书摘:齐纳二极管的应用

原创 汽车电子硬件设计 2022-11-24 08:20

1.内容

汽车电子设计专栏---有源器件


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2.目录 


目录

第三部分:有源器件

第一章:二极管

1介绍

2二极管技术规格

2.1二极管电路符号

2.2二极管额定参数

3硅二极管结构

4二极管PN

5二极管偏置

5.1二极管正向偏置

5.2二极管反向偏置

6半导体制造技术

6.1的制备

6.2半导体加工

7肖特基二极管

7.1肖特基二极管技术与结构

7.2肖特基二极管的基本特性

7.3肖特基二极管的优缺点

7.4肖特基二极管的应用

7.5肖特基二极管整流器设计注意事项

8齐纳二极管

8.1齐纳二极管基础知识

8.2齐纳二极管结构

8.3齐纳二极管原理与操作

8.4齐纳二极管的应用

8.5钳位齐纳管

9.激光二极管

9.1激光二极管概述

9.2激光二极管基础知识

9.3激光二极管类型

9.4激光二极管结构

9.5激光二极管操作

9.6控制激光二极管

10隧道二极管

10.1隧道二极管的特性

10.2隧道二极管的应用

10.3隧道二极管的历史

10.4隧道二极管的优点和缺点

11发光二极管

11.1辐射能发射原理

11.2LED中的辐射能发射

11.3电致发光LED

11.4LED的原理图符号

11.5发光二极管操作

11.6电路中的多个LED

11.7用交流电驱动LED

11.8LED的典型规格

11.9LED相较于白炽灯泡的优点

11.10LED的缺点

11.11LED和不同照明的效率和寿命

11.12LED的历史

12光电二极管

12.1光电二极管工作原理

12.2光电二极管结构

12.3光电二极管操作

12.4光电二极管材料

13变容二极管或变容二极管

14快速二极管

14.1阶跃恢复二极管结构

14.2阶跃恢复二极管操作

15PIN二极管

15.1PIN二极管结构

15.2PIN二极管特性

15.3PIN二极管用途及优点

15.3PIN二极管特性

15.4总结

16崩越二极管

17甘恩二极管

18肖克利二极管

19恒流二极管

20碳化硅二极管

21聚合物二极管

22PIN光电二极管

第二章:晶闸管和双向可控硅

1.晶闸管

1.1晶闸管应用

1.2晶闸管发现

1.3晶闸管工作原理

1.4晶闸管符号和基础知识

1.5晶闸管电路和设计注意事项

1.6晶闸管规格

1.7其他类型的晶闸管或可控硅

2.晶闸管结构与制造

2.1晶闸管/可控硅基本结构

2.2晶闸管/可控硅材料

2.3晶闸管半导体结构和制造

2.4非对称晶闸管/可控硅结构

3.晶闸管/可控硅工作原理

3.1晶闸管操作:基础知识

3.2晶闸管/可控硅的基本结构

3.3晶闸管的等效电路

4.栅极关断晶闸管

4.1栅极关断晶闸管

4.2栅极可关断晶闸管结构

4.3栅极关断晶闸管操作

5.三端双向可控硅

5.1双向可控硅基础知识

5.2三端双向可控硅符号

5.3三端双向可控硅开关工作原理

5.4双向可控硅应用

5.5使用三端双向可控硅开关

5.6双向可控硅电路示例

5.7双向可控硅电路和设计注意事项:

