开关二极管的工作原理及应用特性
二极管是一种半导体器件,它包括两个端子,如阳极和阴极。二极管的主要功能是仅允许电流沿一个方向流动,因为它在一个方向上的电阻较小,而在另一个方向上的电阻较高。半导体二极管是最早的半导体电子元件。
目前,大多数二极管由硅以及锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs) 等其他半导体材料制成。根据应用特性的不同,目前市场上有多种类型的二极管,例如开关二极管就是其中的一种。
开关二极管的概念
开关二极管的定义为,具有开关功能的二极管称为开关二极管,该二极管专为电路上的开和关而设计。因此,一旦正向提供电压源,它就会提供电流,当反向提供电压源时,它会停止电流供应。
与其他类型的二极管相比,该二极管的反向恢复时间短,即从导通状态到完全关断状态所需的时间非常短。开关二极管常用系列有2DK、2AK,主要用于开关电路、电子计算机等,开关二极管符号如下图所示。
开关二极管工作原理
开关二极管的工作原理是,一旦增加规定的电压,二极管的电阻就会增加。所以二极管是反向偏置的,它作为一个开路开关。同样,当施加的电压低于参考电压时,二极管的电阻将减小,因此二极管处于正向偏置状态,因此它就像一个闭合的开关。
1N4148开关二极管规格参数
作为常用的开关二极管,1N4148主要规格参数如下:
- 正向电压范围为0.4 – 1.2V,基于正向电流
- 反向击穿电压为100V
- 二极管电容为4pF
- 峰值正向浪涌电流为4A
- 重复峰值正向电流为500mA
- 平均正向电流为200mA
- 重复峰值反向电压为100V
- 反向电压为75V
- 功耗为500mW
- 重量为0.1g
- 直流正向电流为300mA。
- 最大反向恢复时间 (trr) 为4ns
- 重复峰值正向电流为400mA
- 10mA时的最大正向电压为1V
- 击穿电压(最大值)和反向漏电流为75 V @ 5 μA 和 100 V @100 μA
- 非重复峰值正向浪涌电流在1秒脉冲宽度下为1安培,在1微秒脉冲宽度下为4安培
开关二极管与齐纳二极管
开关二极管和齐纳二极管之间的区别包括以下几点内容:
开关二极管 | 齐纳二极管 |
开关二极管只允许电流在一个方向流动 | 一旦反向电压超过一定值,齐纳二极管允许电流正向流动和反向流动 |
开关二极管常用型号是1N4148 | 齐纳二极管常用型号是1N5225 |
该二极管适用于切换小信号,也可用作整流器 | 齐纳二极管适用于电压调节、浪涌抑制器、限幅电路和开关应用 |
开关二极管处理的电流高达100mA | 齐纳二极管处理的电流约为5 – 10 mA |
这些二极管可处理低于数十伏的电压 | 这些二极管可处理0.3和0.7V之间的电压 |
开关二极管电路及其工作过程
使用VD1二极管的开关二极管电路如下图所示。在下面的电路中,S1是开关,VD1是开关二极管,L1和C1可以组成一个并联的LC谐振电路。该开关二极管电路的主要目的是控制LC并联谐振电路的谐振频率。下面的开关二极管电路在开关关闭(打开)和打开(关闭)两种情况下工作。
类似地,一旦“S1”开关闭合,则直流电压通过R1提供给VD1二极管的正极端子以打开 VD1。因此,两个电极之间的电阻非常小,C2电容与谐振电路并联。
在上述两种情况下,由于LC并联谐振电路内部的电容不同,LC并联谐振电路的谐振频率也不同。因此,开关电路中的VD1二极管控制LC电路的谐振频率。
LC并联谐振电路中的信号包含在整个C2的二极管正极端子中。但由于电路内的信号幅度很小,给开关二极管正端的正半周信号幅度极小,不会使二极管导通。从上述开关电路分析中,可以观察到开关二极管“VD1”作为开关工作。
开关二极管特性
开关二极管的特性主要包括以下几点内容:
- 开机时间;从截止到开启开关二极管所需的时间称为开启时间,这个时间越短越好。
- 反向恢复时间;一旦开关二极管被激活,那么正向电压就可以被分离。开关二极管从导通关断所需的时间称为反向恢复时间。一般来说,这个时间比开启时间要长。
- 切换时间;切换时间是开启时间和反向恢复时间的总和。开关二极管的开关速度相当快。Ge开关二极管的反向恢复时间为几百纳秒,而Si开关二极管只有几纳秒。一旦向开关的两端提供正向电压,则称开关二极管处于导通状态,因此等于开关的导通状态。类似地,当向该二极管提供反向电压时,则称该二极管处于关断状态,这等于开关的关断状态。开关二极管利用这一主要特性获得更快和更好的开关速度特性、更小的整个导通内阻、更高的一次性电阻和PN结的小结电容。
开关二极管的种类
开关二极管有不同的类型,例如普通开关二极管、超高速开关二极管、高速开关二极管、高背压开关二极管、小功率开关二极管、硅压开关二极管。这些二极管的封装形式是塑料和开关。
1、普通开关二极管
普通开关二极管是常用的二极管,即2AK1至2AK6、2AK7至2AK10、2AK11至2AK14等2AK系列锗开关二极管,下面简单介绍下这些串联二极管的主要参数。
用于2AK1至2AK6系列开关二极管
- 正向电压为1V
- 正向电流为100至200mA
- 最大反向工作电压为10~50V
- 反向击穿电压为30至75V
- 反向恢复时间为300至150ns
- 结电容≤1
用于2AK7至2AK610系列开关二极管
- 正向电压为0.45V
