二極管作為一種基礎(chǔ)電子元器件，所有工程師都知道其具有單向?qū)щ娦浴８鶕?jù)半導(dǎo)體材料分類(lèi)，可分為硅二極管和鍺二極管;根據(jù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合分類(lèi)，可分為整流二極管、檢波二極管、開(kāi)關(guān)二極管和穩(wěn)壓二極管。不論怎么分，二極管有一個(gè)參數(shù)十分重要，會(huì)直接影響到晶體管是否會(huì)因過(guò)載損壞。
耗散功率
耗散功率也稱(chēng)集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數(shù)變化不超過(guò)規(guī)定允許值時(shí)的最大集電極耗散功率。是某一時(shí)刻電網(wǎng)元件或者全網(wǎng)有功輸入總功率與有功輸出總功率的差值。
在線性條件下，導(dǎo)通的耗散功率計(jì)算比較簡(jiǎn)單，PD=I2R,或者PD=U2/R;而在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜。
二極管的耗散功率與允許的節(jié)溫有關(guān)，硅二極管允許的最大節(jié)溫是150℃，而鍺允許最大節(jié)溫85℃。半導(dǎo)體工作溫度是有限的，當(dāng)實(shí)際的功率增大是，其節(jié)溫也將變大，當(dāng)節(jié)溫達(dá)到150℃是，此時(shí)的功率就是最大的耗散功率。
當(dāng)然，耗散功率與封裝大小也有一定的關(guān)系，通常封裝大點(diǎn)的器件，其最大耗散功率也相對(duì)大點(diǎn)，最常見(jiàn)的就是大功率器件擁有大體積，大面積的散熱金屬面。
一個(gè)具體型號(hào)的二極管其耗散功率與測(cè)試條件有關(guān)，比如測(cè)試環(huán)境溫度和散熱條件。通常情況下，測(cè)試出來(lái)的最大耗散功率是在25℃下。
隨著環(huán)境溫度的升高，其最大的耗散功率將減少，因?yàn)樵摋l件下的導(dǎo)熱溫差變小，比如說(shuō)在25℃下，某二極管耗散功率能達(dá)到1W，在75℃情況下，耗散功率可能變成0.4W。
允許最大耗散功率與散熱條件有關(guān)，散熱條件越好，耗散功率越高，在同一環(huán)境溫度下，耗散功率為1W，加了散熱片之后，耗散功率可能變?yōu)?.7W。
表征散熱措施的一個(gè)參數(shù)是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學(xué)里的電阻類(lèi)似，都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小，傳熱能力越強(qiáng);反之，熱阻越大，傳熱能力越小。
從類(lèi)比的角度來(lái)看，熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，熱阻相當(dāng)于電阻。其中，熱阻Rja：芯片的熱源結(jié)到周?chē)鋮s空氣的總熱阻，其單位是℃/W，表示在1W下，導(dǎo)熱兩端的溫差。
以1N4448HWS為例，查看其手機(jī)手冊(cè)，可知其熱特性如下：
從中可知，其耗散功率PD=200mW，熱阻為625℃/W，其中這兩個(gè)量是環(huán)境溫度25℃，焊在FR-4材質(zhì) PCB條件下測(cè)試的，如手冊(cè)說(shuō)明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。
耗散功率與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越大，耗散功率越小，1N4448HWS耗散功率與環(huán)境溫度關(guān)系如下：
在0～25℃是，耗散功率恒為200mW，在25～150℃時(shí)，線性遞減，到達(dá)150℃，耗散功率為0，在這個(gè)溫度，硅管已經(jīng)不能工作了。從這個(gè)表中，可以計(jì)算出熱阻，其線性部分斜率倒數(shù)：
|1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
根據(jù)這個(gè)表，可得：
PD=-1/625(TA-25)+0.2，(TA-≥25)
根據(jù)這個(gè)公式，可計(jì)算出不同環(huán)境溫度下最大的耗散功率。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們更關(guān)注器件工作時(shí)的溫度，以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例，在環(huán)境溫度為25℃情況下，實(shí)際功率為100mW時(shí)，其溫度為25+625*0.1=87.5℃，其能正常工作;當(dāng)實(shí)際功率為200mW時(shí)，其溫度為25+625*0.2=150℃，這時(shí)候已經(jīng)達(dá)到節(jié)溫的最大溫度了，比較危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)避免。
二極管的傳熱方面，主要考慮PD和熱阻Rja，前者是最大耗散功率，實(shí)際工作不能超過(guò)這個(gè)數(shù)值，后者是傳熱阻力參量，放映不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時(shí)，不但要考慮正向電流、反向耐壓和開(kāi)關(guān)時(shí)間，還應(yīng)該考慮到耗散功率。
第二節(jié) 二極管應(yīng)用電路詳解
許多初學(xué)者對(duì)二極管很“熟悉”，提起二極管的特性可以脫口而出它的單向?qū)щ娞匦裕f(shuō)到它在電路中的應(yīng)用第一反應(yīng)是整流，對(duì)二極管的其他特性和應(yīng)用了解不多，認(rèn)識(shí)上也認(rèn)為掌握了二極管的單向?qū)щ娞匦裕湍芊治龆O管參與的各種電路，實(shí)際上這樣的想法是錯(cuò)誤的，而且在某種程度上是害了自己，因?yàn)檫@種定向思維影響了對(duì)各種二極管電路工作原理的分析，許多二極管電路無(wú)法用單向?qū)щ娞匦詠?lái)解釋其工作原理。