5.8三端双向可控硅规格

5.9.了解Triac规格和数据表参数

6.双向开关二极管操作应用电路

6.1双向开关二极管符号

6.2双向开关二极管操作

6.3双向可控硅结构

6.4 DIAC应用

7.晶闸管和双向可控硅

7.1晶闸管与双向可控硅

7.2触发特征

7.3误触发

7.4导通

7.5开启

4.2.7缓冲

第三章:双极晶体管

1.双极晶体管

2晶体管制造过程

2.1合金扩散晶体管

2.2硅平面晶体管

3双极结型晶体管(BJT)的工作原理

3.1掺杂

3.2BJT层

3.3双极晶体管包含两种类型的半导体材料

4双极结型晶体管(BJT)作为开关

4.1使用BJT作为开关:示例

4.2截止与饱和晶体管

4.3用晶体管来控制电流

4.4太阳能电池用作光传感器

5电流增益

5.1BJT传输特性

5.2BJT输入特性

5.3BJT输出特性

5.4BJT互感特性

第四章:结型场效应晶体管

1场效应晶体管

2.JFET的结构

3结型场效应晶体管的种类

3.1N沟道JFET

3.2P沟道JFET

4.JFET结构

5.夹断电压

6JFET的VI特性曲线

7跨导方程

8总结

第五章:场效应晶体管MOSFET

1.MOSFET类型

1.1N沟道MOSFET

1.2P沟道MOSFET

2低功率MOSFET

3功率MOSFET

4栅极驱动阻抗

5开关速度

6导通电阻

7.功率MOSFET基础知识

第六章:IGBT

1.IGBT绝缘栅双极晶体管

2.IGBT的历史与发展

3.IGBT,绝缘栅双极晶体管基础知识

3.1IGBT电路符号

3.2IGBT物理结构

4.IGBT的优缺点

4.1IGBT的优点

4.2IGBT的缺点

4.3IGBT的总结

5.IGBT应用

6.IGBT类型

7.IGBTVI特性

8.IGBT 封装

9.IGBT工作原理




3.《汽车电子设计---有源器件》

电子书自序   

书籍封面  

电子书书摘

汽车电子设计专栏---有源器件篇

实用的齐纳二极管可能使用齐纳效应或雪崩效应,在某些二极管中,这两种效应也可能同时发生,但通常的做法是将所有这些二极管都称为齐纳二极管。齐纳效应和雪崩效应也在某种程度上取决于二极管的结温。然而,虽然纯齐纳二极管中的电流具有负温度系数,即电流随温度升高而降低,但在使用雪崩效应的二极管中会出现相反的效应。因此,可以制造同时使用这两种效应的齐纳二极管,因此这些温度效应往往会相互抵消,从而生产出由于温度而具有非常小的电流变化的二极管。

齐纳二极管广泛用于电源电路,用于稳压和过压保护,通过适当选择硅中的尺寸和杂质,可以控制发生反向击穿的电压。二极管V/I曲线的斜率在该区域变得非常平坦,该零件可以用作稳压器或钳位电路,为此而特性化的零件称为齐纳二极管。击穿电压可以控制在2.4V至数百伏之间,最大为270V。在正向方向,齐纳二极管的功能就像普通的硅二极管一样,具有更高的VF和很好VF/IF特性。

就像其它零件一样,齐纳管也不是完美的。其斜率电阻不为零,其击穿拐点不是很陡峭其低于击穿电压有漏电流,击穿电压具有公差和温度系数。图4.8演示了这些特性

斜率电阻

齐纳二极管提供一个已知的电压,该电压始终在给定的反向电流IZ下定义。在此电流下,它将在指定的公差范围内,但其它电流下,它将有所不同,该差异是齐纳斜率电阻Rz)的函数。实际的工作电压范围可以通过将(IZ)Rz加到参考的电压范围,其中I是工作电流,IZ是引用齐纳电压的电流。

 

4.8齐纳反向击穿电压-电流特性

在一定的IZ范围内(可以从公布的曲线确定)Rz可以认为是线性的。随着电流的减小,特性接近曲线的“拐点”,Rz急剧增加。意在“拐点电压”上操作齐纳二极管几乎没有意义实际的拐点电压取决于类型和电流,但很少小于几百微安。因此,齐纳二极管在微功率或高阻抗电路中用处不大。对于低电流的并联稳压器应用,基于带隙基准零件的电路(请参见第5.4.2节)是可取的。

在典型的并联稳压器电路(4.9)中,电压调节与Rz直接相关。显然,Rz越低越好。斜率电阻在6.8V左右降至最低,并在更大或更小的电压下明显增加。较低电压的齐纳二极管的斜率电阻比中间范围的电阻高得多(4.9)。低于5V高于100V,单个稳压二极管就显示很差的稳压结果。因此,如果需要高压齐纳二极管,则可以通过串联两个或多个低压器件来获得所需的电压,从而获得更好的性能。

4.9并联稳压器的调节

 

图:基本电压基准齐纳二极管电路

提供参考电压的简单齐纳二极管电路

最基本的齐纳二极管电路由一个齐纳二极管和一个电阻组成。齐纳二极管提供参考电压,但必须有一个串联电阻来限制流入二极管的电流,否则大量电流会流过它并可能被破坏。

应计算齐纳二极管电路中的电阻值,以给出所用电源电压所需的电流值。通常,大多数低功率引线齐纳二极管的最大功耗为 400 mW。理想情况下,电路的耗散量应小于该值的一半,但要正确运行,流入齐纳二极管的电流不应低于约 5 mA,否则它们不能正确调节。

 

图:基本电压基准齐纳二极管电路

电路设计实例

以齐纳二极管电路用于从 12V的输入电压供应消耗2mA的稳压 5.1V轨的情况为例。以下简单步骤可用于计算所需的电阻:

计算串联电阻两端的电压差

12 - 5.1 = 6.9V

确定电阻电流。选择这个为 15 mA。对于负载电流的某些变化,这将允许在最小齐纳二极管电流之上有足够的余量。

检查齐纳二极管的功耗。在 15 mA 的电流和功耗上的电压为:

15 mA x 5.1 V = 76.5 mW

这正好在二极管的最大限制范围内

确定通过串联电阻的电流。这是齐纳二极管的 15 mA 加上负载的 2 mA,即 17 mA。

确定串联电阻的值。使用欧姆定律,这可以从其两端的电压降和通过它的总电流计算得出:

6.9 / 17 mA = 0.405 kΩ

最接近的值为 390 Ω

确定串联电阻的功率。这可以使用通过电阻器的电流值和之前计算的电阻器两端的电压来确定:

V x I = 6.9V x 17mA = 117mW

电阻器需要能够散发这种水平的热量。四分之一瓦的电阻器应该足够了。

这种简单的齐纳二极管电路被广泛用作提供电压基准的简单方法。

电流

在拐点下方,当反向电压不足以击穿时,仍有一些电流流。这是由于以与传统二极管相同的方式且具有相同的温度依赖性而引起的泄漏电流。通常规定齐纳二极管在低于击穿电压的某个电压下的泄漏量要少20%至30%。当将齐纳管用作钳位器时,这是一个重要的限制即零件的正常工作电压小于击穿电压。典型的应用是保护电路输入免受瞬态或连续过电压的影响对电路输入端瞬变或过压的保护

温度系数

像所有零件一样,齐纳二极管的击穿电压也具有温度系数。但是齐纳温度系数比平常要微得多。实际上,硅有两种反向击穿机制。低电压和非常薄的结势垒时,电子隧道是主要机制,而较高电压和较厚势垒时,雪崩击穿主要机理。根据所需的电压,一种机制或另一种机制将占主导地位,并且交越点约为5V。实际意义是两种机制的温度系数相反。它们也是斜率电阻急剧变化的原因。最小温度系数的最佳齐纳电压在4.7V至5.6V之间,并且在可以选择调节电压的情况下,如果温度系数很重要,则最好选择这些区间值。

4.10中显示的曲线图说明了BZX79系列齐纳二极管的温度系数和斜率电阻变化。由于这些特性取决于齐纳效应的基本物理原理,因此其它制造商的产品将表现出相似的性能。

 


4.10BZX79系列的齐纳斜率电阻和温度系数-齐纳电压可换ONSEMI

精密齐纳管

该过程的另一个有趣的现象是,击穿电压约为5.6~5.9V的零件的温度系数约为2mV/,这平衡了常规正向偏置硅结的温度系数。通过将两者串联,可以创建一个温度系数几乎为零的齐纳二极管,其有效击穿电压在6.2V至6.4V之间(正向电压加反向电压)。这些零件可以作为“精密参考二极管”(1N821系列是最常见的示例),其温度系数和公差经过严格调整,可用作电压基准。它们很昂贵,性能价格成正比。通过将两个7.5V齐纳管串联,可以在8.4V左右获得类似的效果,该齐纳管的正温度系数为4mV/。这些零件在性能和价格方面直接与带隙基准源的集成电路竞争。通常,由于其较低的斜率电阻,较低的工作电流和更可调节电压,所以能带隙基准源胜出。

齐纳噪声

从电气上来讲,齐纳击穿的另一个特征是它是一个电子噪声。实际上,以恒定电流工作,交流耦合和放大的齐纳二极管是宽带白噪声的良好来源,可用于校准和测量目的。齐纳二极管通常没有噪声输出的特征,因此很难在其上进行生产设计,但是可以通过单个偏置来使用。噪声在稳压器应用中通常不是问题,因为它比直流齐纳电压低许多个数量级,并且可以通过添加并联去耦电容器来消除。如果由于无意或由于需要快速响应而省略了电容器,则齐纳噪声对于精密基准而言可能就显得很明显和不能忽视





汽车电子设计专栏介绍

汽车电子工程知识体系简介

近年来,汽车电子占整车价值的比重越来越高,由2000年的15%到2020年的50%,同时,电子控制越发复杂化,各种功能并不是独立运转,而是与其他系统相互配合,因此电子模块的标准化和可复用性越发重要。今后,这种发展趋势必将越发明显。但是,现在的系统功能极其复杂,单一技术人员难以详细掌握所有的电子模块,全面理解汽车电子技术更是不容易。因此,作者深感行业之痛,不以为陋,自高奋勇将汽车电子工程知识体系及其中使用的重要技术编辑成书,旨在帮助技术人员分类学习汽车电子工程知识,掌握重要技术的原理,全面理解电子系统,并思考今后发展的趋势及技术方法。

内容简介

  汽车电子可以涵盖很多主题,可以任选几个主题进行杂揉,但作者没有选这条路,因为作者知道万变不离其宗。因此作者直取本源,《汽车电子硬件设计(电路篇)》直接将汽车电子控制器(ECU)分解为通用电子模块电路,详细解析了过压保护模块电路、防反模块电路、电源监控电路、CAN模块电路、LIN模块电路和和电源模块电路、输入/输出处理电路和主控单元模块等模块,通过大量的插图和数据表,叙述简明扼要,内容丰富详细,专业性强。

同时,作者还规划了《汽车电子硬件设计(电路篇)》的姊妹篇《汽车电子硬件设计(器件篇)》和《汽车电子硬件设计(线路篇)》。《汽车电子硬件设计(器件篇)》主要介绍汽车电子中的常用器件,如:连接器,继电器,电阻,电容,模拟芯片,数字芯片,收发器等的设计要点和注意事项,以及原理和工艺。《汽车电子硬件设计(线路篇)》主要介绍汽车电子中原理图设计,PCB设计,可制造性设计,可测试性设计等。

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