- 正向电流为10mA
- 最大反向工作电压为30~50V
- 反向击穿电压为50至70V
- 反向恢复时间为150ns
- 结电容≤1
- 正向电压为0.8V
- 正向电流为250mA
- 最大反向工作电压为30~50V
- 反向击穿电压为50至70V
- 反向恢复时间为150ns
- 结电容≤1
2、高速开关二极管
与一般的开关二极管相比,这些二极管具有更短的反向恢复时间和更快的开关频率。最常用的高速开关二极管有1N系列、2CK系列、1S系列、RLS系列和1SS系列。1SS系列二极管采用含铅塑料封装,RLS系列采用表面贴装。下面介绍一些1N系列开关二极管的主要参数。
系列 | 以伏特为单位的最大反向工作电压 | 反向电流uA | 以伏特为单位的反向击穿电压 | 正向电流 (mA) | 正向电压降伏特 | 包装 | 反向恢复时间(以 ns 为单位) | 零偏置电容 pF |
1N4148/1N914 | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 4 |
1N4149/1N916 | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 2 |
1N4150/1N3600 | 50 | 0.01 | 60 | 200 | 1 | DO-35 | 6 | 2.5 |
1N4151/1N3604 | 50 | 0.05 | 75 | 150 | 1 | DO-35 | 2 | 2 |
1N4152/1N3605 | 30 | 0.05 | 40 | 150 | 0.88 | DO-35 | 2 | 2 |
1N4153/1N3606 | 50 | 0.05 | 75 | 150 | 0.88 | DO-35 | 2 | 2 |
1N4154 | 25 | 0.1 | 35 | 150 | 1 | DO-35 | 2 | 4 |
1N4446/1N914A | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 4 |
1N4447/1N916A | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 2 |
1N4448/1N914B | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 4 |
1N4449/1N916B | 75 | 0.025 | 100 | 150 | 1 | DO-35 | 4 | 2 |
3、超高速开关二极管
最常用的超高速开关二极管是采用表面封装的RLS系列和采用含铅塑料封装的1SS系列,主要规格参数如下:
系列 | 包装 | 反向恢复时间(以 ns 为单位) | V 中的正向压降 | V 中的反向击穿电压 | 最大反向工作电压(V) | 正向电流 (mA) | 反向电流uA | pF中的零偏置电容 |
1SS92 | DO-35 | 2 | 1 | 75 | 65 | 200 | 0.5 | 3 |
1SS93 | DO-35 | 2 | 1 | 55 | 50 | 200 | 0.5 | 3 |
1SS136 | DO-34 | 2 | 1 | 75 | 65 | 200 | 0.5 | 3 |
1SS137 | DO-34 | 2 | 1 | 55 | 50 | 200 | 0.5 | 3 |
RLS92 | LL-34 | 2 | 1 | 75 | 65 | 200 | 0.5 | 3 |
RLS93 | LL-34 | 2 | 1 | 55 | 50 | 200 | 0.5 | 3 |
4、低功率开关二极管
低功率开关二极管功耗较低,但是与高速开关二极管相比,它们的反向恢复时间和零偏置电容值较低,最常用的低功率开关二极管是采用含铅塑料封装的1SS系列和采用表面封装的RLS系列。
5、硅电压开关二极管
这是一种新型半导体器件,分为单向电压和双向电压开关二极管。这些类型的二极管适用于不同的电路,如过压保护、触发器、高压输出、脉冲发生器、电子开关、延迟等。
单向电压开关二极管也称为转向二极管,它包括硅半导体材料和四层PnPN 结构,正负方向切换特性不一样。双向电压开关二极管包括五层NPnPN 硅半导体材料,其正向和反向的负电阻开关特性相似。
系列 | 浪涌电流A | 保持电流 (mA) | 以V为单位的转向电压 | 以mA为单位的开启电流 | V中的阶段电压 | A中的阶段电流 |
K130(单向) | 10 | 100 | 120-140 | 0.2 | 1.5 | 1 |
2CTK(双向) | 20 | 100 | 80-300 | 0.2 | 1.5 | 1 |
开关二极管的优势
开关二极管的优点主要包括以下几方面内容:
- 切换速度快
- 尺寸小
- 使用寿命长
- 高可靠性
- 更好的性能
- 噪音更小
- 恢复时间快
- 能够在恶劣的环境中运行。
- 适用于高达100mA的小信号切换
开关二极管主要应用
开关二极管的应用主要包括以下几点内容:
总结
以上就是关于开关二极管基础知识及工作原理的内容介绍。不难看出,开关二极管主要用于分立系统,并在开关配置中运行。
当然,根据应用的不同,开关二极管还可用作简单的整流二极管、检测二极管或瞬态电压抑制器。