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电子电路原理学习笔记---第5章特殊用途二极管---第2天

news 2025/8/13 8:03:14

5.5阅读数据手册

图5-15给出了1N957B和1N4728A系列的齐纳二极管数据手册中的数据，再后面的讨论中将参考这些数据。数据手册中大部分信息是提供给电路设计者的，但有些内容在故障诊断和测试时也有必要了解。

5.5.1最大功率

齐纳二极管的功率等于它对应的电压与电流的乘积：

例如，若，，那么：

只要小于额定功率，齐纳二极管就能工作在击穿区而不会损坏，商用齐纳二极管的额定功率从0.25W到50W以上不等。

例如，1N957B系列数据手册中列出了其最大的额定功率为500mW。安全的设计应有一定的安全系数以保证功率可靠小于最大值500mW。如前文所述，对于保守设计，安全系数应为2或更大。

5.5.2最大电流

数据手册中通常给出齐纳二极管在不超过其额定功率情况下所能承受的最大电流。如果这个值没有给出，最大电流可以通过下式得到：

其中是最大额定齐纳电流，是额定功率，是齐纳电压。

例如，1N4742A的齐纳电压为12V，额定功率为1W，那么它的最大额定电流为：

如果能满足额定电流，额定功率则自动满足。举例来说，如果保持最大齐纳电流小于83.3mA，则最大功率自然小于1W。如果将安全系数取为2，则不必担心临界情况会将二极管烧毁。给定的或通过计算得到的是连续的额定电流值，通常给出非重复的反向电流峰值，包括器件的测试条件。

5.5.3容差

大多数齐纳二极管都以后缀A、B、C、D来标识齐纳电压的容差，由于这些后缀所表示的内容并不总是一致的，所以一定要区分数据手册中对每一种特定容差给出的特别说明。例如，1N4728A系列数据手册中的容差为±5%，1N957B 系列为±5%，而后缀C一般表示容差为±2%，D则表示容差为±1%，没有后缀则表示容差为±20%。

5.5.4齐纳电阻

齐纳电阻（也称作齐纳阻抗），可以用或来表示。例如，1N961B在测试电流为12.5mA时的齐纳电阻为8.5Ω，只要齐纳电流大于特性曲线的拐点电流，就可以用8.5Ω作为齐纳电阻的近似值。但是要注意齐纳电阻在拐点有较大的增量（700Ω），关键在于尽可能地让齐纳二极管工作在给定的测试电流附近，这样齐纳电阻相对来说是比较小的。

数据手册中包含了很多额外的信息，主要是为电路设计者提供的，如果从事设计工作，那么就需要仔细阅读，包括那些关于数据测量的注释。

5.5.5额定值的减小

数据手册中的减额系数给出了温度升高时需要将器件的额定功率减小的值。例如1N4728A系列，在引脚温度时的额定功率为1W，减额系数为，这表示当温度高于时，温度每升高，需要将额定功率减小 6.67mW。无论是否从事设计，都必须了解温度的影响。如果已知引脚温度高于，设计时必须相应减小齐纳二极管的额定功率。

5.6故障诊断

图5-16所示为一个齐纳稳压器。当电路正常工作时，节点A到地的电压为+18V，节点B到地的电压为+10V，节点C到地的电压为+10V。

5.6.1可确定故障

现在来讨论电路可能会出现的问题。当电路工作异常时，故障诊断通常从测量电压开始，这些电压测量值可以提供线索以利于找出问题所在。例如，假设电压测量值为：

当测得这些电压后，可能想到的是：

是否是负载电阻开路？不可能，如果这样负载电压应该仍然是10V；是否是负载电阻短路？也不可能，那将会导致节点B和C对地短接，电压均为零；那么如果连接节点B和C的导线断开了呢？对，这样就与测得的数据吻合了。

这种故障导致了特定现象，唯一能够出现这种电压值的原因就是连接节点B和C的导线断开。

5.6.2不可确定故障

并不是所有的故障都会导致特定现象，有时，两个或多个故障都会导致相同的电压。

这里举一个例子，假设测得电压如下：

问题可能会出在哪儿呢？先考虑出结果后，再看下边的内容。

下面给出查找故障的一种思路：

已经得到了节点A的电压，但是节点B、C处却没有电压。会不会是串联电阻开路呢？那样的话节点B、C不会有电压，同时还能保持A点电压为18V。对，串联电阻可能是开路的。

