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如何避免二极管过载损坏 ?

发 布:2017-9-13 17:21:47查 看:76

 第一节 如何避免二极管过载损坏 ?

 
二极管作为一种基础电子元器件,所有工程师都知道其具有单向导电性。根据半导体材料分类,可分为硅二极管和锗二极管;根据据应用场合分类,可分为整流二极管、检波二极管、开关二极管和稳压二极管。不论怎么分,二极管有一个参数十分重要,会直接影响到晶体管是否会因过载损坏。
 
耗散功率
耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM,是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。是某一时刻电网元件或者全网有功输入总功率与有功输出总功率的差值。在线性条件下,导通的耗散功率计算比较简单,PD=I2R,或者PD=U2/R;而在开关状态下,计算相对比较复杂。
 
二极管的耗散功率与允许的节温有关,硅二极管允许的最大节温是150℃,而锗允许最大节温85℃。半导体工作温度是有限的,当实际的功率增大是,其节温也将变大,当节温达到150℃是,此时的功率就是最大的耗散功率。当然,耗散功率与封装大小也有一定的关系,通常封装大点的器件,其最大耗散功率也相对大点,最常见的就是大功率器件拥有大体积,大面积的散热金属面。
 
一个具体型号的二极管其耗散功率与测试条件有关,比如测试环境温度和散热条件。通常情况下,测试出来的最大耗散功率是在25℃下。随着环境温度的升高,其最大的耗散功率将减少,因为该条件下的导热温差变小,比如说在25℃下,某二极管耗散功率能达到1W,在75℃情况下,耗散功率可能变成0.4W。允许最大耗散功率与散热条件有关,散热条件越好,耗散功率越高,在同一环境温度下,耗散功率为1W,加了散热片之后,耗散功率可能变为1.7W。
 
表征散热措施的一个参数是热阻。热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。热阻跟电子学里的电阻类似,都是反映“阻止能力”大小的参考量。热阻越小,传热能力越强;反之,热阻越大,传热能力越小。从类比的角度来看,热量相当于电流,温差相当于电压,热阻相当于电阻。其中,热阻Rja:芯片的热源结到周围冷却空气的总热阻,其单位是℃/W,表示在1W下,导热两端的温差。
 
以1N4448HWS为例,查看其手机手册,可知其热特性如下:
 
从中可知,其耗散功率PD=200mW,热阻为625℃/W,其中这两个量是环境温度25℃,焊在FR-4材质 PCB条件下测试的,如手册说明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。
 
耗散功率与环境温度有关,温度越大,耗散功率越小,1N4448HWS耗散功率与环境温度关系如下:
 
在0~25℃是,耗散功率恒为200mW,在25~150℃时,线性递减,到达150℃,耗散功率为0,在这个温度,硅管已经不能工作了。从这个表中,可以计算出热阻,其线性部分斜率倒数:
|1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
根据这个表,可得:
PD=-1/625(TA-25)+0.2,(TA-≥25)
 
根据这个公式,可计算出不同环境温度下最大的耗散功率。
 
在设计过程中,人们更关注器件工作时的温度,以确保在安全的工作范围。以1N4448HWS为例,在环境温度为25℃情况下,实际功率为100mW时,其温度为25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;当实际功率为200mW时,其温度为
25+625*0.2=150℃,这时候已经达到节温的最大温度了,比较危险,应当避免。
 
二极管的传热方面,主要考虑PD和热阻Rja,前者是最大耗散功率,实际工作不能超过这个数值,后者是传热阻力参量,放映不同二极管的传热能力。在使用二极管时,不但要考虑正向电流、反向耐压和开关时间,还应该考虑到耗散功率。
 
第二节 二极管应用电路详解
 
许多初学者对二极管很“熟悉”,提起二极管的特性可以脱口而出它的单向导电特性,说到它在电路中的应用第一反应是整流,对二极管的其他特性和应用了解不多,认识上也认为掌握了二极管的单向导电特性,就能分析二极管参与的各种电路,实际上这样的想法是错误的,而且在某种程度上是害了自己,因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析,许多二极管电路无法用单向导电特性来解释其工作原理。
 
