硬件工程师必须了解二极管应用的电路
二极管是一种电子器件,由半导体材料制成,具有两个电极(即正极和负极)。它是一种非线性组件,可以实现电流的单向导通。
二极管有许多用途,包括整流、开关、放大等。在电路中,二极管通常用于将交流信号转换为直流信号,或者用于保护其他组件免受反向电压的损害。
70年代北京电子厂生产的二极管
1.续流二极管的另一种用法
另外一般也主要利用续流二极管用作抑制瞬态。当流经一个电感器件的电流被突然关断时,根据电磁理论,突然消失的磁场将会在电感线圈上产生一个高电压脉冲,这个高电压脉冲瞬态幅值或许可以达到几千伏,这对系统来说是灾难,并且尤其在继电器线圈中更为常见。此时,工程上常见的做法是用一个续流二极管并联在继电器线圈的两端,以便给高压脉冲提供一个短路通道来保护系统,通过续流二极管的泄放通道保护继电器,器件选取上,需要具有足够的功率。
图1 续流二极管的作用
上图右侧是续流二极管一个更为实用的例证,通过继电器旁边的二极管保护继电器,放在晶体管旁边的续流二极管则是保护晶体管,避免晶体管在关断时继电器因为磁场感应而被损坏。
2.二极管用作ESD保护(击穿特性)
ESD保护有很多备选器件,通常会采用压敏电阻和瞬态二极管。也就是我们常说的VDR和TVS。这个更多的是一些对外的接口用得多,是选便宜点的压敏电阻还是瞬态二极管,这个需要好好了解下各自的性能。对于同样选择压敏电阻,是抑制瞬态的多还是周期性大信号的多,也是有所不同的。这里多说一点,做开发和做产品最大的不同,就是产品对于空间和成本的要求了,尤其对于追求极致的移动设备。或许,可以慢慢认为ESD的保护可以看作是续流二极管用作抑制瞬态的一种变种用法,作为硬件工程师,多多思考往往可以把知识串起来,也很有趣。
图2 VARISTOR的特性曲线以及作用
USB中由于接口是可热插拔的,所以比较容易因为不可避免的人为因素导致静电损坏器件,比如挂机hang,烧板等,如果cpu的ESD保护比较弱,那么大概率会损坏CPU,实际调试中碰到过类似状况,所以使用USB接口的电路需要加入ESD保护器件,如下图所示,同时不要忽略电源pin上也要有ESD保护器件,并且从成本考虑信号上ESD与电源上ESD一般不是一个型号,大家可以考虑原因。
图3 USB的ESD保护
一般来说,电源线上一般采用工作电压略高于5V的,电容一般为几十甚至100多的压敏电阻连到屏蔽线上。而差分线上因为速率高达480Mbps,此时需要电容很小的ESD器件,才能满足。原因是,较大的电容能使数据信号波形劣化,甚至导致位错误。因此需要电容低的器件,可以通过波形来看电容大小对波形的影响。
图4 不同的电容值对USB信号影响
3.开关二极管
二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以组成各种逻辑电路。
图5 二极管构成开关电路
4.
如果有兴趣,大家可以了解一下PIN二极管,这种二极管主要用作射频和微波的开关。在射频电路中,开关是极为讲究的,需要专门的技术来减少信号的衰减,即使暂时用不到,有时间研究一下也乐在其中。
二极管的微距照片,左端黑色方形物为半导体 Picture from Wi-Ki
5. 总结:
二极管是一种常见的电子组件,具有许多应用。以下是一些关于二极管应用的常见领域和用途:
整流器:二极管可用作整流器,将交流电信号转换为直流电信号。这在电源和电子设备中非常常见。
信号调理:二极管可以用于信号调理电路,如限幅器、削波器和齐纳二极管(Zener diode)稳压器。
光电子学:光二极管(光电二极管)可用于光电传感器、光电开关、光通信和光电显示器等应用。
逻辑门:二极管可以用于构建逻辑门电路,如与门、或门和非门等。
温度传感器:基于二极管的温度传感器可以利用温度对二极管电压的影响。
激光二极管:激光二极管是一种将电能转换为激光光束的器件,广泛应用于激光打印机、光纤通信和医疗设备等领域。
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