二极管的基本工作原理

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二极管的基本工作原理范文第1篇

题目电器中常用到整流桥堆，经查资料可知其内部结构如图1所示.某课外活动小组的同学设计了如下实验来测量桥堆1、3两脚间的阻值.他们选用的器材有：

电源E(电动势约为12.0 V，具有一定的内阻)

电流表A(量程为0.6 A，内阻r1约0.5 Ω)

电压表V(量程为10 V，内阻r2约10 kΩ)

滑动变阻器R(最大阻值约为10 Ω、额定电流为2 A)

多用电表；单刀单掷开关及导线

(1)他们首先使用多用电表粗测桥堆1、3两脚间的阻值，请补充完成如下实验操作过程：

①将红、黑表笔分别插入多用电表的“+、-”插孔，选择电阻档“×10”.

②.

③把红、黑表笔分别与桥堆的脚1、脚3相接，多用电表的示数如图2所示.

④为了较好估测阻值，应换用(填“×1”或“×100”)的倍率重新进行测量.

(2)略.

教学之余，找来整流桥堆(二极管为1N4007型)，正确使用多用电表测1、3两脚间电阻，“×1”档读数34 Ω；“×10”档读数260 Ω；“×100”档读数1700 Ω，发现倍率不同测值不同.倍率不同测值不同，何谈粗测、换挡调零再测，所以笔者认为本题设计有误，没考虑二极管的实际情况.那为什么会出现倍率不同电阻不同的现象呢？究其原因有两个方面：一与二极管的非线性有关；二与欧姆表的工作原理有关，下面就从这两个方面加以分析.

1二极管的伏安特性曲线

利用伏安法(分压外接)，得到如表1的实验数据，描绘出二极管(1N4007型)的正向伏安特性曲线，即I-U图象如图3中的图线a.由图线得出，不同电压、电流条件下，二极管的电阻不同.

表1

序号123456

U/V00.100.300.500.600.70

I/mA0000832

序号789101112

U/V0.750.800.850.900.951.00

I/mA5290200350480620

2欧姆表的工作原理

2.1欧姆表的测量原理

欧姆表的测量原理是闭合电路欧姆定律，其内部结构如图4所示，其中G为灵敏电流表，满偏电流Ig，电阻Rg，电源电动势E，内阻r，调零电阻R0.当红、黑表笔间接电阻Rx时，通过电流表的电流

I=ERg+r+R0+Rx=ER中+Rx

(R中=Rg+r+R0),

每一个Rx对应一个电流I，在刻度盘上标出与I对应的Rx的值，这样即可读出待测电阻的阻值.

2.2欧姆表的换挡原理

上式变形得

Rx=EI-R中=IgR中I-R中=(IgI-1)R中,

可见，要改变倍率必须改变中值电阻.拆分测量时用的多用电表，如图5所示，对线路板的正反面进行观察和研究，确定了欧姆表各倍率的基本结构原理如表2所示，以×100、×10、×1为例(表头并联电阻改变中值电阻来实现换挡)：

表2

选用测量时用的欧姆表，经与微安表串联测出表头的满偏电流为Ig=375 μA；用“半偏法”测出内电阻Rg=300 Ω(以上两种测量电路图略).

二极管的基本工作原理范文第2篇

关键词：集成电路版图；CD4002B；芯片解析

作者简介：王健（1965-），男，辽宁沈阳人，沈阳化工大学信息工程学院，副教授；樊立萍（1966-），女，山东淄博人，沈阳化工大学信息工程学院，教授。（辽宁　沈阳　110142）

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）31-0050-02

“集成电路版图设计”是一门讲授集成电路版图版图工作原理、设计方法和计算机实现的课程，是电子科学与技术专业及相关电类专业课程体系中一门重要的专业课。[1]该课程一般以“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”和“半导体器件”为先修课程，主要讲授集成电路双极工艺和CMOS工艺的基本流程、版图基本单元的工作原理和结构特点，以及布局布线的设计方法。[2]其目的是指导学生掌握集成电路版图分析与设计技术，提高学生实践能力和综合解决问题的能力。由于集成电路芯片外层有封装，学生在学习该课程前对版图无直观认识，很多版图设计教材是先讲授工艺流程，然后讲授单元版图，最后论述布局布线等内容，这样教学有悖于从感性到理性的认知过程，有碍教学效果。[3]有的教材在版图解析方面做了有益尝试，但由于当时技术条件限制，采用绘制图代替芯片解析照片，实践性欠佳。为了在有限的学时中能够尽快引导学生入门，在版图解析与设计两个方面的能力都有所提高，笔者将芯片CD4002B解析并应用到“集成电路版图设计”课程教学实践中，效果良好。

一、版图逆向解析

集成电路的设计包括逻辑（或功能）设计、电路设计、版图设计和工艺设计。通常有两种设计途径：正向设计、逆向设计。[2]

逆向设计的作用为仿制和获得先进的集成电路设计。逆向设计的流程为：提取横向尺寸，提取纵向尺寸和测试产品的电学参数。[2]

