问题

怎样理解二极管的钳位电路和稳压电路?

回答
好的,我们来聊聊二极管在电子世界里两个特别实用的角色:钳位电路和稳压电路。我会尽量讲得透彻些,让你明明白白,不会有机器生成的生硬感。

二极管的钳位电路:把信号“掐住”,不让它乱跑

想象一下你有个水龙头,你想控制出水的高度,不想让水溅得太高,也不想让它流得太低。钳位电路就像这个水龙头上的“限高器”和“限低器”。它能把一个信号的电压范围限制在一个你想要的范围内,比如,你想让一个信号的最高点永远不会超过5V,最低点不会低于0V,那么钳位电路就能帮你做到。

核心思想:利用二极管的正向导通压降和截止特性。

二极管最基本的特性是:

正向导通: 当加在二极管两端的电压,正极比负极高出一定的电压(通常是硅二极管约0.7V,锗二极管约0.3V),二极管就会导通,电流可以流过。此时,二极管两端的电压大致就等于这个导通压降。
反向截止: 当加在二极管两端的电压,负极比正极高,或者正极比负极高但不到导通压降时,二极管就不导通,几乎没有电流流过。

钳位电路就是巧妙地利用了这两个特性。

常见钳位电路的类型:

1. 负钳位电路(或称零钳位电路):
目标: 让输入信号的最低电压点被限制在某个固定电平(通常是0V,也就是接地)。
电路结构: 一个二极管和一个电阻串联,然后并联到输入信号和输出信号之间。二极管的反向端(负极)接输入信号,正向端(阳极)接电阻,电阻的另一端接输出,同时输出通常也接到一个固定电位(如地)。
工作原理:
当输入信号电压很高时: 比如,你的输入信号是2V到+10V。当输入信号电压上升到0V以上时,二极管开始导通(因为输入端比输出端高)。一旦导通,二极管两端的电压就被锁定在约0.7V(假设是硅二极管)。这意味着输出电压也会被拉高到接近0.7V。
当输入信号电压很低时: 比如,输入信号降到0V以下时,二极管两端的电压差会减小。当输入电压继续下降,直到二极管反向偏置(输入端比输出端低,或者差异小于0.7V)时,二极管就不导通了。此时,输出电压就跟随输入信号的变化。
结果: 无论输入信号多低,一旦它尝试下降到低于约0.7V(这里是近似,实际会受到电阻和输入信号变化速率影响),二极管就会导通,把输出电压“钳住”在约0.7V,而不让它继续往下掉。所以,严格来说,它不是钳在0V,而是钳在二极管的导通电压附近。
更精确的“零钳位”: 如果你想真的把最低点钳在0V,需要引入一个直流电源(或称为偏置电压)。将二极管的阳极接一个电阻,电阻的另一端接一个+0.7V的偏置电压(或者直接接一个二极管串联的输出端,形成一个“二极管参考电压”)。这样,当输入信号低于0V时,二极管正向导通,把输出“拉”到约0V(0.7V减去二极管的导通压降)。当输入信号高于0V时,二极管反向截止,输出电压就跟随输入。

2. 正钳位电路:
目标: 让输入信号的最高电压点被限制在某个固定电平(比如+5V)。
电路结构: 和负钳位类似,但关键在于偏置电压和二极管的连接方式。通常会用一个二极管、一个电阻和一个直流电源组成。例如,将二极管的负极接输入信号,正极接一个电阻,电阻的另一端接+5V的电源。输出就取在这个电阻和二极管连接处。
工作原理:
当输入信号电压很低时: 比如,输入信号是0V到+10V。当输入信号电压低于+5V时,二极管两端的电压差会使二极管反向偏置,不导通。此时,输出电压就跟随输入信号。
当输入信号电压很高时: 当输入信号电压上升到超过+5V(更准确地说,是超过+5V减去二极管导通压降的值),二极管会开始正向导通。一旦导通,二极管就把输出电压“钳住”在约+5V0.7V = +4.3V(再次是近似值)。这意味着,无论输入信号继续往上加,输出电压都不会超过这个被钳住的电平。
总结: 正钳位通过一个比你想要钳位电压稍高(高出约0.7V)的偏置电压,并利用二极管在超过某个电压点时导通的特性,来实现对信号高电平的限制。

钳位电路的应用场景:

保护电路: 防止信号电压过高或过低损坏后续的电子元件。比如,保护单片机的输入端不被过高的电压击穿。
信号整形: 将不规则的信号波形修整成我们需要的形状,比如在模拟信号处理中。
直流偏移: 调整信号的直流分量,使其适合下一级电路的工作。

需要注意的点:

二极管的导通压降(Vf): 这是一个常数,不是0V。所以钳位电压总是有个“偏差”。
电阻的作用: 电阻用来限制流入或流出二极管的电流,防止损坏二极管,并且在信号变化时提供一个输出路径。
偏置电压: 要精确控制钳位电平,引入合适的直流偏置电压是关键。
信号的动态特性: 在高频信号下,二极管的结电容会影响钳位电路的响应速度。



二极管的稳压电路:给电压“设定一个上限”,保持稳定

稳压电路的目标是即使输入电压有波动,或者负载(接在稳压电路后面的用电设备)电流有变化,输出电压也能保持在一个相对恒定的值。二极管本身虽然不能像集成稳压器那样做到非常精确的稳定,但它可以构成一些简易的稳压电路,或者作为更复杂稳压电路的基础元件。

二极管在稳压电路中主要扮演两种角色:

1. 利用齐纳二极管(Zener Diode)的齐纳击穿特性。 这是最常见的二极管稳压方式。
2. 利用普通二极管的导通压降作为参考。 这种方式比较简易,稳定性相对较差。

我们先说最核心的:齐纳二极管稳压电路。

齐纳二极管:特立独行的二极管

普通二极管在反向电压非常高的时候会击穿,而且这种击穿往往是不可逆的,会损坏二极管。但齐纳二极管是专门设计用来在反向击穿时保持一个相对恒定的电压。这个击穿电压叫做齐纳电压(Vz)。

工作原理: 当施加在齐纳二极管上的反向电压达到其齐纳电压时,即使继续增加反向电压,流过它的反向电流会急剧增大,但其两端的电压基本维持在齐纳电压不变。

齐纳二极管稳压电路的构成和原理:

电路结构: 一个限流电阻(串联在输入电压和齐纳二极管之间),一个齐纳二极管(反向接入),和一个负载电阻(并联在齐纳二极管两端)。
输入电压(Vin)经过限流电阻 R,然后连接到齐纳二极管的负极。
齐纳二极管的正极接地(或者接到一个参考电位)。
负载电阻 RL 也并联在齐纳二极管两端,也就是接在 R 和齐纳二极管负极之间。输出电压(Vout)就是并联部分的电压,也就是齐纳二极管的电压(Vz)。

工作流程:
1. 提供输入电压 Vin: 这个输入电压必须高于齐纳电压 Vz,并且加上限流电阻上的压降后,要大于 Vz。
2. 齐纳二极管工作在反向击穿区: 当 Vin 足够高时,齐纳二极管会进入反向击穿状态,其两端电压稳定在 Vz。
3. 输出电压 Vout = Vz: 由于负载 RL 是并联在齐纳二极管上的,所以输出电压就等于齐纳二极管的电压 Vz。

为什么能稳压?
输入电压 Vin 变化时:
如果 Vin 升高:输入电压升高,流过 R 和齐纳二极管的电流会增加。但齐纳二极管在反向击穿时,其电压 Vz 是恒定的。电阻 R 上的压降会增大(Vin 升高 Vz 升高 = ΔVin,ΔVin / R = ΔI),但输出电压 Vout 依然是 Vz。
如果 Vin 降低:输入电压降低,流过 R 和齐纳二极管的电流会减少。但只要 Vin 仍然大于 Vz(加上 R 上的最小压降),齐纳二极管就会继续工作在齐纳击穿区,保持 Vz 的输出。一旦 Vin 降低到不足以维持齐纳击穿,输出电压就会开始下降。
负载电流 IL 变化时:
如果负载 RL 变小(相当于负载电流 IL 变大):输出电压想要下降。但由于齐纳二极管会吸收更多的电流(总电流 IL 变大 = 齐纳二极管电流变小,或者说,齐纳二极管为了保持 Vz,会主动调整电流),输出电压 Vz 会被维持住。
如果负载 RL 变大(相当于负载电流 IL 变小):输出电压想要升高。但齐纳二极管会吸收更少的电流,一部分电流流向负载,一部分电流依然被齐纳二极管吸收,输出电压 Vz 依然被维持住。

限流电阻 R 的选择至关重要:
上限: R 不能太小,否则当 Vin 很高时,流入齐纳二极管的电流会过大,可能超过齐纳二极管的额定功率,导致其损坏。最大允许电流 Imax = (Vin_max Vz) / R。同时,齐纳二极管也有最大允许功率 Pz_max = Vz Iz_max。所以 R 的最小值可以根据 Imax 来计算:R_min = (Vin_max Vz) / Iz_max。
下限: R 不能太大,否则当 Vin 最低时,流入齐纳二极管的电流可能不足以使它进入齐纳击穿区,或者不足以供给负载的最小电流需求。最小允许电流 Imin 必须大于齐纳二极管的最小稳压电流(Iz_min),并且要能满足负载的最小电流需求。R 的最大值可以根据 Vin_min 来确定:R_max = (Vin_min Vz) / (Iz_min + IL_min)。

