钳位二极管的原理是什么?

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钳位二极管又叫瞬态抑制二极管。简称TVS。

实物及图形符号

常见的瞬态抑制二极管实物如下图所示。


瞬态抑制二极管有单极型和双极型之分。其图形符号见下图。


原理

瞬态抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件,当它两极间的电压超过一定值时,能以极快的速度导通,将两极间的电压固定在一个预定值上,从而有效地保护电子线路中的精密元器件。

下图所示是瞬态抑制二极管特性曲线,其伏安特性与普通稳压二极管的击穿特性一致,为典型的PN结雪崩器件。

时间-电压电流特性曲线中,曲线1时瞬态抑制二极管中的电流波形,它表示流过二极管的电流突然上升到峰值,然后按指数规律下降,造成这种电流冲击的原因可能是雷击、过压等。

曲线二是瞬态电压抑制二极管两端电压的波形,它表示二极管中的电流突然上升时,二极管两端电压也随之上升,但是最大只上升到Uc值,这个值比击穿电压略大,从而起到保护元器件的作用。


瞬态抑制二极管应用电路

下图所示是几种瞬态抑制二极管实用电路,电路中的VD1为瞬态抑制二极管,他们都在电路中起着瞬态电压保护的作用。

在浪涌保护电路中,也可以采用压敏电阻器,但是瞬态抑制二极管比压敏电阻的性能优越的多,反应速度快。


单极型瞬态抑制二极管

单极型瞬态抑制二极管用来抑制单向脉冲高压,如下图所示。当大幅度正脉冲的尖峰到来时,单极型瞬态抑制二极管反向导通,正脉冲被嵌在固定值上;在大幅度负脉冲到来时,若A点电压低于-0.7V,单极型瞬态抑制二极管正向导通,A点电压被嵌在-0.7V。

双极型瞬态抑制二极管

双极型瞬态抑制二极管可抑制双向瞬间高压,如下图所示,当大幅度正脉冲的尖峰到来时,双极型瞬态抑制二极管导通,正脉冲被钳位在固定值上,当大幅度负脉冲的尖峰到来时,双极型瞬态抑制二极管导通,负脉冲被抑制在固定值上。

在实际电路中,双极型瞬态抑制二极管更为常用,如无特别说明,瞬态抑制二极管是指双极型。

瞬态抑制二极管的检测

单极型瞬态抑制二极管具有单向导电性,其极性好坏与检测方法与稳压二极管相同。

双极型瞬态抑制二极管的两引脚无极性之分,用万用表RX1K档检测时,正、反向阻值应均为无穷大。双极型瞬态抑制二极管击穿电压的检测如下图所示。二极管VD为整流二极管,白炽灯用于降压限流,在220V电压正半周时VD导通,对电容充的上正下负的电压,当电容两端电压上升到瞬态抑制二极管的击穿电压时,瞬态抑制二极管击穿导通,两端电压不再升高,万用表测得的电压近似为瞬态抑制二极管的击穿电压。该方法适用于检测击穿电压小于300V的瞬态抑制二极管,因为220V市电的最高瞬间电压对电容充电最高达300V以上。


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钳位二极管的原理是什么?

答:弄懂这个问题时,先必须了解何谓钳位电路? 能够把输入输出信号的波形的某一部分固定在选定的电平上的电路,称为钳位电路。 如想改变钳位电平,可在电路中接入直流电势。如想将脉冲的底部钳后,侧可以将二极管反接。 下图为一典型的集成运放块的输入信号钳位电路。

其次要充分了解二极管的伏安特性曲线。 由于构成晶体二极管的基本环节是PN结,它在电路中所起的作用也是依靠它内部的PN结来完成的。因此晶体二极管的特性,实际上就是PN结的特性。

晶体二极管的种类按其结构和特性来分有很多种,其符号如下图1一1所示。


电流导通方向如图上箭头所指。实际上符号中三角形一端为P型区,而直线部分一端为N型区。 下图为一典型的晶体二极管的伏安特性曲线图。



纵轴代表电流I,横抽表示加在二极管上的电压U,交点0上部的直线表示流经二极管的正向电流的大小,下半部直线表示流经二极管反向电流的大小。交点0右半部直线表示加在二极管上正向电压的大小。

左半部直线表示加在二极管上的反向电压的大小。电流和电压的大小由直线上的标度表示。 交点o又称原点,它表示加在二极管上的电压和流经二极管的电流等于零。

图中曲线oA一段表示随着加在二极管上的正向电压从0V增加0.2V,流经二极管的正向电流也由0增加到1mA。曲线AB的上半段几乎是陡峭的直线,正向电压从0.2V增加到1V时,正向电流由1mA急速增加到20mA,曲线AB越陡,正向电流增加就越快。因此,当正向电压很小时,正向电流增加得很缓慢;但当正向电压超过一定值时,随着正向电压的增加,使正向电流增加得非常快。 曲线0CD部分表示二极管承受反向电压时的情形。在曲线0C段,随着加在二极管上的反向电压的增加(从0增加到1V左右),反向电流也略有增加(从0增加到2uA左右)。

但当反向电压继续增加时,反向电流几乎保持原来的值不变,此电流称为反向饱和电流,因此曲线CD几乎是一个水平的、与横轴平行的直线。 对于用不同半导体材料和不同结构、不同工艺制造的二极管,其伏安曲线特性是有差异的。正向电流随正向电压上升的快慢程度以及反向电流的大小,都各不相同。但是伏安曲线特性的基本形状都是相似的。 如果继续增加二极管的反向电压,就会发现,当反向电压增加到某一数值时,流经二极管的反向电流将突然激增,如再少许增加反向电压,则电流更急剧增大,甚至烧坏二极管。这种现象称为二极管反向击穿电压。

钳位二极管钳位的原理是利用二极管伏安特性曲线中的正向特性来工作的。

上图中集成运算放大器中,是采用通用半导体公司的1N4007(它的反向恢复时间为30uS)。两只串联、两两并联,钳位电平在1.4Ⅴ左右,也可以根据实际需要用两只二极管反相并联,此时钳位电平 在0.7V左右。 常用的钳位二极管型号太多。例如;Dl0DES公司的FR107等等。

知足常乐2018.3.5于上海


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