对于本科电子科学与技术专业教学，版图的逆向设计主要是提取芯片的横向尺寸。提取芯片横向尺寸方法为：打开封装，进行拍照、拼图；由产品的复合版图提取电路图、器件尺寸和设计规则；进行电路模拟和画版图。

二、CD4002B版图解析

CD4002B是两个四输入或非门芯片，封装为双列14针塑料封装，根据芯片编号规则判断为CMOS工艺制造。该电路具有器件类型全面、电路典型的特点，适用于教学实践。

1.CD4002B芯片版图拍照

首先将芯片放到浓硝酸中加热，去掉封装，用去离子水冲洗、吹干后在显微镜下拍照铝层照片。再将芯片放到盐酸溶液中漂洗去掉铝层，用去离子水冲洗、吹干后放到氢氟酸溶液中去掉二氧化硅层，经去离子水冲洗、吹干后用染色剂染色，杂质浓度高部分颜色变深，冲洗、吹干后在显微镜下对无铝层（有源层）芯片拍照。

采用图形编辑软件分别对两层照片进行拼接，获得版图照片。

2.芯片版图分析

通过对CD4002B两层（铝层和有源层）照片进行分析研究表明：解析的芯片为是一层铝，且铝栅极，P阱工艺。该芯片铝线宽度最小为9微米，栅极宽度为6微米。芯片包含的单元为NMOS、PMOS、反相器、四输入与非门、电阻、二极管等。

该芯片由两个四输入或非门组成，其中一个或非门电路图如图1所示，其中9、10、11、12管脚为输入端，14管脚为电源端，13管脚为输出端和7管脚为地端。四个输入端首先分别经过一个反相器，然后接入一个四输入与非门，最后经过一个反相器输出。逻辑关系经过推导和仿真验证为或非门关系。

为了实现静电保护，在输入、输出和电源端分别构造静电保护。输入端静电保护电路由四个二极管和一个限流电阻构成；输出端静电保护电路由二个二极管和一个限流电阻构成；电源端静电保护电路由一个二极管构成。

下面以芯片中四输入与非门版图和输入静电保护电路说明版图特点。

该芯片的四输入与非门版图如图2所示。N14、N15、N16、N17为NMOS管，共用一个P阱，从铝层分析四个NMOS管为串联关系。为了节省面积，相邻器件源极和漏极共用，即上一个管子源极是邻近管子漏极；P14、P15、P16、P17为PMOS管，从铝层分析四个NMOS管为并联关系，四个器件源极相连和漏极相连，提取的电路图见图1。

该芯片的输入管脚都有静电保护电路，如图3所示。其中D5-1、D5-2为两个以P阱为P区的二极管，该管N区接输入端，P区接地；R5为基区电阻；D5-3、D5-4为以基区电阻为P区，衬底为N区的二极管，其中P区接电阻，N区接电源。提取的电路图见图1。

三、课程教学改革

1.教学大纲的改革

本科生教学既要注重实践教学又要兼顾理论教学，不仅要掌握单元的版图设计和软件使用，还应该掌握版图结构原理。为此确立该课程的基本目标为：电路的分析及应用，能够读懂电路的线路图，并能进行正确分析；版图识读和常见基本器件的版图设计；布局布线与验证修改；[4]掌握版图的失效机理，并能掌握特殊器件版图的设计方法。

根据电子科学与技术的课程体系，参考几种教材制定了特色显著的教学大纲。该大纲主要内容包括：模拟和数字集成电路基本单元电路和工作原理；双极工艺、CMOS工艺和BICMOS工艺的介绍；集成电路的失效机理和防护措施；三种工艺的中的NPN和PNP晶体管、NMOS和PMOS晶体管、电阻、电容和电感等器件的版图和工作原理；特殊器件的版图及工作原理；[5]版图布局、布线和标准单元设计的基本规则；逆向版图的识别方法；[2]集成电路设计软件的使用方法。[6]

二极管的基本工作原理范文第3篇

[关键词]全桥变换器；电压

中图分类号：TG37 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0045-01

1、全桥变换器的基本结构

全桥变换器是由基本的Buck电路演变得来的，本质上是Buck类隔离变换器。Buck变换器引入一个变压器得到单管正激变换器；用两只开关管替代单管正激变换器的一只开关管得到双管正激变换器；全桥变换器可看成由两个双管正激变换器交错并联而成，并且两个变压器要共用一副磁芯，可以通过共用一个原边绕组实现；如上图，Q1-Q4为开关管、D1-D4为二极管、Lr谐振电感、、为输出整流二极管、Lf为输出滤波电感、Cf为输出滤波电容。

2、全桥变换器的基本工作原理

全桥变换器的控制方式有双极性控制、有限单极性控制和移相控制方式；本文采用移相控制方式，在该方式中，每个桥臂中的两只开关管都是180°互补导通，且两个桥臂的开关信号间存在一个相移，可通过控制此相移来控制输出电压脉宽大小，进而控制输出电压。

