2005-05-15：二极管电路（一）

  坦白说，还是很想把那个 PDF 再研究研究，真是有点不服气。我想就算那些表格中的专业术语确实弄不懂，那些图表呢？难不难的总得看看再说吧。于是我又打开了那个 1N4148.PDF。

  第 2 页紧接在表格下方就是一组图表，左起第 1 个图（Figure 1）的标题为“Reverse Voltage vs Reverse Current”。“vs”这个词很熟悉，一些电子游戏里很常见到。这个图肯定是“反向电压”和“反向电流”之间的关系，不过标题之下另有一行“BV- $1.0$ to $100\mu A$”，这是在说什么呢？

  图表的横坐标是“反向电流”，纵坐标是“反向电压”，这个反向电压居然从 $135V$ 起始，不是 $100V$ 就击穿了吗？怎么会这样？横轴最右端电流值是 $100\mu A$，这时对应电压大约是 $145V$ 多点，从 $135V$ 变化到 $145V$，应该算升高了 $(145-135)/135\times 100\mathrm{\%}$，大概是 $7.4\mathrm{\%}$，电流则从 $1\mu A$ 增大到 $100\mu A$，增大了足有 $100$ 倍。这倒是如同 C# 所说，反向击穿后反向电压升高 1 点点，电流就会剧烈的增大。可剧烈了半天也只是 $\mu A$ 级啊？这也太小了点吧？

  右边一个图看标题仍然是“反向电压”和“反向电流”之间的关系，只不过横轴变成了电压而纵轴变成了电流而已。这种反向接电的图不是应该画在坐标系的第 3 相限吗？从横轴上看在 $70V$ 之后电流开始 “直线上升”，看来反向电压到了 $75V$ 确实让 1N4148 击穿了。当反向电压达到 $100V$ 时反向电流已经是 $110\mu A$ 了，这和表格上写的并不一致啊？我仔细看了下纵坐标，这个电流单位怎么是 $nA$？这也太小了吧？难道印错了？像那个叫“Tempera”的错别字一样？

  看过两个图表之后我算是彻底泄气了，实在是看不明白这些曲线到底在说些什么。C# 这家伙也不知道忙什么去了，可能又找佳人去了吧，我可咋整呢？干瞪眼对着一屏幕的曲线加英文，毫无办法。

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师：“这么晚了还没睡去？明天想逃课啦？”

我：“可逮着你了！你不是有事情吗？”

师：“是有事情，不过还是觉得应该上来看看你在不在。觉得今天不跟你聊聊有点对不住你。”

我：“我有这么大面子啊？好开心。我又看了下那个 PDF 文件。”

师：“这回有心得了是吗？说说吧。”

我：“没心得，仍然全是疑问。这回我看了下后面的图表，第一个就不是很明白。”

师：“就是这个反向电压和反向电流的图？这有什么问题？”

我：“反向电压怎么从 $135V$ 开始啊？到 $100V$ 不是就击穿了吗？”

师：“这个图好像是击穿之后的电压和电流的关系啊？电压变化不大，大约从 $135V$ 变到 $146V$，但是电流变化了 100 倍。”

我：“这个规律我也看出来了。你怎么说‘好像’啊？你不确定吗？”

师：“这个 PDF 里没给出测试电路，搞不清楚做实验的那哥们儿焊了一个什么样的电路。”

我：“这些图表是通过焊接一个真实电路用仪表量出来的啊？”

师：“它还能怎么画出来呢？你上物理课没做过实验吗？你们做的实验不用仪表？”

我：“我们做实验是照猫画虎啦，老师怎么说就怎么做呗。”

师：“说实话我还真没怎么注意过这些图表。右边这个图反向电压是 $100V$ 时反向电流大约是 $110nA$？”

我：“我一开始差点认为是 $\mu A$ 呢，后来看到单位是 $nA$。这个图是在说啥啊？”

师：“这个图应该是在击穿之前反向电压和漏电流之间的关系。不知道测试电路是什么样子，也说不清楚这个图是怎么得出来的。”

我：“干嘛把横纵坐标交换了呢？”

师：“这样看这条曲线顺眼一点吧？谁知道作图的人是咋想的呢？”

我：“那为什么不给出测试电路呢？这还要保密吗？”

师：“不知道。我们还是讨论我们自己的内容吧。从这个电路开始。收图。（figure0065）”

我：“这图在讲 $PN$ 结的时候说过了吧？这样接电要导通的。”

师：“是的，这个图是‘正向接电’，接电源正极的三角形是 P 区了，也就是你昨天说的‘阳极’啦。你认为流过二极管的电流会不会很大？”