这时，可以断开串联电阻，用欧姆表测它的阻值，它很可能确实是开路的。但是假如测量结果证明电阻没有问题，那么就可能继续思考下去：

奇怪！还有别的可能使得A点电压为18V，而B、C电压为零吗？若是齐纳二极管或者负载电阻短路呢？若是节点B或C由于焊锡渣使其与地短路呢？任何一种可能都会导致这种测量结果。

这时，就需要去排查更多的可能性，最终找到问题所在。

当元器件烧坏后，它们可能变为开路，但也并非都是如此。有些半导体器件可能发生内部短路，此时它们犹如一个阻值为零的电阻。引起短路的原因还可能是印制电路板上两根走线之间有焊锡渣接触到了走线，或者其他可能的情况。因此，对于器件短路的情况也必须提出并回答一些假设的问题，就像对待器件开路时一样。

5.6.3故障表

表5-2给出了图5-16所示齐纳稳压器的可能故障。在分析电压时需谨记：短路的元件可看作阻值为零的电阻，而开路的元件则可看作阻值为无穷大的电阻。当用0和∞计算有困难时，可以采用0.001Ω和1000Ω来代替，即用小电阻替代短路，大电阻替代开路。

在图5-16中，串联电阻可能短路也可能开路，将其记为和，类似地，齐纳二极管可能短路或者开路，分别记为和，负载电阻的短路、开路记为和，连接B、C的导线可能会断开，记为。

在表5-2中，第二行给出了故障，即串联电阻短路的情形，此时节点B、C电压为18V，这将会烧坏齐纳二极管甚至负载电阻。对于这种故障，用电压表测得节点A、B、C电压都为18V，此故障以及对应的电压列于表5-2中。

如果图5-16中串联电阻开路，电源电压将不能作用到B点，此时，节点B、C电压将为零，如表5-2所示。按照这种方式可以得到表5-2的其他故障情形。

表5-2中，评价一栏给出了故障可能造成的后果，例如，短路将会烧坏齐纳二极管，也有可能造成负载电阻开路，这取决于负载电阻的额定功率。短路意味着1kΩ的电阻上有18V的压降，产生的功率是0.324W，若负载电阻额定功率只有0.25W，则会被烧坏导致开路。

表5-2中的一些故障产生特定的电压，而另一些故障则产生不典型的电压。例如，、、以及无电源的故障对应一组特定的电压值，如果测得这些特定电压，就能确定问题所在，而不需要拆开电路用欧姆表去测电阻。

表5-2中其余的故障都会产生不典型的电压。这意味着两个或者多个故障会导致相同的电压测量结果。如果测得一组不典型的电压，必须拆开电路去测量可疑元件的电阻。例如，假设测得电压分别为A点18V，B点0V，C点0V，那么造成故障的原因可能是、和。

可以通过多种方式测量齐纳二极管。使用数字万用表，调到二极管测试挡，可以测得二极管是开路还是短路。正常情况下，正偏时显示电压约为0.7V，反偏时显示的则是开路（过载）。但是这种测量并不能确认齐纳二极管具有合适的击穿电压。

图5-17中所示的半导体特性曲线图示仪将会精确地显示齐纳二极管的正偏/反偏特性，如果没有图示仪，可用另一个简单方法：将齐纳二极管接入电路中，然后测其压降，这个压降应该接近它的额定值。

5.7负载线

流过图5-18a所示电路中齐纳二极管的电流为：

假设，，则上述方程化简为：

设为零，得到饱和和工作点（纵轴截距），解得，同理，为了得到截止工作点（横轴截距），设为零，解得。

也可以用其他方式得到负载线的两端位置。直接观察图5-18a，可得，，将齐纳二极管短路，得到二极管中最大的电流为20mA，将其开路，则可以得到最大的电压为20V。

假设齐纳二极管的击穿电压为12V，其曲线见图5-18b。画出，的负载线，得到上方负载线的交点，此时由于特性曲线有轻微倾斜，齐纳二极管上的电压略大于击穿处的拐点电压。

为了说明电路稳压的工作原理，假设电源电压变为30V，则齐纳电流变为：

这时负载线两端点分别为30mA和30V，如图5-18b所示。此时新的交点为，比较和，可以看出此时流过齐纳二极管的电流增大了，但是相应的电压却几乎没有变化。所以，尽管电源电压从20V变化到30V，齐纳电压依然近似为 12V，体现了稳压作用。即当输入电压有很大变化时，输出电压几乎保持不变。

5.8发光二极管

光电子学是将光学和电子学相结合的一门学科，涉及许多基于pn结特性的器件，典型的光电器件如发光二极管（LED）、光敏二极管、光耦合器、激光二极管等，下面首先介绍发光二极管。