全桥变换器工作时，斜对角两只开关管为同时导通，主要波形如下：

当斜对角开关管Q1和Q4同时导通时，如图，移相全桥中点间电压为vAB，即变压器原边电压，为Vin；此时副边整流二极管Dr1会导通，且整流后的电压为（K是变压器原副边匝数比）；输出滤波电感Lf端电压为，其内电流iLf是线性增加的；那么原边电流，也线性增加，流过Q1和Q4。

当Q2和Q3管同时导通时，变压器原边电压，此时副边整流二极管Dr2导通，整流后电压，Lf电流线性增加。

当四只开关管都关断时，则原边电流ip变为零，滤波电流iLf将经两只整流二极管续流，此时两只整流二极管各流过滤波电流的一半，亦即。因为两只整流二极管都导通，变压器两个副边电压均为零，此时加在Lf上的电压为-Vo；这个负电压使滤波电流iLf线性下降。

3、移相全桥变换器的工作原理

传统的全桥PWM变换器适用于输出低电压大功率，以及电源电压和负载电流变化大的场合。为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需提高开关频率f。将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM控制方案，既能实现功率开关的软开关特点，又能实现恒频控制。在DC/DC变换器中多采用全桥移相控制软开关PWM变换器，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，在中、大功率变换器应用场合。用软开关技术实现的DC/DC变换器其效率可达90%以上。移相控制零电压开关PWM变换器（ZVS-PWM Converter）利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外接电容来实现零电压开关。每个桥臂的两个功率管成180°互补导通，两个桥臂的导通角各相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。

主要波形

一个开关周期中，移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器有12种开关模态。

4、Saber软件介绍

电力电子系统的计算机仿真已经成为其产品设计研发过程中一个很重要的环节，Matlab和Saber是目前使用最多的电力电子仿真软件。与Matlab相比Saber由其较为突出的优点软件相比其仿真速度快、收敛性好、仿真结果的准确性高。本文使用Saber仿真软件对移相全桥DC/DC变换器与零电压变换器进行了分析和验证。在此就不对Saber软件进行详细介绍了。

二极管的基本工作原理范文第4篇

关键词 100KW发射机 栅流传感器 工作原理 参数调整

中图分类号：TN934.1 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.07.073

Principle and Parameter Adjustment Shortwave

Radio Transmitter Gate Current Sensor

LI Aimin

（State Press and Publication Administration of Radio 572 Station， Beijing 101109）

Abstract This paper describes the high end of the tube shortwave radio transmitter gate gate circuit flow sensor works， a typical high-end gate 100KwPSM shortwave transmitter circuits are analyzed， in high-end broadcast transmitter signal grid current size detection methods discussed and while the gate flow sensor in the transmitter control system plays an important role， for emergency gate flow sensor in practice， when the fault occurred are discussed.

Key words 100 KW transmitter; grid current sensor; working principle; parameter adjustment

100Kw PSM短波发射机高末栅流传感器，是检测高末栅流信号大小的一种传感器件。在电子管放大电路中，由于电子管是抽真空的，当电子管加灯丝后，灯丝随温升高将以辐射热的方式传导至阴极金属板上，等到阴极金属板温度达到电子游离的温度时，电子就会从金属板飞奔而出，此时电子是带负电的，当屏极加上正电压时，电子就会受到吸引朝屏极金属板飞过去，穿过栅极而形成一个电子流;而栅极此时犹如一个开关，当栅极不带电时，电子流会稳定的穿过栅极到达屏极，当在栅极上加入正电压，对于电子是吸引作用，可以增强电子流动的速度与动力;反之在栅极上加入负电压，同性相斥的原理电子必须绕道才能到达屏极，若栅极的结构庞大，则电子流有可能全数被阻隔。栅流传感器就是当输入讯号连接在栅极上，加入适当的偏压，利用栅极控制电子流的流量达到控制讯号放大的目的。这也就是栅流传感器在发射机控制系统中所起的重要作用。

1 栅流传感器的工作原理

栅流传感器是通过控制栅流大小来控制输出讯号放大的，在DF100KwPSM短波发射机高末电路中栅流传感器如图1所示。当电路中三极管Q1、Q2、Q3工作在截止区或饱和区，相当于开关管使用，TB1-2接入的是高末栅流取样信号、TB1-3端子接地，相当于信号输入端，TB1-1、TB1-4端相当于信号的输出端，TB1-1端子接的是1PS2电源输出的+24V端，TB1-4端接到九单元的调制控制器，控制联锁5灯回路。CR1、CR2串联使用，相当于钳位二极管，把CR1的正端钳位在1.4V，这个电压经过R5加到Q2的基极，Q2的基极另一路来电是由高末栅流提供的，由于高末偏压是负电，因此来自TB1-2端的电也是负电。