我：“应该很大。正向电压超过 $0.7V$ 二极管就导通了，之后电压增大一点点电流就会迅速增大。现在电压都到 $5V$ 了，那电流肯定是‘贼大’了。”

师：“我们查一下那个 Datasheet，看看哪个图表反应正向电压与正向电流的关系。”

我：“Figure 3 和 Figure 4 应该是吧？”

师：“还有 Figure 5 也是。”

师：“这些图表有错吧？你看看 Figure 5，看看纵坐标的单位。”

我：“是 $mV$，不对吗？”

师：“你对照 Figure 4 看看，你觉得应该是 $mV$ 吗？应该是 $V$ 才对，不是 $mV$。”

我又看了下 Figure 4，正向电压大约在 $730mV$ 时，正向电流已经是 $10mA$ 了。再看 Figure 5，最左侧正向电流为 $10mA$，电压则是 $0.7$ 高一点，那么只能是 $0.7V$ 高一点，不可能是 $0.7mV$。

我：“呵呵，如果单位是 $mV$，二极管根本就通不了。肯定是错了，够次的。”

师：“不去管这个错误了。总之按我刚传你的图（figure0065）来看流过二极管的电流确实是太大，大到通过这个 Datasheet 都查不出来的程度。我们需限制这个电流。”

我：“你是说 1N4148 受不了这么大的电流？那它能受多大的电流？”

师：“这个还得从 Datasheet 上查，你来。”

我：“我昨天就查过了，一共有 5 种完全不同的正向电流极限值，最小 $200mA$，最大的是 $4A$。”

师：“那么应该参考哪个值呢？”

我：“我哪知道这些电流都是什么意思啊？我正想问你应该用哪个呢！”

师：“我们限制电流不能太大是为了安全，为了防止 1N4148 烧了，所以你即使不知道这 5 个电流都是怎么回事，也可以做出正确地选择啊。”

我：“那就选 $200mA$ 吧，这个本身就是 5 个电流中最小的，比这个还小那肯定是安全啦。”

师：“对头，这样想就对啦。小子确实有点机灵劲儿啊！”

我：“怎么限制电流不超过 $200mA$ 啊？”

师：“二极管和一个电阻串联，收这个图。（figure0066）”

电阻接在二极管的哪一极都是可以的，这是串联电路的特点。

我：“就这么简单？这个电阻要用多大的合适？有得算吗？”

师：“至少你可以确定流过这个电阻的电流和流过二极管的一样，串联电路嘛，最大只能是 $200mA$ 对吧？如果我们能找出电阻两端的电压降 $V_R$ ，那么 $R=V_R/0.2$，OK 啦。”

师：“$V_R$ 加上 1N4148 的正向电压 $V_F$ 应该等于 $5V$，这你应该能理解吧？所以要找出 $V_F$ 来。”

我：“$V_R$ 加 $V_F$ 应该等于电源电压吗？我只知道两个电阻串联时是这样，把一个电阻换成二极管也是这样？”

师：“当然是这样。从 Datasheet 上的 Figure 5 中我们可以查到正向电流 $200mA$ 对应正向电压约 $1.05V$，你算下电阻 R 的值。”

我：“$(5-1.05)/0.2=19.75$ 欧姆，取标称值的话，R 应该是 $20$ 欧姆，$5\mathrm{\%}$ 精度。”

师：“你还定了一个精度？”

我：“随便一说罢了。”

师：“要跟你较真儿的话，$5\mathrm{\%}$ 有点问题。$19$ 欧姆 比 $19.75$ 小了。”

师：“所以应该是‘不小于’20 欧姆，可以取更大一些的。”

我：“这倒是，阻值越大电流就越小，更安全。”

师：“紧跟着的一个问题就是要看这个电阻应该具有多大的额定功率了，额定功率还记得吧？”

我：“记得，要看在这个电阻上会发出多大的热量，选一个抗得住发热的电阻。”

师：“计算也很简单，这个电阻两端的电压是 $3.95V$ ，流过的电流是 $0.2A$，可算出功率为 $3.95V\times 0.2A=0.79W$，应该选 $2W$ 的电阻。”

我：“这有点大了吧？$1W$ 的不行吗？”

师：“这里有个‘降额使用’的问题，$1W$ 的电阻通常用于功耗不大于 $0.5W$ 的场合，额定功率降 $50\mathrm{\%}$ 使用。”

请注意复习第 2 章有关“降额使用”的补充说明。同时想一下，如果考虑“降额使用”的话，我们应该让 1N4148 承受 200mA 正向电流吗？

我：“这是为了可靠性对不？可我们常用 $1/4W$ 的电阻啊？”

师：“其实我们把电流选太大了，我们确定的电流是 $200mA$ 啊。如果我们决定只让 1N4148 流过 $10mA$ 的正向电流呢？”

