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  • 怎么避免二極管過載損壞
    • 發布時間:2019-12-06 17:30:59
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    怎么避免二極管過載損壞
    二極管作為一種基礎電子元器件,所有工程師都知道其具有單向導電性。根據半導體材料分類,可分為硅二極管和鍺二極管;根據據應用場合分類,可分為整流二極管、檢波二極管、開關二極管和穩壓二極管。不論怎么分,二極管有一個參數十分重要,會直接影響到晶體管是否會因過載損壞。
    耗散功率
    耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率。是某一時刻電網元件或者全網有功輸入總功率與有功輸出總功率的差值。
    在線性條件下,導通的耗散功率計算比較簡單,PD=I2R,或者PD=U2/R;而在開關狀態下,計算相對比較復雜。
    二極管的耗散功率與允許的節溫有關,硅二極管允許的最大節溫是150℃,而鍺允許最大節溫85℃。半導體工作溫度是有限的,當實際的功率增大是,其節溫也將變大,當節溫達到150℃是,此時的功率就是最大的耗散功率。
    當然,耗散功率與封裝大小也有一定的關系,通常封裝大點的器件,其最大耗散功率也相對大點,最常見的就是大功率器件擁有大體積,大面積的散熱金屬面。
    一個具體型號的二極管其耗散功率與測試條件有關,比如測試環境溫度和散熱條件。通常情況下,測試出來的最大耗散功率是在25℃下。
    隨著環境溫度的升高,其最大的耗散功率將減少,因為該條件下的導熱溫差變小,比如說在25℃下,某二極管耗散功率能達到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,散熱條件越好,耗散功率越高,在同一環境溫度下,耗散功率為1W,加了散熱片之后,耗散功率可能變為1.7W。
    表征散熱措施的一個參數是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學里的電阻類似,都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小,傳熱能力越強;反之,熱阻越大,傳熱能力越小。
    從類比的角度來看,熱量相當于電流,溫差相當于電壓,熱阻相當于電阻。其中,熱阻Rja:芯片的熱源結到周圍冷卻空氣的總熱阻,其單位是℃/W,表示在1W下,導熱兩端的溫差。
    以1N4448HWS為例,查看其手機手冊,可知其熱特性如下:
    從中可知,其耗散功率PD=200mW,熱阻為625℃/W,其中這兩個量是環境溫度25℃,焊在FR-4材質 PCB條件下測試的,如手冊說明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。
    耗散功率與環境溫度有關,溫度越大,耗散功率越小,1N4448HWS耗散功率與環境溫度關系如下:
    在0~25℃是,耗散功率恒為200mW,在25~150℃時,線性遞減,到達150℃,耗散功率為0,在這個溫度,硅管已經不能工作了。從這個表中,可以計算出熱阻,其線性部分斜率倒數:
    |1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
    根據這個表,可得:
    PD=-1/625(TA-25)+0.2,(TA-≥25)
    根據這個公式,可計算出不同環境溫度下最大的耗散功率。
    在設計過程中,人們更關注器件工作時的溫度,以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例,在環境溫度為25℃情況下,實際功率為100mW時,其溫度為25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;當實際功率為200mW時,其溫度為25+625*0.2=150℃,這時候已經達到節溫的最大溫度了,比較危險,應當避免。
    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,實際工作不能超過這個數值,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,不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關時間,還應該考慮到耗散功率。
    第二節 二極管應用電路詳解
    許多初學者對二極管很“熟悉”,提起二極管的特性可以脫口而出它的單向導電特性,說到它在電路中的應用第一反應是整流,對二極管的其他特性和應用了解不多,認識上也認為掌握了二極管的單向導電特性,就能分析二極管參與的各種電路,實際上這樣的想法是錯誤的,而且在某種程度上是害了自己,因為這種定向思維影響了對各種二極管電路工作原理的分析,許多二極管電路無法用單向導電特性來解釋其工作原理。
    二極管除單向導電特性外,還有許多特性,很多的電路中并不是利用單向導電特性就能分析二極管所構成電路的工作原理,而需要掌握二極管更多的特性才能正確分析這些電路,例如二極管構成的簡易直流穩壓電路,二極管構成的溫度補償電路等。
    二極管簡易直流穩壓電路及故障處理
    二極管簡易穩壓電路主要用于一些局部的直流電壓供給電路中,由于電路簡單,成本低,所以應用比較廣泛。
    二極管簡易穩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:二極管導通后其管壓降基本不變,對硅二極管而言這一管壓降是0.6V左右,對鍺二極管而言是0.2V左右。
    如圖1所示是由普通3只二極管構成的簡易直流穩壓電路。電路中的VD1、VD2和VD3是普通二極管,它們串聯起來后構成一個簡易直流電壓穩壓電路。
    二極管過載
    圖1 3只普通二極管構成的簡易直流穩壓電路
    1.電路分析思路說明
    分析一個從沒有見過的電路工作原理是困難的,對基礎知識不全面的初學者而言就更加困難了。
    關于這一電路的分析思路主要說明如下。
    (1)從電路中可以看出3只二極管串聯,根據串聯電路特性可知,這3只二極管如果導通會同時導通,如果截止會同時截止。
    (2)根據二極管是否導通的判斷原則分析,在二極管的正極接有比負極高得多的電壓,無論是直流還是交流的電壓,此時二極管均處于導通狀態。從電路中可以看出,在VD1正極通過電阻R1接電路中的直流工作電壓+V,VD3的負極接地,這樣在3只串聯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作用下導通的。
    (3)從電路中還可以看出,3只二極管上沒有加入交流信號電壓,因為在VD1正極即電路中的A點與地之間接有大容量電容C1,將A點的任何交流電壓旁路到地端。
    2.二極管能夠穩定直流電壓原理說明
    電路中,3只二極管在直流工作電壓的正向偏置作用下導通,導通后對這一電路的作用是穩定了電路中A點的直流電壓。
    眾所周知,二極管內部是一個PN結的結構,PN結除單向導電特性之外還有許多特性,其中之一是二極管導通后其管壓降基本不變,對于常用的硅二極管而言導通后正極與負極之間的電壓降為0.6V。
    根據二極管的這一特性,可以很方便地分析由普通二極管構成的簡易直流穩壓電路工作原理。3只二極管導通之后,每只二極管的管壓降是0.6V,那么3只串聯之后的直流電壓降是0.6×3=1.8V。
    3.故障檢測方法
    檢測這一電路中的3只二極管最為有效的方法是測量二極管上的直流電壓,如圖2所示是測量時接線示意圖。如果測量直流電壓結果是1.8V左右,說明3只二極管工作正常;如果測量直流電壓結果是0V,要測量直流工作電壓+V是否正常和電阻R1是否開路,與3只二極管無關,因為3只二極管同時擊穿的可能性較??;如果測量直流電壓結果大于1.8V,檢查3只二極管中有一只開路故障。
    二極管過載
    圖2 測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。
    二極管過載
    表1 二極管電路故障分析
    5.電路分析細節說明
    關于上述二極管簡易直流電壓穩壓電路分析細節說明如下。
    (1)在電路分析中,利用二極管的單向導電性可以知道二極管處于導通狀態,但是并不能說明這幾只二極管導通后對電路有什么具體作用,所以只利用單向導電特性還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,所以依據這一點可以確定這一電路是為了穩定電路中A點的直流工作電壓。
    (3)電路中有多只元器件時,一定要設法搞清楚實現電路功能的主要元器件,然后圍繞它進行展開分析。分析中運用該元器件主要特性,進行合理解釋。
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