在此，先以R13全部用上为例进行讨论。1PS2通过TB1-1端子提供一个+24V高电压。此电压经R6、R3、CR1和CR2回地构成一个通路，由于CR1和CR2的钳位作用，使CR1正端电位为1.4V，假定现在高末栅流为0，1.4V电压经过R5、R11、R12、R13构成的回路，使得Q2的基极电压为0.87V（在R13未用电阻为0时，Q2的基极电压为0.82V），由于CR3此时不导通，相当于开路，这个电压全供给Q2的基极，使Q2饱和导通。既构成如图2所示的共射极放大的输出特性曲线。

从共射放大输出特性曲线可知，VCE较小，且VCE

图2 共射放大输出特性曲线

2 栅流传感器调整、检测以及模拟平台

前面已经介绍了栅流传感器的原理和在发射机高末放大电路中所起的作用。如何将栅流调整在最佳位置是值机人员的基本功，也是保障发射机稳定运行的前提。为了便于对栅流大小的检测与调整，实际工作中我们设计安装制作了如图3所示，供专门检测、调整栅流传感器的模拟台，下面就模拟台的原理及具体调整过程进行论述。

2.1 栅流传感器调整过程

由图3电路分析可知，在调试发射机时，栅流起限点通常都设置在0.3A-0.2A，在发射机刚开启时栅流大于0.3A联锁5灯亮，调制器工作，发射机可正常工作，栅流小于0.3A联锁5灯不亮，调制器不工作，发射机不能正常工作。基于调机指标，我们将栅流传感器工作点设定在0.3A。图中Vcc-5V电源、R4、R5通路模拟发射机高末栅流的变化，并将模拟的高末栅流信号送到比较器U1的2端和5端;Vcc-5V电源、R6、R7、R8、R9、R10、R11通路给比较器提供一个固定的比较电压，此时比较器U1的3端电压应该为-3V，比较器U1的6端电压为-2.5V;R1、DS1（绿发光二极管）模拟联锁5灯。

2.2 栅流传感器的检测

检测栅流传感器时，先按图3原理图把线路接好，将栅流传感器上的R13逆时针旋转到头，接通电源调R4，使得DS1、DS2、DS3处于熄灭状态，并也将R4顺着这个方向旋转到头，再反方向慢慢旋转R4， R5两端得到的电压可模拟高末栅流从0A开始的缓慢变化过程，R5两端的电压与高末栅流的关系是除10关系，即电压-1V高末栅流0.1A。R5两端的电压为-1V时，比较器U1A的2脚电压为-1V， 3脚电压固定在-3V，反向端电压大于同向端，U1A的1脚输出低电平DS2（红）发光二极管不亮。比较器U1B的5脚电压为-1V，6脚电压固定在-2.5V，同向端电压大于反向端，U1B的7脚输出低电平DS3（黄）发光二极管亮。继续减小R5两端的电压，直到DS3（黄）发光二极管灭，DS2（红）发光二极管亮，从电路图中可以得出，这时R5两端的电压为-3V稍高一点，比较器U1A的1脚输出高电平，DS2（红）发光二极管亮，比较器U1B的7脚输出高电平，DS3（黄）发光二极管灭。这时再调整栅流传感器的电位器R13，顺时针慢慢旋转，直到DS1（绿）发光二极管亮为止。继续按照刚才旋转R4的方向加大模拟栅流的输入值，发光二极管状态应为DS1（绿）亮、DS2（红）亮、DS3（黄）灭;反方向旋转R4的方向减小模拟栅流的输入值，发光二极管状态应有如下变化DS1（绿）亮、DS2（红）亮、DS3（黄）灭――DS1（绿）亮、DS2（红）灭、DS3（黄）灭――DS1（绿）灭、DS2（红）灭、DS3（黄）亮，只有通过以上种种检验现象完全对应的，栅流传感器板才算设定好，检验合格。图4显示了栅流传感器电压输入输出的整个过程。

通过栅流传感器的原理可分析出，这个过程模拟了加高压后，栅流大于0.3A调制器正常工作，慢慢减小栅流小于0.2A时，封锁调制器发射机不能正常工作。为什么会出现这个窄带？由电路原理分析，通过试验证明，是因为栅流传感器上的反馈电阻R10（18K）导致的，改变此电阻的阻值可改变窄带的宽窄，阻值越大，跨度越大;阻值越小，跨度越小，R10为0，既直接跳变。改变可调电阻R13的阻值，可改变栅流的起限点。这两者控制着调制器工作也封锁激励的上下限。

3 栅流传感器典型故障分析与处理

图4 栅传的输出电压特性

由电路原理图分析，引起栅流传感器动作有栅偏压电源IPS5的栅流信号的大小，表现在发射机运行中，高前失谐或高前管发射不足，都将引起栅流传感器1PS5A1动作，1PS2的+24V无法加到调制器，引起封锁调制器;栅流传感器板线路本身发生故障24V电压送不到9A5板上，也将封锁调制器;一旦调制器封锁发射机也就不能正常工作。

