電子電路原理學習筆記---第5章特殊用途二極管---第2天

5.5閱讀數據手冊

??? 圖5-15給出了1N957B和1N4728A系列的齊納二極管數據手冊中的數據,再后面的討論中將參考這些數據。數據手冊中大部分信息是提供給電路設計者的,但有些內容在故障診斷和測試時也有必要了解。

5.5.1最大功率

????????齊納二極管的功率等于它對應的電壓與電流的乘積:

例如,若,那么:

????????只要小于額定功率,齊納二極管就能工作在擊穿區而不會損壞,商用齊納二極管的額定功率從0.25W到50W以上不等。

????????例如,1N957B系列數據手冊中列出了其最大的額定功率為500mW。安全的設計應有一定的安全系數以保證功率可靠小于最大值500mW。如前文所述,對于保守設計,安全系數應為2或更大。

5.5.2最大電流

????????數據手冊中通常給出齊納二極管在不超過其額定功率情況下所能承受的最大電流。如果這個值沒有給出,最大電流可以通過下式得到:

其中是最大額定齊納電流,是額定功率,是齊納電壓。

例如,1N4742A的齊納電壓為12V,額定功率為1W,那么它的最大額定電流為:

????????如果能滿足額定電流,額定功率則自動滿足。舉例來說,如果保持最大齊納電流小于83.3mA,則最大功率自然小于1W。如果將安全系數取為2,則不必擔心臨界情況會將二極管燒毀。給定的或通過計算得到的是連續的額定電流值,通常給出非重復的反向電流峰值,包括器件的測試條件。

5.5.3容差

????????大多數齊納二極管都以后綴A、B、C、D來標識齊納電壓的容差,由于這些后綴所表示的內容并不總是一致的,所以一定要區分數據手冊中對每一種特定容差給出的特別說明。例如,1N4728A系列數據手冊中的容差為±5%,1N957B 系列為±5%,而后綴C一般表示容差為±2%,D則表示容差為±1%,沒有后綴則表示容差為±20%。

5.5.4齊納電阻

????????齊納電阻(也稱作齊納阻抗),可以用來表示。例如,1N961B在測試電流為12.5mA時的齊納電阻為8.5Ω,只要齊納電流大于特性曲線的拐點電流,就可以用8.5Ω作為齊納電阻的近似值。但是要注意齊納電阻在拐點有較大的增量(700Ω),關鍵在于盡可能地讓齊納二極管工作在給定的測試電流附近,這樣齊納電阻相對來說是比較小的。

????????數據手冊中包含了很多額外的信息,主要是為電路設計者提供的,如果從事設計工作,那么就需要仔細閱讀,包括那些關于數據測量的注釋。

5.5.5額定值的減小

????????數據手冊中的減額系數給出了溫度升高時需要將器件的額定功率減小的值。例如1N4728A系列,在引腳溫度時的額定功率為1W,減額系數為,這表示當溫度高于時,溫度每升高,需要將額定功率減小 6.67mW。無論是否從事設計,都必須了解溫度的影響。如果已知引腳溫度高于?,設計時必須相應減小齊納二極管的額定功率。

5.6故障診斷

????????圖5-16所示為一個齊納穩壓器。當電路正常工作時,節點A到地的電壓為+18V,節點B到地的電壓為+10V,節點C到地的電壓為+10V。

5.6.1可確定故障

????????現在來討論電路可能會出現的問題。當電路工作異常時,故障診斷通常從測量電壓開始,這些電壓測量值可以提供線索以利于找出問題所在。例如,假設電壓測量值為:

當測得這些電壓后,可能想到的是:

????????是否是負載電阻開路?不可能,如果這樣負載電壓應該仍然是10V;是否是負載電阻短路?也不可能,那將會導致節點B和C對地短接,電壓均為零;那么如果連接節點B和C的導線斷開了呢?對,這樣就與測得的數據吻合了。

????????這種故障導致了特定現象,唯一能夠出現這種電壓值的原因就是連接節點B和C的導線斷開。

5.6.2不可確定故障

????????并不是所有的故障都會導致特定現象,有時,兩個或多個故障都會導致相同的電壓。

這里舉一個例子,假設測得電壓如下:

問題可能會出在哪兒呢?先考慮出結果后,再看下邊的內容。

下面給出查找故障的一種思路:

????????已經得到了節點A的電壓,但是節點B、C處卻沒有電壓。會不會是串聯電阻開路呢?那樣的話節點B、C不會有電壓,同時還能保持A點電壓為18V。對,串聯電阻可能是開路的。

????????這時,可以斷開串聯電阻,用歐姆表測它的阻值,它很可能確實是開路的。但是假如測量結果證明電阻沒有問題,那么就可能繼續思考下去:

????????奇怪!還有別的可能使得A點電壓為18V,而B、C電壓為零嗎?若是齊納二極管或者負載電阻短路呢?若是節點B或C由于焊錫渣使其與地短路呢?任何一種可能都會導致這種測量結果。

這時,就需要去排查更多的可能性,最終找到問題所在。

????????當元器件燒壞后,它們可能變為開路,但也并非都是如此。有些半導體器件可能發生內部短路,此時它們猶如一個阻值為零的電阻。引起短路的原因還可能是印制電路板上兩根走線之間有焊錫渣接觸到了走線,或者其他可能的情況。因此,對于器件短路的情況也必須提出并回答一些假設的問題,就像對待器件開路時一樣。

5.6.3故障表

????????表5-2給出了圖5-16所示齊納穩壓器的可能故障。在分析電壓時需謹記:短路的元件可看作阻值為零的電阻,而開路的元件則可看作阻值為無窮大的電阻。當用0和∞計算有困難時,可以采用0.001Ω和1000Ω來代替,即用小電阻替代短路,大電阻替代開路。

????????在圖5-16中,串聯電阻可能短路也可能開路,將其記為,類似地,齊納二極管可能短路或者開路,分別記為,負載電阻的短路、開路記為,連接B、C的導線可能會斷開,記為

????????在表5-2中,第二行給出了故障,即串聯電阻短路的情形,此時節點B、C電壓為18V,這將會燒壞齊納二極管甚至負載電阻。對于這種故障,用電壓表測得節點A、B、C電壓都為18V,此故障以及對應的電壓列于表5-2中。

????????如果圖5-16中串聯電阻開路,電源電壓將不能作用到B點,此時,節點B、C電壓將為零,如表5-2所示。按照這種方式可以得到表5-2的其他故障情形。

????????表5-2中,評價一欄給出了故障可能造成的后果,例如,短路將會燒壞齊納二極管,也有可能造成負載電阻開路,這取決于負載電阻的額定功率。短路意味著1kΩ的電阻上有18V的壓降,產生的功率是0.324W,若負載電阻額定功率只有0.25W,則會被燒壞導致開路。

????????表5-2中的一些故障產生特定的電壓,而另一些故障則產生不典型的電壓。例如,以及無電源的故障對應一組特定的電壓值,如果測得這些特定電壓,就能確定問題所在,而不需要拆開電路用歐姆表去測電阻。

????????表5-2中其余的故障都會產生不典型的電壓。這意味著兩個或者多個故障會導致相同的電壓測量結果。如果測得一組不典型的電壓,必須拆開電路去測量可疑元件的電阻。例如,假設測得電壓分別為A點18V,B點0V,C點0V,那么造成故障的原因可能是

????????可以通過多種方式測量齊納二極管。使用數字萬用表,調到二極管測試擋,可以測得二極管是開路還是短路。正常情況下,正偏時顯示電壓約為0.7V,反偏時顯示的則是開路(過載)。但是這種測量并不能確認齊納二極管具有合適的擊穿電壓

????????圖5-17中所示的半導體特性曲線圖示儀將會精確地顯示齊納二極管的正偏/反偏特性,如果沒有圖示儀,可用另一個簡單方法:將齊納二極管接入電路中,然后測其壓降,這個壓降應該接近它的額定值。

5.7負載線

流過圖5-18a所示電路中齊納二極管的電流為:

假設,則上述方程化簡為:

為零,得到飽和和工作點(縱軸截距),解得,同理,為了得到截止工作點(橫軸截距),設為零,解得

?????也可以用其他方式得到負載線的兩端位置。直接觀察圖5-18a,可得,將齊納二極管短路,得到二極管中最大的電流為20mA,將其開路,則可以得到最大的電壓為20V。

????????假設齊納二極管的擊穿電壓為12V,其曲線見圖5-18b。畫出的負載線,得到上方負載線的交點,此時由于特性曲線有輕微傾斜,齊納二極管上的電壓略大于擊穿處的拐點電壓。

為了說明電路穩壓的工作原理,假設電源電壓變為30V,則齊納電流變為:

????????這時負載線兩端點分別為30mA和30V,如圖5-18b所示。此時新的交點為,比較,可以看出此時流過齊納二極管的電流增大了,但是相應的電壓卻幾乎沒有變化。所以,盡管電源電壓從20V變化到30V,齊納電壓依然近似為 12V,體現了穩壓作用。即當輸入電壓有很大變化時,輸出電壓幾乎保持不變。

5.8發光二極管

????????光電子學是將光學和電子學相結合的一門學科,涉及許多基于pn結特性的器件,典型的光電器件如發光二極管(LED)、光敏二極管、光耦合器、激光二極管等,下面首先介紹發光二極管。

