。假设温度升高,根据三极管特性可知,VT1的基极电流会增大一些。当温度升高时,二极管VD1的管压降会下降一些,VD1管压降的下降导致VT1基极电压下降一些,结果使VT1基极电流下降。由上述分析可知,加入二极管VD1后,原来温度升高使VT1基极电流增大的,现在通过VD1电路可以使VT1基极电流减小一些,这样起到稳定三极管VT1基极电流的作用,所以VD1可以起温度补偿的作用。

 

4)三极管的温度稳定性能不良还表现为温度下降的过程中。在温度降低时,三极管VT1基极电流要减小,这也是温度稳定性能不好的表现。接入二极管VD1后,温度下降时,它的管压降稍有升高,使VT1基极直流工作电压升高,结果VT1基极电流增大,这样也能补偿三极管VT1温度下降时的不稳定。

 

4.电路分析细节说明

电路分析的细节说明如下。

 

1)在电路分析中,若能运用元器件的某一特性去合理地解释它在电路中的作用,说明电路分析很可能是正确的。例如,在上述电路分析中,只能用二极管的温度特性才能合理解释电路中VD1的作用。

 

2)温度补偿电路的温度补偿是双向的,即能够补偿由于温度升高或降低而引起的电路工作的不稳定性。

 

3)分析温度补偿电路工作原理时,要假设温度的升高或降低变化,然后分析电路中的反应过程,得到正确的电路反馈结果。在实际电路分析中,可以只设温度升高进行电路补偿的分析,不必再分析温度降低时电路补偿的情况,因为温度降低的电路分析思路、过程是相似的,只是电路分析的每一步变化相反。

 

4)在上述电路分析中,VT1基极与发射极之间PN结(发射结)的温度特性与VD1温度特性相似,因为它们都是PN结的结构,所以温度补偿的结果比较好。

 

5)在上述电路中的二极管VD1,对直流工作电压+V的大小波动无稳定作用,所以不能补偿由直流工作电压+V大小波动造成的VT1管基极直流工作电流的不稳定性。

 

5.故障检测方法和电路故障分析

这一电路中的二极管VD1故障检测方法比较简单,可以用万用表欧姆档在路测量VD1正向和反向电阻大小的方法。

 

当VD1出现开路故障时,三极管VT1基极直流偏置电压升高许多,导致VT1管进入饱和状态,VT1可能会发烧,严重时会烧坏VT1。如果VD1出现击穿故障,会导致VT1管基极直流偏置电压下降0.6V,三极管VT1直流工作电流减小,VT1管放大能力减小或进入截止状态。

 

二极管控制电路及故障处理

二极管导通之后,它的正向电阻大小随电流大小变化而有微小改变,正向电流愈大,正向电阻愈小;反之则大。

 

利用二极管正向电流与正向电阻之间的特性,可以构成一些自动控制电路。如图9-43所示是一种由二极管构成的自动控制电路,又称ALC电路(自动电平控制电路),它在磁性录音设备中(如卡座)的录音电路中经常应用。

 

图9-43 二极管构成的自动控制电路

 

1.电路分析准备知识说明

二极管的单向导电特性只是说明了正向电阻小、反向电阻大,没有说明二极管导通后还有哪些具体的特性。

 

二极管正向导通之后,它的正向电阻大小还与流过二极管的正向电流大小相关。尽管二极管正向导通后的正向电阻比较小(相对反向电阻而言),但是如果增加正向电流,二极管导通后的正向电阻还会进一步下降,即正向电流愈大,正向电阻愈小,反之则大。

 

不熟悉电路功能对电路工作原理很不利,在了解电路功能的背景下能有的放矢地分析电路工作原理或电路中某元器件的作用。

 

ALC电路在录音机、卡座的录音卡中,录音时要对录音信号的大小幅度进行控制,了解下列几点具体的控制要求有助于分析二极管VD1自动控制电路。

 

1)在录音信号幅度较小时,不控制录音信号的幅度。

 

2)当录音信号的幅度大到一定程度后,开始对录音信号幅度进行控制,即对信号幅度进行衰减,对录音信号幅度控制的电路就是ALC电路。

 

3)ALC电路进入控制状态后,要求录音信号愈大,对信号的衰减量愈大。

 

通过上述说明可知,电路分析中要求自己有比较全面的知识面,这需要在不断的学习中日积月累。

 

2.电路工作原理分析思路说明

关于这一电路工作原理的分析思路主要说明下列几点:

 

1)如果没有VD1这一支路,从第一级录音放大器输出的录音信号全部加到第二级录音放大器中。但是,有了VD1这一支路之后,从第一级录音放大器输出的录音信号有可能会经过C1和导通的VD1流到地端,形成对录音信号的分流衰减。

 

2)电路分析的第二个关键是VD1这一支路对第一级录音放大器输出信号的对地分流衰减的具体情况。显然,支路中的电容C1是一只容量较大的电容(C1电路符号中标出极性,说明C1是电解电容,而电解电容的容量较大),所以C1对录音信号呈通路,说明这一支路中VD1是对录音信号进行分流衰减的关键元器件。

 

3)从分流支路电路分析中要明白一点:从第一级录音放大器输出的信号,如果从VD1支路分流得多,那么流入第二级录音放大器的录音信号就小,反之则大。

 

4)VD1存在导通与截止两种情况,在VD1截止时对录音信号无分流作用,在导通时则对录音信号进行分流。

 

5)在VD1正极上接有电阻R1,它给VD1一个控制电压,显然这个电压控制着VD1导通或截止。所以,R1送来的电压是分析VD1导通、截止的关键所在。

 

分析这个电路最大的困难是在VD1导通后,利用了二极管导通后其正向电阻与导通电流之间的关系特性进行电路分析,即二极管的正向电流愈大,其正向电阻愈小,流过VD1的电流愈大,其正极与负极之间的电阻愈小,反之则大。

 
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