故障现象：高前、高末表值比正常值小很多，高前阴流在>0.3

分析处理：发射机正调谐或更换高前管，栅流传感器损坏须更换。

故障现象：发射机运行中高前阴流，高末栅流正常，末级无表值，无功率输出，9A5板上联锁5灯不亮，封锁调制器。

分析处理：更换栅流传感器，紧急情况下可以甩开栅流传感器（1PS5A1 TB1-1、4挑开），用短路线将1PS5TB1-4、5两端短路来维持正常播音。

应急处理甩开栅流传感器，是因为若1PS5A1的Q3击穿24伏电直接对地，不甩端子短路根本起不到作用，还会造成判断失误。

4 结语

发射机运维需要坚实的理论知识和丰富的实践经验，而知识经验必须经过勤奋学习、刻苦钻研、不断积累。以上对广播发射机栅流传感器的讨论仅仅是发射机运维冰山一角。通过上述对栅流传感器工作原理和作用的分析了解，使我们认识到定期对栅流传感器进行检测的重要性和必要性，只有辛勤努力，精心运维，才能保证栅流传感器正常工作，才能发挥它在发射机连锁控制中的应有作用。希望本文通过对发射机栅流传感器原理，工作过程，模拟平台的介绍以及探析，对同行起到抛砖引玉的作用。

参考文献

[1] 王丽著.模拟电子线路.人民邮电出版社，2010.

[2] 张学田.广播电视技术手册第6分册发射技术.国防工业出版社，2000.

[3] 翟海光.DF-100A100KW短波发射机PSM控制器功率控制板调压原理及故障分析广播电视技术，2011.2.

二极管的基本工作原理范文第5篇

一、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,即Uo=Um×T1/T式中Um —矩形脉冲最大电压值;

T —矩形脉冲周期;

T1 —矩形脉冲宽度。

从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

2.单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

3.单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

4.自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源

5.推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500W范围内。

6.降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7.升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

8.反转式开关电源

二极管的基本工作原理范文第6篇

关键词：数字电子钟；振荡器；计数器；时序逻辑电路；校正；报时

中图分类号：TP311.52

1数字电子钟概述

数字电子钟的逻辑框图1-1所示。它由555集成芯片构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器组成。555集成芯片构成的振荡电路产生信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“日”、“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。

图1-1数字电子钟的逻辑框图

工作原理：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间表基准，它将时标信号送到分频器，再经过分频器输出标准秒脉冲，即将时标信号分成每秒一次的方波信号。秒信号送入计数器进行计数，秒计数计满60后向分。

2单元模块

2.1电源模块。电源电路如图2-1所示，220V交流电经变压器变为9V交流电，后经整流(全波整流)、滤波(470μF电容)、稳压(W7805)输出+5V直流电。图2-1给出了电源电路。

在变压器次级交流电压 为正半周时，即A为正B为负时，二极管 、 导通， 、 截至。电流流过的路径是：从A点出发，经二极管 、负载，再经 回到B点。如图2-1实线所示。若忽略二极管的正向压降，可以认为 上的电压 ≈ 。

当 为负半周，即A为负B为正时，二极管 、 导通， 、 截至。

图2-1稳压源电路

电流的通路是从B点出发，经 、负载 回到A点。如图2-1中虚线所示。若忽略二极管的正向压降 =- 。

从图上看出，无论 的正、负半周如何变换，流经 的电流方向始终不变，即由CD。四只二极管中对应桥臂上的两只为一组，两组轮流导通。在负载上，即可得到全波脉冲的直流电压和电流。因为这种整流属于全波整流类型。

2.2秒脉冲发生模块。双极型555定时器由电阻分压器、比较器、基本RS触发器、双极型三极管T和输出缓冲器组成，其外部有八个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。如图2-2所示为555定时器引脚图。

图2-2555定时器引脚图

2.3计数模块。74LS161是具有异步清0、置数、计数、保持等功能的4位同步二进制加法计数器，图2-3为其引脚排列和逻辑符号，逻辑功能见表2-1。

图2-374LS161引脚排列和逻辑符号

（1）功能说明。CLR端出现低电平0时，使Qa~Qd直接清0，即与CLK脉冲无关；CLR=1，LOAD=0时，在CLK脉冲下降沿将4位二进制数a~d置入Qa~Qd，称为同步置数；CLR=LOAD=1，在ENT=ENP=1时，对CLK脉冲进行同步加法计数(下降沿翻转)；CLR=LOAD=1、ENT•ENP=0时，计数器数值保持不变；进位输出RCO=ENT•QdQcQbQa。即全为1时有进位(RCO=1)；

74LS161通过CLR和LOAD可以方便的组成小于16的任意进制计数器，按异步清0法将Qd和Qb通过与非门反馈到CLR实现十进制计数。

（2）功能表

表2-174LS161功能表

输入 输出

CLRLOADENPENTCLKAB CD Qa QbQcQd

清0 0XX X X X X X X 0 0 0 0

置数 10X X a b c d a b c d

计数 111 1X X X X 计数

保持 0 X

11X XX X X

X 0 保持

2.4显示模块。74LS248(BCD码七段译码器兼驱动器)其管脚图如下图2-4所示。现将各管脚功能介绍一下：

A、B、C、D是BCD码输入端；a,b,c,d,e,f,g是输出端。

试灯输入端 ：低电平有效。当 ＝0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏。

动态灭零输入端 ：低电平有效。当 ＝1、 ＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消除无效的0。如数据0034.50可显示为34.5。