我：“这个好算，二极管流过 $10mA$ 电流时两端电压是 $0.73V$，所以电阻值为 $(5-0.73)/0.01=427$ 欧姆，可取标称值 $430$ 欧姆。功率是 $4.27V\times 0.01A=0.0427W$，取 $1/8W$ 的就够用了。”

师：“我们以后就会了解到，让 1N4148 二极管流过 $10mA$ 电流有点太大了，白费电。”

我：“难道要流过 $\mu A$ 级的电流？”

师：“确实，它只需流过 $\mu A$ 级的正向电流，实在不必太大。”

我：“那这帮玩沙子的人还把它的正向电流上限做到 $200mA$ 以上？完全没必要嘛！ ”

师：“好了，得抓紧时间，我们还要讨论一下这个图。（figure0067）”

我：“这简单，电阻都可以省了。反向击穿电压 $100V$，反向接 $5V$ 电压太低了。”

师：“是的，反向电压只有 $5V$ 的话，这个电路中只会有极微小的漏电流流过二极管，不到 $20nA$，可以忽略不计了。”

我：“你怎么知道不到 $20nA$？”

师：“还是 Datasheet，Electrical Characteristics 那张表中就有 $I_R$ 啊。”

我：“可是有 3 个数值啊？怎么办？”

师：“唉，我真不应该让你看这个 PDF。”

师：“别管那么多了，现在我们开始加压，直到把二极管击穿，然后继续加。二极管会很快冒烟的。”

我：“发热量很大吗？从 Datasheet 上看反向电压 $100V$ 时电流只有 $100\mu A$ 啊？”

师：“还是那句话，不知道测试用的电路是什么样子的，那个 $100\mu A$ 可能是用电阻限流后测得的。”

我：“那这么说反接和正接是一样的，反接也要加个电阻限流，确保击穿后电流不很大？”

师：“何况反向击穿后二极管两端的电压有 $100V$，哪怕流过二极管的电流只有 $10mA$ 那也有 $1W$ 的功率了。”

师：“是的，反向击穿的二极管肯定要限流电阻，而且阻值还得比较大，把电流限制的很小，这可以防止二极管击穿后迅速烧毁。当电压降回到击穿点以下时，$PN$ 结还能恢复正常。”

我：“这么说，二极管击穿后只要限制电流不很大，那它是不会坏掉的？”

师：“是的，不会损坏。但不能因为这样就任凭它总处在反向击穿状态，不必要的击穿必须避免。”

我：“言外之意是还有‘必要的击穿’？”

师：“再看一下 Datasheet 中那个 $V_R$ 的指标，在 Electrical Characteristics 表格里。它的意思是如果要求反向电流不能超过 $100\mu A$，那么可以给 1N4148 加上 $100V$ 的反压把它击穿，不会造成损坏。”

我：“那个 $5\mu A$ 对应 $75V$ 怎么讲？”

师：“如果对反向电流限制的更严，不能超过 $5\mu A$，那么反压就不能高于 $75V$ 了。”

我：“你知道这些不早告诉我，让我费劲瞎琢磨半天！”

师：“我这也是猜测，是不是这样解释我也没有十成的把握。”

我：“我就倒！你怎么也是个半吊子啊？”

师：“还是那句话，不知道测试用的电路是什么样子，也不知道实验过程是怎么个做法，所以也就只能猜这些参数的意思。”

我：“我心里反而踏实了，你对这个 PDF 并不完全理解，但却是一个专业的电子工程师，我业余的弄不懂这些有啥可怕呢？”

师：“从实际使用 1N4148 的情况看确实没必要把 Datasheet 彻底搞清楚，我们以后用到的电压都很低，反向击穿的情况根本就没有。”

师：“但这可不意味着这些 Datasheet 完全不重要。这个 1N4148 有点太简单了。”

我：“还真没觉得这个 1N4148 很简单。难道是简单到连你都要瞎猜？”

师：“好了，最后把反向接电的图（figure0068）发给你，这个是有限流电阻的。”

我：“没必要啦，我知道是怎么回事了。”

师：“还要提醒一下，有这个限流电阻时，二极管反向击穿后，我们再升高反向电压，这只会让流过二极管的电流增大，而二极管两端的电压只会‘小幅’上升，可以说基本稳定在击穿点那个位置。”

我：“那这和正向接电是一样的吧？正向导通后再升高正向电压，只会让正向电流增大，而二极管两端 电压基本稳定在 $0.7V$ 那个位置，只会小幅上升。”

师：“是的。我走了你自己玩吧。”

