带有齐纳二极管的方波
出处:维库电子市场网 发布于:2023-11-07 15:38:59
让我们开始反转上一期检查的两级限制器图中个电池的极性,我们在图 1 中再次提出。从已经执行的定性分析,很容易推断出如果 V 01 = ? V 02,输出信号的趋势如图2所示,类似于方波。
图 1:两级限制器电路,其中个电池的极性相反。图 1:个电池极性相反的两级限制器电路
图 2:输出信号的趋势。图2:输出信号趋势
通过使用两个串联但方向相反的齐纳二极管可以获得类似的结果。事实上,与正波前相对应,两个二极管之一处于反向偏置,因此决定了串联中电流的走向。当波前符号反转时,二极管交换角色,但结果是相同的,因为两者之一无论如何都是反向偏置的。如果两个二极管相同,则有趣的影响是串联电压从 ?V z到 +V z的变化,即 V z > 0(单个二极管的齐纳电压)。输出的交替与输入信号具有相同的周期。因此,我们有一个输出方波。
这种仓促的分析源于两个二极管的理想条件。在真实条件下。需要齐纳二极管的电压-电流特性的解析表达式。为此,我们观察到,与传统二极管相比,齐纳二极管具有更加非典型的行为:除了必须在反向偏压下工作之外,其两端的电压必须达到击穿值 (V z )的量级,其行为几乎是渐近的(图 3)。在这些工作条件下,即使电流剧烈变化,电压也能保持稳定。然而,为了实现稳压器,齐纳二极管必须进行适当的配置,因为任何电流变化都是由相应的电压变化引起的,就像上一期已经研究过的情况一样。
图 3:齐纳二极管的电压-电流特性。图 3:齐纳二极管的电压-电流特性
电压-电流特性可以通过分段函数来模拟,只要各个曲线在对应于-V z的点处连接。连接条件通过施加函数和一阶导数的连续性来表达。个条件至关重要,以便电流不会在连接点突然变化。但第二点也很重要,否则,二极管的微分电阻在连接点处突然变化,这不是可接受的行为。
经过繁琐而费力的数学分析,我们证明不可能同时应用这两个条件,为此我们仅选择渐近分支(对于 v = ?V z ),然后将其扩展到 v = 0。这里我们有正如我们从图 3 中的图表中看到的,正是由于这种近似,非零电流值。但这不应该让我们担心,因为无论如何工作点都位于 v = ?V z的右邻域内。(回想一下我们对符号的约定:大写字母表示与时间无关的量,反之亦然;除了我们普遍采用小写的电流)。电压-电流特性的解析表达式如下:
我们使用的测试电路如图4所示,其中电阻R的值以及V 0都是自由参数。
图 4:与给定电阻 R 串联的齐纳二极管。图 4:与给定电阻 R 串联的齐纳二极管
我们了齐纳二极管模型的终结果,其中Mathematica软件由于反向饱和电流 i 0值较小而呈现数值不稳定。因此,我们对
二极管两端的电流和压降进行了无量纲化和标准化。通过无量纲变量的电流:
否则,电路简单地解决:
电力电子科学笔记:带有齐纳二极管的方波在情况 (2) 中,无量纲电压-电流特性由下式给出:
电流是否归一化为 ηi 0。通过应用基尔霍夫第二原理,我们有:
也就是说,齐纳二极管两端的电压降归一化为 V z。
通过研究 z 的符号可以看出,我们的模型在 0 ≤ x ≤ x max范围内工作,其中值允许我们计算电阻,对于 V 0 = 50 V、V z获得约 50 MΩ = 60V,i 0 = 1 μA。
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