灭灯输入/动态灭零输出端 ：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当 作为输入使用，且 ＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当RBOBI/作为输出使用时，受控于 和 ：当 ＝1且 ＝0时， ＝0；其它情况下 ＝1。本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

图2-474LS248管脚图

共阴极七段LED显示器系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器或共阴极显示器。74LS48译码器对应的显示器是共阴极显示器。

3数字电子钟电路的仿真与调试

3.1 仿真软件简介。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

3.2 电路的仿真。按照原理图逐部分仿真，先仿真数字电子钟的秒部分，然后分部分和时部分，最后是日部分。仿真秒部分时，应先仿真显示器而后是74LS248译码器，然后是74LS161计数器组成的60进制计数器。然后按上述顺序分别连接分、时、日部分。如图3-1所示

图3-1秒单元仿真示意图

3.3数字电子钟的实现

（1）数字电子钟的完整电路图见附录仿真图。

（2）数字电子钟的工作原理：首先给秒个位的INA端输入一个标准秒脉冲信号(此信号即为555脉冲发生器产生的标准脉冲信号，其校准方法如下：

J1，J2，J3开关都打向上边时，数字钟开始计数，其中，秒、分为60进制计数，时为24进制计数,星期为七进制。

J2，J3打向上边，J1打向下边时，可以进行校分功能：即每拨动校时开关J1一次，计数器开始计数，多次脉冲后就可以进行准确校时。

J2打向下边，J3，J1打向上边时，可以进行校时功能，其方法与校分的方法相同。

J3打向下边，J2，J1打向上边时，可以进行校日期功能，其方法与校分的方法相同。

3.4调试方法

（1）首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器R1，使555定时器产生频率为2Hz的方波信号。

（2）调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是1KHz。

（3）调试计数、译码显示电路。将秒信号输送给秒计数器、分计数器、和时计数器，观察各计数器是否工作正常。

（4）调试校时电路。观察校时电路是否起到校时作用。

（5）整体调试。各部分电路连接起来，观察电子钟是否正常工作。

参考文献：

[1]杨欣.电子设计从零开始[M].北京:清华大学出版社,2005:43-47.

[2]谢嘉奎.电子线路[M].北京:高等教育出版社,2003.

二极管的基本工作原理范文第7篇

【关键词】光电传感器 光电效应

1 光电效应

光电器件之所以能感受光，是因为它具有光电效应，光电效应是指物体吸收光之后产生电特性变化的物理现象，大多数光电控制应用的传感器。光电效应可以分成三类：外光效应、内光电效应和光生伏特效应。

（1） 外光电效应。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面并向外发射的现象称为外光电效应，也称光电发射效应。逸出来的电子称为光电子。根据该效应制成的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

（2） 内光电效应。在光线作用下，物体内部释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面，仍然留在物体内部，从而使物体的导电性能发生变化的现象称为内光电效应。

（3）光生伏特效应。物体在光线照射下产生带有方向的电动势称为光生伏特效应。根据该效应制成的光电器件有光电池、光电二极管、光电三极管和光电晶闸管等。

2 光电器件及其特性

2.1 光敏电阻

（1）工作特性。光敏电阻是一种利用内光电效应制成的光电器件，常用的制作材料为硫化镉、硒化物等材料，目前生产的光敏电阻主要由硫化镉制成。它没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时即可施加直流电压，也可以施加交流电压。无光照时，阻值很大，回路中的电流很小；当光敏电阻受到一定范围波长光照时，阻值急剧减小，回路中电流迅速增大。光照越强，亮电阻越小，亮电流越大。

（2）主要参数。a. 暗电阻、暗电流。光敏电阻在无光照射、全暗条件下，经一定时间稳定后，测得的电阻值称为暗电阻，阻值在1-100MΩ ，此时流过的电流称为暗电流。b. 亮电阻、亮电流。光敏电阻在受到某一光照射下的电阻值称为亮电阻，阻值大约在几千欧姆以内，此时流过的电流称为亮电流。

（3） 基本特性。伏安特性。在一定的光照下，光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系。由图1可知，光电二极管在光照情况下，光电流保持恒定值。

2.2 光电二极管和光电三级管

（1）光电二级管。光电二级管同普通二极管一样，也是非线性半导体器件，但在结构上光电二极管有着特殊之处，它的外壳顶部由透明材料制成，装在顶部的PN结可以直接受到光的照射。光电二极管在电路中通常处于反向偏置状态。当无光照射时，反向电阻很大，反向电流很小；当有光照射在PN结上时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子―空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动，形成光电流，光照度越大，光电流越大，数值大约是截止状态时光电流的1000倍。因此，光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

（2）光电三极管。它与普通三极管很相似，具有两个PN结，有PNP型与PNP型两种。不同之处是光电三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光区，因此，光电三极管相当于一个在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。