二极管除单向导电特性外,还有许多特性,很多的电路中并不是利用单向导电特性就能分析二极管所构成电路的工作原理,而需要掌握二极管更多的特性才能正确分析这些电路,例如二极管构成的简易直流稳压电路,二极管构成的温度补偿电路等。
二极管简易直流稳压电路及故障处理
 
二极管简易稳压电路主要用于一些局部的直流电压供给电路中,由于电路简单,成本低,所以应用比较广泛。
 
二极管简易稳压电路中主要利用二极管的管压降基本不变特性。
 
二极管的管压降特性:二极管导通后其管压降基本不变,对硅二极管而言这一管压降是0.6V左右,对锗二极管而言是0.2V左右。
 
如图1所示是由普通3只二极管构成的简易直流稳压电路。电路中的VD1、VD2和VD3是普通二极管,它们串联起来后构成一个简易直流电压稳压电路。
图1 3只普通二极管构成的简易直流稳压电路
1.电路分析思路说明
 
分析一个从没有见过的电路工作原理是困难的,对基础知识不全面的初学者而言就更加困难了。
 
关于这一电路的分析思路主要说明如下。
 
(1)从电路中可以看出3只二极管串联,根据串联电路特性可知,这3只二极管如果导通会同时导通,如果截止会同时截止。
 
(2)根据二极管是否导通的判断原则分析,在二极管的正极接有比负极高得多的电压,无论是直流还是交流的电压,此时二极管均处于导通状态。从电路中可以看出,在VD1正极通过电阻R1接电路中的直流工作电压+V,VD3的负极接地,这样在3只串联二极管上加有足够大的正向直流电压。由此分析可知,3只二极管VD1、VD2和VD3是在直流工作电压+V作用下导通的。
 
(3)从电路中还可以看出,3只二极管上没有加入交流信号电压,因为在VD1正极即电路中的A点与地之间接有大容量电容C1,将A点的任何交流电压旁路到地端。
2.二极管能够稳定直流电压原理说明
 
电路中,3只二极管在直流工作电压的正向偏置作用下导通,导通后对这一电路的作用是稳定了电路中A点的直流电压。
 
众所周知,二极管内部是一个PN结的结构,PN结除单向导电特性之外还有许多特性,其中之一是二极管导通后其管压降基本不变,对于常用的硅二极管而言导通后正极与负极之间的电压降为0.6V。
 
根据二极管的这一特性,可以很方便地分析由普通二极管构成的简易直流稳压电路工作原理。3只二极管导通之后,每只二极管的管压降是0.6V,那么3只串联之后的直流电压降是0.6×3=1.8V。
3.故障检测方法
 
检测这一电路中的3只二极管最为有效的方法是测量二极管上的直流电压,如图2所示是测量时接线示意图。如果测量直流电压结果是1.8V左右,说明3只二极管工作正常;如果测量直流电压结果是0V,要测量直流工作电压+V是否正常和电阻R1是否开路,与3只二极管无关,因为3只二极管同时击穿的可能性较小;如果测量直流电压结果大于1.8V,检查3只二极管中有一只开路故障。
图2  测量二极管上直流电压接线示意图
4.电路故障分析
 
如表1所示是这一二极管电路故障分析。
表1 二极管电路故障分析
5.电路分析细节说明
 
关于上述二极管简易直流电压稳压电路分析细节说明如下。
 
(1)在电路分析中,利用二极管的单向导电性可以知道二极管处于导通状态,但是并不能说明这几只二极管导通后对电路有什么具体作用,所以只利用单向导电特性还不能够正确分析电路工作原理。
 
(2)二极管众多的特性中只有导通后管压降基本不变这一特性能够最为合理地解释这一电路的作用,所以依据这一点可以确定这一电路是为了稳定电路中A点的直流工作电压。
 
(3)电路中有多只元器件时,一定要设法搞清楚实现电路功能的主要元器件,然后围绕它进行展开分析。分析中运用该元器件主要特性,进行合理解释。
 
关键字:嘉兆科技、测试测量
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