5.8.1发光二极管

由于LED的功耗低、体积小、更新速度快且寿命长，因此在很多应用中已取代了白炽灯。图5-19所示为标准低功耗LED的组成。与普通二极管一样，LED具有阴极和阳极，必须加以合适的偏置电压。塑料壳外面通常有一处平坦的部位，用来表示LED的阴极。半导体芯片的材料决定了LED的特性。

图5-20a所示是与电源、电阻相连接的LED电路，向外的箭头表示有向外辐射的光。在正向LED中，自由电子穿过pn结并落入空穴，由于这些电子是从高能级落到低能级，以光子的形式释放能量。在普通的二极管中，这些能量是以热的形式辐射出来，但是在LED中，能量以光的形式辐射。上述效应称作场致发光。

光的颜色与光子的能量有关，主要是由所使用的半导体材料的带隙能量决定的。通过使用诸如镓、砷、磷等元素，生产厂家可以制作出发射红、绿、蓝、黄、橙或者红外光（不可见光）的LED。能够产生可见光的LED用于仪器、计算器等；而红外LED则在防盗系统、遥控器、CD播放器等需要不可见光的设备中使用。

5.8.2LED电压和电流

图5-20b中的电阻是一个常见的限流电阻，用来防止电流超过二极管的最大额定电流。由于电阻左端的电压为，右端的电压为，电阻上的电压为上述两个电压之差。由欧姆定律得串联电流为：

对于大部分商用LED，典型压降为，电流为。准确的压降取决于LED采用的电流、颜色、容差等。除非特殊说明，本书在故障诊断或者LED电路分析中，均采用2V压降。图5-20c所示为一些常见的低功耗LED及其发光颜色对应的管壳。

5.8.3LED的亮度

LED的亮度由电流决定。发射的光总通量通常被称为发光强度，额定单位为坎德拉（cd）。低功率LED的额定发光强度通常为毫坎德拉（mcd）量级。例如，TLDR5400是一个红光LED，当它的正向电压降为1.8V、电流为20mA时，额定发光强度为70mcd。当电流为1mA时，光强降到3mcd。当式（5-13）中的电压比大得多的时候，LED的亮度近似保持恒定。如果图5-20b中的电路批量生产，且采用TLDR5400，那么只要电压比大得多，它们的亮度将会基本一致。但是如果比只大一点，那么LED的亮度会随电路的不同而发生明显变化。

控制LED亮度最好的方法是使用电流源做驱动，这样电流是恒定的，因此其亮度基本不变。讨论晶体管（其特性类似电流源）时将会阐述如何使用晶体管来做LED的驱动。

5.8.4LED参数及特性

图5-21所示是一个标准TLDR5400 5mm T-1¾红光LED数据手册的部分内容。这种类型的LED是槽孔引脚，可有多种应用。

在绝对最大额定值的表中可见，该LED的最大正向电流为50mA，最大反向电压只有6V。若要延长该器件的使用寿命，一定要采用适当的安全系数。当环境温度为时的最大额定功率为100mW，当温度较高时必须采取降温措施。

光学和电学特征参数表中显示，该LED的发光强度在20mA时具有典型值70mcd，当电流为1mA时，则降为3mcd。该表中，红色LED的主波长是648nm，当观察角为，发光强度会下降约50%。相对发光强度与正向电流的关系曲线显示出光强是受LED的正向电流影响的。从相对发光强度与波长的关系曲线中可以看出发光强度在波长大约为650nm处达到了峰值。

当LED的环境温度上升或下降时，会发生什么情况？相对发光强度与环境温度的关系曲线显示，当环境温度升高时，LED的光输出会减小。在温度变化较大的应用环境下，LED的这一特性是很重要的。

例5-12图5-22a所示是一个电压极性指示器，它可以用来分辨未知的直流电压的极性，当直流电压为正时，绿色LED发光，当直流电压为负时，红色LED发光。当输入直流电压为50V，串联电阻为2.2kΩ时，流过LED的电流约为多少？

解：两种情况下发光二极管的正向电压均取近似值2V，由式（5-13）得：

例5-13图5-22b所示是一个连接性能测试仪。测试时先关掉被测电路中的所有电源，用这个电路是可以检测电缆、转接头、开关的连接性能。当串联电阻为170Ω时，流过LED的电流是多少？