2.3 光电池

（1）工作原理。光电池也称太阳能电池或光伏电池，是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时，实际上就是电源。光电池的工作原理基于光生伏特效应。它实质上是一个大面积的PN结，在结构上类似于光电二极管。当光照射到PN结上时，如果光的能量足够大，就将PN结附近激发电子―空穴。在PN结电场的作用下，电子移向N区，空穴移向P区，结果使N区带负电成为光电池的负极，P区带正电成为光电池的正极，因而两电极之间就有了电压，即产生光生电动势。

（2） 伏安特性。由图2可知，在光照条件下光电池的光电流增大―不变―减小。

3 光电传感器应用

光敏电阻依据测量光的强度可以对光进行一定的控制，最常见的就是控制路灯和楼道里的灯，在接通电路状态下，街灯会因为光的强度的变化而发生改变，楼道里的灯原理同样。海上的浮标的开关也是采用光敏电阻，夜间由于没有光照，光敏电阻阻值变小，接通电路，灯打开。白天光照充足，光敏电阻阻值变大，电路断开，灯关闭。

硅光电池在日常生活中也是经常被使用到的，它可以将光能转换成电能，例如太阳能冲电电池灯，而且广泛应用于手机、太阳能热水器，卫星等高精尖设备上。

光电传感器还许许多多的用途没有被发现，像我们经常抱怨在强烈的日光下看不清楚手机和电脑的屏幕，我们完全可以利用光敏器件的优势来改变这以现状，提高手机和电脑的屏幕亮度，让我们在强光下可以清楚的看到手机和电脑的屏幕。总的来说，光电传感器具有其他传感器所不能代替的重要作用，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛．

参考文献

[1]人力资源和社会保障部教材办公室主编.电力拖动控制线路与技能训练[M].中国劳动社会保障出版社,北京:2004(8).

[2]李科杰主编.现代传感技术[M].北京:电子工业出版社,2005(5).

[3]李晓莹主编.传感器与测试技术[M].北京:高等教育出版社,2008(3).

二极管的基本工作原理范文第8篇

关键词:升压电路;软开关;谐振电路;功率因子校正

中图分类号:TM92文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-073-03

Low Loss Soft Switching Boost Converter

ZHU Yuting,ZHOU Xifeng,GUO Qiangang

(Automation College,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing,210003,China)

Abstract:A new soft switching Boost converter is proposed.The conventional Boost converter generates switching loss at turn on and off.Because of those,the whole system′s efficiency is reduced.The proposed converter utilizes soft switching method using an auxiliary switch and resonant circuit.Therefore,the converter reduces switching loss lower than the hard switching.The proposed soft switching Boost converter can be applied to photovoltaic system,power factor correction and so forth.The operation principles of the converter and the conditions for realization of soft switching are analyzed in detail,simulation analysis is given by the PSpice 9.2.Its simulation results prove that all the switches in soft switching state and the efficiency of the converter is improved.

Keywords:Boost converter;soft switching;resonant circuit;power factor correction

0 引 言

近年来,随着开关频率的提高,开关电源变得轻小化,但是开关频率和开关损耗成正比,开关频率提高,开关损耗也增大,从而使整体系统的开关损耗增大。许多变换器采用谐振来减小开关损耗,但是辅助谐振电路增大了电路的复杂性,而且也增加了电路的成本。在一些有辅助开关的谐振变换器中,主开关管实现了软开关,但是辅助开关管却还是工作在硬开关状态下[5]。所以,由于辅助开关管开关损耗的存在,这些变换器并不能提高整个系统的效率。

传统Boost变换器以其结构简单,易实现等优点,已广泛应用于升压场合。光伏发电系统中,光伏阵列电池的输出电压较低,迫切需要较大的升压,以满足后级逆变器的需要[8]。为了提高变换器的变换能力、可调范围和效率,对传统的Boost变换器进行了改进。本文提出一种新的软开关Boost变换器,通过采用辅助开关管和谐振电路的电路结构实现了主、辅助开关管的软开关。相比其他的软开关变换器而言,在同样的频率下,既减小了开关损耗,又提高了整体系统效率。本文详细分析了这种变换器的工作原理,实现软开关的条件并通过PSpice进行仿真实验。

1 低损耗软开关Boost变换器

1.1 电路拓扑结构

低损耗软开关Boost变换器如图1所示。

图1 低损耗软开关Boost变换器

图1中,S1为主开关管,D0为主二极管,L和Co分别是滤波电感和滤波电容,辅助谐振电路由辅助开关管S2、谐振电容Cr2和Cr、谐振电感Lr和辅助二极管D1和D2组成,它为主开关管和辅助开关管创造了软开关的条件。图2为低损耗软开关Boost变换器的主要工作波形图。

图2 低损耗软开关Boost电路主要波形图

1.2 工作原理

为便于对低损耗软开关Boost电路的工作原理进行分析,需作如下几点假设:

(1) 电路中所有元件都是理想的;