5.8.1發光二極管

????????由于LED的功耗低、體積小、更新速度快且壽命長,因此在很多應用中已取代了白熾燈。圖5-19所示為標準低功耗LED的組成。與普通二極管一樣,LED具有陰極和陽極,必須加以合適的偏置電壓。塑料殼外面通常有一處平坦的部位,用來表示LED的陰極。半導體芯片的材料決定了LED的特性。

????????圖5-20a所示是與電源、電阻相連接的LED電路,向外的箭頭表示有向外輻射的光。在正向LED中,自由電子穿過pn結并落入空穴,由于這些電子是從高能級落到低能級,以光子的形式釋放能量。在普通的二極管中,這些能量是以熱的形式輻射出來,但是在LED中,能量以光的形式輻射。上述效應稱作場致發光

????????光的顏色與光子的能量有關,主要是由所使用的半導體材料的帶隙能量決定的。通過使用諸如鎵、砷、磷等元素,生產廠家可以制作出發射紅、綠、藍、黃、橙或者紅外光(不可見光)的LED。能夠產生可見光的LED用于儀器、計算器等;而紅外LED則在防盜系統、遙控器、CD播放器等需要不可見光的設備中使用。

5.8.2LED電壓和電流

????????圖5-20b中的電阻是一個常見的限流電阻,用來防止電流超過二極管的最大額定電流。由于電阻左端的電壓為,右端的電壓為,電阻上的電壓為上述兩個電壓之差。由歐姆定律得串聯電流為:

????????對于大部分商用LED,典型壓降為,電流為。準確的壓降取決于LED采用的電流、顏色、容差等。除非特殊說明,本書在故障診斷或者LED電路分析中,均采用2V壓降。圖5-20c所示為一些常見的低功耗LED及其發光顏色對應的管殼。

5.8.3LED的亮度

????????LED的亮度由電流決定。發射的光總通量通常被稱為發光強度,額定單位為坎德拉(cd)。低功率LED的額定發光強度通常為毫坎德拉(mcd)量級。例如,TLDR5400是一個紅光LED,當它的正向電壓降為1.8V、電流為20mA時,額定發光強度為70mcd。當電流為1mA時,光強降到3mcd。當式(5-13)中的電壓大得多的時候,LED的亮度近似保持恒定。如果圖5-20b中的電路批量生產,且采用TLDR5400,那么只要電壓大得多,它們的亮度將會基本一致。但是如果只大一點,那么LED的亮度會隨電路的不同而發生明顯變化。

????????控制LED亮度最好的方法是使用電流源做驅動,這樣電流是恒定的,因此其亮度基本不變。討論晶體管(其特性類似電流源)時將會闡述如何使用晶體管來做LED的驅動。

5.8.4LED參數及特性

????????圖5-21所示是一個標準TLDR5400 5mm T-1?紅光LED數據手冊的部分內容。這種類型的LED是槽孔引腳,可有多種應用。

????????在絕對最大額定值的表中可見,該LED的最大正向電流為50mA,最大反向電壓只有6V。若要延長該器件的使用壽命,一定要采用適當的安全系數。當環境溫度為時的最大額定功率為100mW,當溫度較高時必須采取降溫措施。

????????光學和電學特征參數表中顯示,該LED的發光強度在20mA時具有典型值70mcd,當電流為1mA時,則降為3mcd。該表中,紅色LED的主波長是648nm,當觀察角為,發光強度會下降約50%。相對發光強度與正向電流的關系曲線顯示出光強是受LED的正向電流影響的。從相對發光強度與波長的關系曲線中可以看出發光強度在波長大約為650nm處達到了峰值。

????????當LED的環境溫度上升或下降時,會發生什么情況?相對發光強度與環境溫度的關系曲線顯示,當環境溫度升高時,LED的光輸出會減小。在溫度變化較大的應用環境下,LED的這一特性是很重要的。

例5-12圖5-22a所示是一個電壓極性指示器,它可以用來分辨未知的直流電壓的極性,當直流電壓為正時,綠色LED發光,當直流電壓為負時,紅色LED發光。當輸入直流電壓為50V,串聯電阻為2.2kΩ時,流過LED的電流約為多少?

????????解:兩種情況下發光二極管的正向電壓均取近似值2V,由式(5-13)得:

例5-13圖5-22b所示是一個連接性能測試儀。測試時先關掉被測電路中的所有電源,用這個電路是可以檢測電纜、轉接頭、開關的連接性能。當串聯電阻為170Ω時,流過LED的電流是多少?

