开关二极管的工作原理及应用特性

10967 2022-05-05 10:40:44 来源: IC先生作者: IC先生

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。

开关二极管

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。

开关二极管符号

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。

一旦S1开关打开，直流电压就不能提供给开关二极管的正极。此时开关二极管截止，二极管两端电阻偏高。因此，“C2”电容器不能连接到开关电路，因为VD1是开路。在这里，L1和C1并联形成一个LC电路。

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

用于2AK11至2AK14系列开关二极管

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。

低功率开关二极管

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