(2) 主电感L足够大,在一个开关周期中,其电流基本保持不变;

(3) 输出滤波电容Co足够大,在一个开关周期中,Co和R可用一个恒值电压源代替。

整个开关周期可以分为9个工作状态,各开关状态的工作情况描述如下,如图3所示。

模态1(t0~t1):主、辅助开关管关断。主电感中的能量通过主二极管传递到负载中。主电感电流表达式为:

IL=IL(t9)-Vo-ViLt(1)

图3 低损耗软开关Boost变换器各开关模态的等效电路

模态2(t1~t2):辅助开关管导通,谐振电感电流从零开始线性增大。t2时刻,谐振电感电流ILr达到主电感电流值,模态2结束。这段时间结束,主电感电流和谐振电感电流表达式为式(2)和式(3):

ILr(t)=VoLrt(2)

IL(t)Imin(3)

模态3(t2~t3):当谐振电感电流等于主电感电流时,主二极管导通,Cr和Lr开始谐振,谐振电容Cr放电。当谐振结束,谐振电容电压为零。 t2时刻,谐振电容电压等于输出电压Vo,模态3结束。t1到两个电流相等的时间间隔为:

t12=ILm(Vo/Lr)(4)

谐振周期为:

tr=π2LrCr(5)

谐振阻抗为Zr=Lr/Cr。谐振电感电流和谐振电容Cr电压为:

ILr=Imin+VoZrsin(ωrt)(6)

VCr(t)=Vocos(ωrt)(7)

模态4(t3~t4):谐振电容Cr电压为零,主开关管的体二极管自然导通。体二极管导通时,主开关管电压为零。这时,导通信号给主开关创造了零电压条件。主电感电流为:

IL(t)=Imin+ViLt(8)

模态5(t4~t5):在模态4下,主开关管零电压导通。同时,辅助开关管零电压关闭,进入模态5。在这一阶段,谐振电感Lr和谐振电容Cr2开始谐振。经过半个谐振周期后,Lr电流为零,模态5结束,此时,Cr2充电已满。

IL(t)=I(t4)+ViLt, ILr=ILr(t3)cos(ωat)(9)

ωa=1LrCr2, Za=LrCr2(10)

模态6(t5~t6):在这个模态中,ILr从零开始反方向流动。主开关管、Lr、Cr2和二极管D2构成谐振回路。此时,Cr2电压下降到零。然后,Lr和Cr2谐振结束。这段时间,谐振电容放电表达式为:

VCr2(t)=ZaILr(t3)sin(ωat)(11)

VCr2(t5)=ZaILr, VCr2(t6)=0(12)

模态7(t6~t7):Cr2电压为零后,辅助开关管的体二极管导通。电流流过体二极管,谐振电感-主开关。由于PWM运算法则,主开关关断,模态7结束。在这段时间,谐振电感电流值等于t3时刻的电流值,但是是反向的。

IL(t)=IL(t6)+ViLt(13)

ILr(t)=-IL(t3)(14)

模态8(t7~t8):两个电感电流都对谐振电容Cr充电。当谐振电容电压等于输出电压时,这个模态结束。

ILr=IL(t7)-[IL(t7)+ILr(t3)]cos(ωrt)(15)

Zr[IL(t7)+ILr(t3)]>Vo(16)

式(16)为实现零电压的条件。

模态9(t8~t9):谐振电容Cr放电,主二极管电压为零。因此,主二极管导通,谐振电感电流线性减小到零。当电流为零时,模态9结束,开始下一个开关周期。这个模态,主电感电流和谐振电感电流为:

IL(t)=IL(t7)-Vo-ViLt(17)

ILr=-ILr(t3)+VoLrt(18)

1.3 实现软开关的条件

由上分析可知,为了实现软开关,主、辅助开关管驱动信号之间要设置一定的死区时间。死区时间必须满足如下的方程式:

TDelay≥IiLrV0+π2LrCr(19)

2 仿真分析

为了检验以上的分析,对低损耗软开关Boost变换器进行了仿真验证。仿真软件使用PSpice 9.2。仿真参数为:输入电压Vi=130~170 V,输出电压Vo=400 V,开关频率fs=30 kHz,谐振电容1:Cr=3.3 nF,谐振电容2:Cr2=30 nF,谐振电感Lr=20 μH,主电感L=560 μH。

图4为主开关管和辅助开关管驱动电压、电压和电流的波形。从图4可以看出,由于体二极管在主开关前导通,所以主开关管实现了零电压开关,辅助开关管也实现了软开关。

图4 主、辅助开关管仿真波形图

3 结 语

从理论分析和仿真结果可以看出,由于谐振电路,本文提出的低损耗软开关Boost电路可以实现主、辅助开关管的软开关。这种变换器适用于高频率的变换器、光电DC/DC变换器、功率因数校正等。

参考文献

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[4]Lin R,Lee F.Novel Zero Current Swit-ching Zero Voltage Switching Converters.PESC′96[C].1996(1):438-442.

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[8]汪令祥.光伏发电用DC/DC变换器的研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.