解：当输入端短接（连接）时，内部9V电池组将会产生LED电流：

例5-14LED常被用来显示交流电压的存在。图5-23所示是一个交流电压源驱动的LED指示器。当有交流电压时，正半周期中LED中有电流存在，而负半周期中，整流二极管导通，保护LED，防止其反偏电压过大。若交流电压有效值约是20V，串联电阻为680Ω，LED中平均电流是多少？计算串联电阻的近似功率。

解：LED的电流是一个整流后的半波信号。电压源的峰值1.14×20V≈28V，忽略LED的压降，峰值电流约为：

通过LED的半波电流的平均值为：

忽略图5-23中二极管的压降，这相当于串联电阻的右端对地短路，串联电阻上的功率等于电源电压的平方除以电阻：

当图5-23中的电源电压增大时，串联电阻上的功率可以增加到几瓦。这是非常不利的，因为对于大部分的实际应用而言，高能耗电阻的体积太大且造成功率浪费。

例5-15图5-24所示电路是一个用于交流电力线的LED指示器，其基本原理与图5-23中电路相同，只是用电容代替了电阻。若电容大小为，则LED中平均电流是多少？

解：计算电容的电抗：

忽略LED的压降，LED峰值电流约为：

LED平均电流为：

采用串联电容而非串联电阻的优点是电容没有功率消耗，这是因为电容上的电压和电流存在的相位差。如果换作是一个3.9kΩ的电阻，将会有大约3.69W的功率。大多数电路设计更倾向于使用电容，因为它的体积更小，而且理想情况下不产生热量。

例5-16图5-25所示电路的用途是什么？

解：这是一个熔断指示器。如果熔丝正常，由于LED上的电压接近于零，故LED不亮。反之，如果熔丝开路，电力线上的一部分电压会加到LED指示器上使其发光。

5.8.5大功率LED

一般的LED功率较低，在mW量级。例如，TLDR5400 LED最大的额定功率为100mW，通常在其正向电压下降到1.8V时，工作电流在20mA左右，这时的功率为36mW。

目前大功率LED可获得1W以上的连续功率。这些功率LED可以在数百mA到1A的电流下工作。越来越多的应用程序启动，包括汽车的内部、外部和前向照明，室内和室外建筑区域照明，以及数字图像和显示的背光。

图5-26所示是一个大功率LED在高亮度定向照明中的应用实例，如射灯和室内区域照明。这种LED需要占用更大的半导体芯片面积以适应大功率输入。由于该元件需要1W的功率，采用合适的技术安装散热片尤为重要。否则，LED将会在短时间内损坏。

在大多数应用中，光源的效率是一个重要的因素。由于LED同时产生光和热，弄清楚有多少电能被用来产生光输出是非常重要的。用来描述这一性质的量称为发光效率。光源的发光效率是指输出光照度（lm）与电功率（W）的比值，单位是lm/W。图5-27给出了高功率LED管LUXEON TX的部分典型的性能参数。注意表中的额定参数为350mA、700mA和1000mA。测试电流为700mA的情况下，LIT2-3070000000000发射管的输出照度典型值为245lm。在这个正向电流下，正向电压通常降为2.80V。因此，总功耗为。该发射管的发光效率为：

发光效率

作为对比，一般的白炽灯泡的发光效率是16lm/W，而小型日光灯光发效率的典型额定值为60lm/w。对于LED的整体效率而言，控制LED的电流及光输出的驱动电路是需要重点关注的。因为这些驱动电路也消耗电能，会使得整体系统的效率降低。

5.9其他光电器件

除了标准的低功率发光二极管外，还有许多其他基于pn结的光子作用的光电器件。这些器件可用于光源，以及对光的检测和控制等。

5.9.1七段显示器

图5-28a所示是一个七段显示器。它包含七个矩形LED（从A到G），每一个LED称为一段，构成显示字符的一部分。图5-28b是七段显示的电路图。外加串联电阻是为了将电流限制在安全范围内，通过将一个或者多个电阻接地，能够得到0～9的任意数字。例如，将A、B和C端接地，得到数字7，将A、B、C、D和G端接地则得到数字3。

七段显示器也能显示大写字母A、C、E、F以及小写字母b和d。微处理器经常用它来显示0～9的所有数字，以及字母A、b、C、d、E和F。

图5-28b所示的七段显示器的所有正极接在一起，所以称为共阳极型，也可以将所有的负极接在一起，称为共阴极型。图5-28c所示是一个实际的七段显示模块，有引脚可插入到插座中或焊接到印刷电路板上。可以看到后面有一个额外的点段用于显示小数点。