二極管除單向?qū)щ娞匦酝猓€有許多特性，很多的電路中并不是利用單向?qū)щ娞匦跃湍芊治龆O管所構(gòu)成電路的工作原理，而需要掌握二極管更多的特性才能正確分析這些電路，例如二極管構(gòu)成的簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電路，二極管構(gòu)成的溫度補(bǔ)償電路等。
二極管簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電路及故障處理
二極管簡(jiǎn)易穩(wěn)壓電路主要用于一些局部的直流電壓供給電路中，由于電路簡(jiǎn)單，成本低，所以應(yīng)用比較廣泛。
二極管簡(jiǎn)易穩(wěn)壓電路中主要利用二極管的管壓降基本不變特性。
二極管的管壓降特性：二極管導(dǎo)通后其管壓降基本不變，對(duì)硅二極管而言這一管壓降是0.6V左右，對(duì)鍺二極管而言是0.2V左右。
如圖1所示是由普通3只二極管構(gòu)成的簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電路。電路中的VD1、VD2和VD3是普通二極管，它們串聯(lián)起來(lái)后構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易直流電壓穩(wěn)壓電路。
圖1 3只普通二極管構(gòu)成的簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電路
1.電路分析思路說(shuō)明
分析一個(gè)從沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的電路工作原理是困難的，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)不全面的初學(xué)者而言就更加困難了。
關(guān)于這一電路的分析思路主要說(shuō)明如下。
(1)從電路中可以看出3只二極管串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路特性可知，這3只二極管如果導(dǎo)通會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，如果截止會(huì)同時(shí)截止。
(2)根據(jù)二極管是否導(dǎo)通的判斷原則分析，在二極管的正極接有比負(fù)極高得多的電壓，無(wú)論是直流還是交流的電壓，此時(shí)二極管均處于導(dǎo)通狀態(tài)。從電路中可以看出，在VD1正極通過(guò)電阻R1接電路中的直流工作電壓+V，VD3的負(fù)極接地，這樣在3只串聯(lián)二極管上加有足夠大的正向直流電壓。由此分析可知，3只二極管VD1、VD2和VD3是在直流工作電壓+V作用下導(dǎo)通的。
(3)從電路中還可以看出，3只二極管上沒(méi)有加入交流信號(hào)電壓，因?yàn)樵赩D1正極即電路中的A點(diǎn)與地之間接有大容量電容C1，將A點(diǎn)的任何交流電壓旁路到地端。
2.二極管能夠穩(wěn)定直流電壓原理說(shuō)明
電路中，3只二極管在直流工作電壓的正向偏置作用下導(dǎo)通，導(dǎo)通后對(duì)這一電路的作用是穩(wěn)定了電路中A點(diǎn)的直流電壓。
眾所周知，二極管內(nèi)部是一個(gè)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，PN結(jié)除單向?qū)щ娞匦灾膺€有許多特性，其中之一是二極管導(dǎo)通后其管壓降基本不變，對(duì)于常用的硅二極管而言導(dǎo)通后正極與負(fù)極之間的電壓降為0.6V。
根據(jù)二極管的這一特性，可以很方便地分析由普通二極管構(gòu)成的簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電路工作原理。3只二極管導(dǎo)通之后，每只二極管的管壓降是0.6V，那么3只串聯(lián)之后的直流電壓降是0.6×3=1.8V。
3.故障檢測(cè)方法
檢測(cè)這一電路中的3只二極管最為有效的方法是測(cè)量二極管上的直流電壓，如圖2所示是測(cè)量時(shí)接線示意圖。如果測(cè)量直流電壓結(jié)果是1.8V左右，說(shuō)明3只二極管工作正常；如果測(cè)量直流電壓結(jié)果是0V，要測(cè)量直流工作電壓+V是否正常和電阻R1是否開(kāi)路，與3只二極管無(wú)關(guān)，因?yàn)?只二極管同時(shí)擊穿的可能性較小；如果測(cè)量直流電壓結(jié)果大于1.8V，檢查3只二極管中有一只開(kāi)路故障。
圖2 測(cè)量二極管上直流電壓接線示意圖
4.電路故障分析
如表1所示是這一二極管電路故障分析。
表1 二極管電路故障分析
5.電路分析細(xì)節(jié)說(shuō)明
關(guān)于上述二極管簡(jiǎn)易直流電壓穩(wěn)壓電路分析細(xì)節(jié)說(shuō)明如下。
(1)在電路分析中，利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢灾蓝O管處于導(dǎo)通狀態(tài)，但是并不能說(shuō)明這幾只二極管導(dǎo)通后對(duì)電路有什么具體作用，所以只利用單向?qū)щ娞匦赃€不能夠正確分析電路工作原理。
(2)二極管眾多的特性中只有導(dǎo)通后管壓降基本不變這一特性能夠最為合理地解釋這一電路的作用，所以依據(jù)這一點(diǎn)可以確定這一電路是為了穩(wěn)定電路中A點(diǎn)的直流工作電壓。
(3)電路中有多只元器件時(shí)，一定要設(shè)法搞清楚實(shí)現(xiàn)電路功能的主要元器件，然后圍繞它進(jìn)行展開(kāi)分析。分析中運(yùn)用該元器件主要特性，進(jìn)行合理解釋。
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