?????????解:當輸入端短接(連接)時,內部9V電池組將會產生LED電流:

例5-14LED常被用來顯示交流電壓的存在。圖5-23所示是一個交流電壓源驅動的LED指示器。當有交流電壓時,正半周期中LED中有電流存在,而負半周期中,整流二極管導通,保護LED,防止其反偏電壓過大。若交流電壓有效值約是20V,串聯電阻為680Ω,LED中平均電流是多少?計算串聯電阻的近似功率。

????????解:LED的電流是一個整流后的半波信號。電壓源的峰值1.14×20V≈28V,忽略LED的壓降,峰值電流約為:

通過LED的半波電流的平均值為:

????????忽略圖5-23中二極管的壓降,這相當于串聯電阻的右端對地短路,串聯電阻上的功率等于電源電壓的平方除以電阻:

????????當圖5-23中的電源電壓增大時,串聯電阻上的功率可以增加到幾瓦。這是非常不利的,因為對于大部分的實際應用而言,高能耗電阻的體積太大且造成功率浪費。

例5-15圖5-24所示電路是一個用于交流電力線的LED指示器,其基本原理與圖5-23中電路相同,只是用電容代替了電阻。若電容大小為,則LED中平均電流是多少?

解:計算電容的電抗:

忽略LED的壓降,LED峰值電流約為:

LED平均電流為:

????????采用串聯電容而非串聯電阻的優點是電容沒有功率消耗,這是因為電容上的電壓和電流存在的相位差。如果換作是一個3.9kΩ的電阻,將會有大約3.69W的功率。大多數電路設計更傾向于使用電容,因為它的體積更小,而且理想情況下不產生熱量。

例5-16圖5-25所示電路的用途是什么?

????????解:這是一個熔斷指示器。如果熔絲正常,由于LED上的電壓接近于零,故LED不亮。反之,如果熔絲開路,電力線上的一部分電壓會加到LED指示器上使其發光。

5.8.5大功率LED

????????一般的LED功率較低,在mW量級。例如,TLDR5400 LED最大的額定功率為100mW,通常在其正向電壓下降到1.8V時,工作電流在20mA左右,這時的功率為36mW。

????????目前大功率LED可獲得1W以上的連續功率。這些功率LED可以在數百mA到1A的電流下工作。越來越多的應用程序啟動,包括汽車的內部、外部和前向照明,室內和室外建筑區域照明,以及數字圖像和顯示的背光。

????????圖5-26所示是一個大功率LED在高亮度定向照明中的應用實例,如射燈和室內區域照明。這種LED需要占用更大的半導體芯片面積以適應大功率輸入。由于該元件需要1W的功率,采用合適的技術安裝散熱片尤為重要。否則,LED將會在短時間內損壞。

????????在大多數應用中,光源的效率是一個重要的因素。由于LED同時產生光和熱,弄清楚有多少電能被用來產生光輸出是非常重要的。用來描述這一性質的量稱為發光效率。光源的發光效率是指輸出光照度(lm)與電功率(W)的比值,單位是lm/W。圖5-27給出了高功率LED管LUXEON TX的部分典型的性能參數。注意表中的額定參數為350mA、700mA和1000mA。測試電流為700mA的情況下,LIT2-3070000000000發射管的輸出照度典型值為245lm。在這個正向電流下,正向電壓通常降為2.80V。因此,總功耗為。該發射管的發光效率為:

發光效率

????????作為對比,一般的白熾燈泡的發光效率是16lm/W,而小型日光燈光發效率的典型額定值為60lm/w。對于LED的整體效率而言,控制LED的電流及光輸出的驅動電路是需要重點關注的。因為這些驅動電路也消耗電能,會使得整體系統的效率降低。

5.9其他光電器件

????????除了標準的低功率發光二極管外,還有許多其他基于pn結的光子作用的光電器件。這些器件可用于光源,以及對光的檢測和控制等。

5.9.1七段顯示器

????????圖5-28a所示是一個七段顯示器。它包含七個矩形LED(從A到G),每一個LED稱為一段,構成顯示字符的一部分。圖5-28b是七段顯示的電路圖。外加串聯電阻是為了將電流限制在安全范圍內,通過將一個或者多個電阻接地,能夠得到0~9的任意數字。例如,將A、B和C端接地,得到數字7,將A、B、C、D和G端接地則得到數字3。

????????七段顯示器也能顯示大寫字母A、C、E、F以及小寫字母b和d。微處理器經常用它來顯示0~9的所有數字,以及字母A、b、C、d、E和F。

????????圖5-28b所示的七段顯示器的所有正極接在一起,所以稱為共陽極型,也可以將所有的負極接在一起,稱為共陰極型。圖5-28c所示是一個實際的七段顯示模塊,有引腳可插入到插座中或焊接到印刷電路板上。可以看到后面有一個額外的點段用于顯示小數點。

知識拓展?? LED相對于其他顯示器的主要缺點是消耗的電流比較大。在許多情況下,LED不采用固定的電流驅動,而是以頻率非常快的脈沖驅動其導通和關斷。在人眼看來,LED是連續發光的,其功耗比連續導通時要小。

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