简易稳压电路(利用普通二极管的压降):

这种稳压方式是将多个普通二极管串联起来,利用它们在正向导通时近似恒定的压降(比如0.7V/个)来提供一个相对稳定的基准电压。

电路结构: 一个限流电阻,几个(比如3个)二极管串联,然后接一个负载。
工作原理: 当输入电压升高时,流过二极管的电流增大,但每个二极管的导通电压基本不变。输出电压近似等于 N Vf(N是二极管数量,Vf是单个二极管的导通电压)。
稳压能力: 这种方式的稳压效果远不如齐纳二极管,输出电压会随着输入电压和负载电流的变化而有比较大的波动,只能说是提供一个粗略的基准电压。

二极管稳压电路的应用:

低电流、低精度要求的稳压: 当只需要一个相对稳定的参考电压,并且对稳压精度要求不高时,齐纳稳压电路是一个简单经济的选择。
过压保护: 配合其他元件,也可以构成简单的过压保护电路。
作为基准源: 在一些模拟电路中,齐纳二极管是构建基准电压源的基本单元。

需要注意的点:

温度特性: 齐纳二极管的齐纳电压会随着温度而变化,这会影响稳压精度。
动态阻抗: 齐纳二极管在稳压工作时有一个动态阻抗,这会导致输出电压会随着电流的变化而有微小的变化。
功率限制: 齐纳二极管和限流电阻都有功率限制,需要根据电路的输入电压、输出电压和最大负载电流来正确选择参数。

总的来说,钳位电路是限制电压的范围,让信号不至于超出预设的上下限;而稳压电路则是维持输出电压的稳定,使其不受输入或负载变化的影响。二极管在这两个功能中,无论是作为核心元件还是辅助元件,都扮演着至关重要的角色。

希望这样详细的解释,能够让你对二极管的钳位和稳压电路有更深刻的理解!

网友意见

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这个应该很好理解。

普通硅二极管的正向导通电压降大约是 0.7 伏左右。在这个电压附近,二极管的行为类似一个阻值很低的电阻, 您可以把在路的二极管想象成一个电流源并联一个低阻值的电阻, 或者0.7伏电压源串联一个不大的电阻。


普通硅二极管,从 0伏到 拐点 (KNEE VOLTAGE)的曲线,十分类似一个高阻值电阻。拐点 (KNEE VOLTAGE)以(上)后的曲线,十分类似一个低阻值电阻。

二极管的伏安特性曲线的斜率(电压除以电流)的量纲是欧姆,也就是说单位是欧姆。这也是量纲分析可以帮助理解物理现象的一个例子。 当然, 也可以反过来理解, 电流除以电压,单位是西门子, 也就是电导。 电导和电阻是同一个现象的不同观测角度得到的数学表示。

普通硅二极管,如果信号源的内阻比较大, 那当二极管和放大器(或者设备)的输入端并联的时候, 当信号幅度不超过 0.5 伏的时候, 也就是没到拐点之前, 二极管的行为类似一个比较大的电阻,不会分流太多信号电流。当信号幅度超过 0.7 伏的时候, 也就是过了拐点之后, 二极管的行为类似低阻值的电阻,分流过多的信号电流, 也就是限制了放大器(或者设备)的输入端流入的电流。换言之就是“钳位”的作用。 马桶的 “溢流管”或者 “吸水管”的示意图可以帮助您理解二极管的行为。



如图所示, 两个 1N4148 与 R2 并联, 就可以限制加到 R2 上的电压。 R2 在现实当中 可以是比较昂贵的表头(例如 MF10 万用表的表头), 也可以是其他娇贵的设备。


两个 1N4148 https://www.zhihu.com/video/1425754917336608768



对于齐纳二极管也就是稳压二极管(ZENER DIODE)来说, 同样利用的是伏安特性上的“拐点”。只不过齐纳二极管更有意义的拐点是反向电压达到雪崩点的拐点。

齐纳二极管的构造允许它在反向击穿时吸收比较大的能量, 在伏安特性曲线上的表现就是, 反向电压达到雪崩点后, 齐纳二极管的在路表现类似一个很小的电阻,同样可以有效保护后面的电路。


齐纳二极管的在路表现 https://www.zhihu.com/video/1425756694589169664



当 齐纳二极管用做电压参考或者并联稳压的时候, 实际上还是利用 “钳位”的作用以及雪崩点的附近的电压变动比较小的特点。


LDO 稳压 https://www.zhihu.com/video/1426049094003847168


【未完待续】



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