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  重新回顾了一下今天讨论的内容，我感觉二极管这个东西正向接电和反向接电其实有不少相似性，比如都要用一个电阻把电流限制住，电流太大可能把管子烧了。不论是正向导通还是反向击穿，二极管两端的电压是基本稳定的，正向导通后会稳定在 $0.7V$，反向击穿后则稳定在反向击穿电压处。这时如果外加电压再升高，那么高出来的电压就会由限流电阻负担，二极管两端的电压变化是很小的。

  不过从 1N4148 的 Datasheet 上看不大明白反向击穿到底是怎么回事。按 C# 所说反向击穿后如果没有限流电阻，那么二极管会因流过大电流而烧毁。有电阻限流的话二极管不会损坏。看来制造二极管的专家们测量反向击穿电压时应该不会不加限流电阻，否则他们得在二极管冒烟着火爆炸之前的一瞬间从仪表上读出电压值来，这有点夸张了。

  说句实话我真觉得这类 Datasheet 太闹心了，罗列了一堆数据和图表，却不说这些东东是怎么来的。当然或许我这么说有点冤枉人家了，毕竟人家在 Electrical Characteristics 表和中给出了“Test Conditions”嘛。就比如反向击穿电压，$100V$ 是对应着反向电流 $100\mu A$ 的。反向电流 $I_R$ 也是一样，$25nA$ 是在反向电压 $V_R$ 等于 $20V$ 时测出的，C# 说反向电压为 $5V$ 时漏电流不到 $20nA$，大约是根据这个 $20V-25nA$ 推测来的吧？

  或者 GOOGLE 能把“反向击穿”说明白？查一下吧。打开 GOOGLE 的主页，搜了下“反向击穿”，头一页居然冒出个“稳压二极管”来。这是个啥东东？点开这个页面看了下，“稳压二极管”又叫“齐纳”二极管，感觉它就是那种“必须被击穿”的二极管，击穿后二极管两端的电压就基本稳定了，这个电压可以做为其它电路的“电源”。这倒是有点儿意思。

  在 GOOGLE 上搜了下 “稳压二极管 电路”，翻出一些电路图来，稳压二极管的电路符号有点特殊，小三角上顶的不是个短直线，而是个折线。不过电路中确实有一个限流电阻 R 的。我忽然觉得不同种类的二极管可能电路图符号都会有些区别的，于是又 GOOGLE 了一下“肖特基二极管 电路”，翻出来一张电路图，这图上肖特基二极管的电路符号竟然和稳压二极管一样？不对啊？肖特基二极管应该是三角形头顶一个曲里拐弯的折线啊？重新搜了“肖特基二极管 符号”和“稳压二极管 符号”，我只能说，真是怎么画的都有啊！电路图不应该是个很严肃的东西吗？怎么这么随意？这帮工程师们就不怕别人误解他画的图吗？

本节补充说明

  从本节开始我们接触到了电子元器件的技术手册，这些手册几乎都以 PDF 格式的文件来发布，如果你获得过以其它形式发布的技术手册，比如 WORD 文件形式，那我只能说你要用的那个元器件实在太新了，厂家还没准备好批量生产这个元器件。我拿到过 WORD 文件形式的手册，全世界大约也只有中国的半导体厂商会给我这种手册，为了用最新的产品抢占市场，我们中国人真的是蛮拼的。

  PDF 是“Portable Document Format”的简称，由 Adobe Systems 公司开发，不论你用什么样的电脑和打印机，你都能从屏幕上看到一模一样的文档，印到纸上也不会有任何差别。此种文件你还不能随意修改它，还可以加上水印等等，用来发布技术手册是很适宜的。在电脑上阅读 PDF 文件可以采用 Adobe Arcobat Reader 这个软件，我个人更愿意使用 PDF-Xchange Viewer，这些软件都是可以免费下载使用的。

noob-coder注：现代浏览器都可以直接阅读 PDF 文档。

  元器件厂商给出的技术手册称之为“Datasheet”，这些手册是第一手资料，是最准确的，但如我们所见这些手册也难免有错，所以它们也不定期的会有新版本发布。大家记得尽量去元器件厂商自己的网站上下载这些资料，网上传播的不一定是最新的。有时厂商发布“Datasheet”的同时还会配套发布“Errata sheet”，这个 sheet 中列出的都是元器件目前已经发现的缺陷，以及如何克服这些缺陷的方法，这同样是一份非常重要的资料，单凭一篇 Datasheet 是不够的。

  至于电路图中使用的图形符号过于繁杂这个问题，我只能说：“就这样吧。”标准是有的，但你有你的标准我有我的标准，而且，标准也在发展变化之中。在我这部教程中，我也无心采用某种制图标准去规范化我的电路图。等你的知识越来越丰富，见过的电路图越来越多之后，你也就见怪不怪了。