電路基礎:Lec 11- 從諾貝爾獎到二極體的分類總結

2021-01-08 電子電路那些事兒

二極體的種類很多很多,但是都符合我們上面兩次講的基本理論。從獲得諾貝爾獎的藍色發光二極體,到肖特基二極體,穩壓管等等,我們這次就好好總結下。

1、按trr來分類

trr對討論二極體的動態特性的關鍵指標,因為它決定了一個二極體到底能用在哪個頻段。按反向恢復時間trr大小來區分二極體可分為:

普通二極體(Rectifier Diode),trr長達ms,基本只能用於對50Hz工頻交流電進行整流的場合,因此也稱為整流二極體,從英文名字中更容易理解它的含義。(這裡我提示一點,很多時候遇到一個不太容易理解的元器件名稱或電路名稱,不妨看看它的英文名,往往英文名稱更能表示出它的本質)。上次用到的1N400X系列就是整流二極體。快恢復二極體(Fast Recovery Epitaxial Diode, FRED),trr小於200ns,一般在50ns以下,可以用於頻率較高的電路中,數字電路中常用的1N4148級是典型的FRED。肖特基勢壘二極體(Schottky Barrier Diode,SBD),trr更短,可達10ns數量級,並且他有兩個特殊的優點,①導通壓降小(意味著功耗小),②恢復軟度大(tf佔的比重大),不容易產生反向恢復高壓尖峰。這兩個優點使之特別適合低壓開關電源電路,典型如1N5819。2、穩壓二極體

穩壓二極體正嚮導通時就是普通二極體的特性。當它反嚮導通時,表現為特定電壓的電池,這與正嚮導通其實也差不了太多,只不過是電壓不是固定的0.7V。這裡有兩點需要注意:

① 穩壓二極體必須首先是導通的,才能等效為電池,否則就是開路。

② 穩壓二極體是必須串聯一個電阻來使用。

穩壓二極體的工作點在下圖所示的共色橢圓內,如果直接把一個5V穩壓二極體接在一個10V的電壓上使是無法穩壓到5V的,因為它再怎麼調節電流都無法改變二極體兩端的電壓,所以穩壓二極體工作時一定要串聯一個電阻。穩壓二極體調節流過自身的電流,從而改變R上的壓降來實現自身穩定輸出5V的目的。

一個例子:如下圖,負載電阻RL為1kohm,輸入電壓為10V,穩壓二極體為5V穩壓管,問當R0為10kohm時,負載上能夠得到5V嗎?

顯然不能,我們這裡取個極限,假設穩壓二極體的調節範圍等效為從0到無窮大的電阻,0ohm代入電路Vout=0V,無窮大帶入電路,Vout=0.9V。這表示穩壓管使出渾身力氣再怎麼調節輸出電壓都在0V到0.9V之間。要想得到輸出5V,則R0必須小於1kohm,也就是滿足在去掉穩壓管的時候負載兩端電壓大於0.5V,這樣加上穩壓管後,穩壓管才能導通工作。

3、發光二極體

發光二極體,導通時會發出特定波長的光,發光二極體導通壓降要比普通二極體高,具體有發光波長(顏色)決定。

發光二極體的伏安特性與普通二極體是一致的,當發光二極體作為指示用途時,必須串聯一個限流電阻來使用,如下圖所以,增大輸入電壓,二極體兩端的電壓不變,為發光二極體正嚮導通壓降,但是流過發光二極體的電流會增大,二極體的亮度增加,所以說發光二極體的亮度(功率)是由電流控制的。

有人也許會問,我直接在發光二極體兩端接0.7V的電壓不就行了嗎?不是就不需要限流電阻了嗎?因為我們前面講過,二極體兩端電壓每增加26mv,電流擴大10倍,這是個恐怖的量級,輸入電壓稍微不穩定,比如增加到52mv,電流擴大100倍,二極體就燒壞了。但是加了個限流電阻就不一樣了。就像上圖中,不管輸入電壓怎麼變,二極體兩端都是0.7V,電壓擴大1倍,電流擴大一倍,很容易調節。

補充LED照明的知識

紅綠藍(RGB)是光的三原色,藍光二極體最晚誕生(1989年首次實現,2014年獲諾貝爾獎),為什麼一個小小的藍色二極體能獲得諾貝爾獎?

紅色發光二極體和綠色發光二極體發明很多年了,但藍色發光二極體一直沒人能做出來,現在做成功了藍色發光二極體,三基色齊了,人們就可以用這三基色做出任何顏色的光源。現在的LED照明燈那麼受歡迎,又省電,比如現在的公共場所的景觀燈幾乎都是LED燈,都是因為有了藍色發光二極體的緣故。還有LED電視及其它顯示設備,都將帶來革命性的變化。所以藍色LED值得諾貝爾獎。

LED在使用時靠限流電阻來限流會消耗額外的功率,增加了功耗,所以優質的LED照明使用的是恆流源,而不是恆壓源。我們在《為什麼是電壓源,而不是電流源》中講過日常生活中的電源都是恆壓源,那怎麼從恆壓源得到一個恆流源呢?我們後面再慢慢來講。

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