对含有二极管电路的分析要领的探索

二极管是电子技术中最基本、最重要的半导体器件之一,它在整流、检波及限幅等各种电子电路中有着广泛的应用。但含二极管的电路分析计算问题是一个让许多学生深感头痛的问题。本文试对这一问题做一些探索,抛砖引玉,以期能对我们指导学生学习电子技术有所借鉴。一、含有二极管电路的分析要领本人在《电子

技术基础》课教学过程中发现,含有二极管电路的分析计算问题是一个让多数学生感到头痛的问题,即使是学习好的学生,有时也会感到无从下手、束手无策。究其原因,是因为没有掌握这类电路的分析计算要领。下面,笔者试通过一个典型例子的剖析,总结出这类电路的分析计算要领。

例一:在图1所示电路中,若在B、D两点之间接入一个硅二极管(设二极管的正向压降为0.7v,反向电阻为无穷大),试计算下面两种不同接法通过二极管的电流。

(1)二极管的正极接电路B点,二极管负极接电路D点。

(2)二极管的正极接电路D点,二极管负极接电路B点。

图1

为了便于分析问题,我们把上述两种接法的电路都画出,如图2所示。

(a)

(b)

图2

第一种接法的计算:如图2(a)所示,这是一个含二极管的复杂直流电路。但二极管不同于线性电阻,不能像线性电阻和直流电源那样,写出各段电压,若直接用支路电流法去列方程组,将无法求解。

如图2(a)可用支路电流法列出如下方程组:

I1-I2-I3=0

I1R1+UBD-E1=0

I2R2-E2-UBD=0

但因不知UBD的值计算举例,仍然不能求得通过二极管的电流I3。

那么,解决问题的关键在哪里?关键在于先确定二极管接入电路后是处于导通状态还是处于截止状态。为此,我们先要分析图1电路中B、D两点电位的高低。显然,用“分段法”求电压的方法不难求出图1中UBD的大小,即

10+5

UBD=UBA+UAD=-I1R1+E1= - ———— *4+10=-2V

4+1

也就是说,B点电位比D点电位低2V。这样,在图2(a)电路中,二极管V正极接低电位端(B点),负极接高电位端(D点),二极管加反向电压处于截止状态,二极管上无电流通过。二极管接入后对原电路工作状态不产生影响。所以,第一种接法通过二极管V的电流I3为零。

第二种接法的计算:如图2(b)所示,这同样是一个含二极管的复杂直流电路。由上述分析可知,按图2(b)连接时,二极管V加正向电压,处于导通状态。根据二极管的伏安特性曲线可知,二极管导通后正向压降(一般硅二极管的导通压降为0.7V,锗二极管的导通压降为0.3V)基本稳定,几乎不随流过的电流大小而变化。由题设条件可知,硅二极管的正向压降为0.7V,因此,图2(b)电路中B、D两点间的电压不再等于-2V,而是被已导通的二极管V限定在0.7V,即UBD=-0.7V。二极管接入后对原电路工作状态产生影响,各支路电流将重新分配。图2(b)和图2(a)电路结构相似,为两个网孔的复杂电路,可进一步求解如下。

设各支路电流参考方向及回路绕行方向如图2(b)所示,根据KCL和KVL可列方程组如下:

I1+I3-I2=0

I1R1+UBD-E1=0

I2R2-E2-UBD=0

代入UBD =-0.7V及其它已知数据得

I1+I3-I2=0

4I1-0.7-10=0

I2-5+0.7=0

解方程组后得:I1=2.7mA I2=4.3mA I3=1.6mA

因此,第二种接法通过二极管的电流I3为1.6mA。

综上所述,含二极管的电路分析计算时,可抓住以下几点要领:

(1)首先,分析确定电路中的二极管是处于导通状态,还是处于截止状态。

(2)其次,分析电路的已知条件,如搞清楚二极管是硅管、锗管或是理想二极管等情况。

(3)第三,分析电路的结构及求解目的,找出快捷的求解方法。

二、含二极管的电路分析计算举例

例二:图3所示电路中,设V 1 和V 2 均为理想二极管,则V 0 = V。图3 解题思路分析:初看本图是个含两个二极管的复杂电路,似乎求解不易。其实不然,我们就用上述这类电路的分析要领对它进行分析计算。首先,由图3可知,6V直流电源的正极通过电阻R加到二极管V 1

的正极上,二极管V1负极则接在电源的负极上,显然,二极管V1加正向电压,处于导通状态。其次计算举例,由题意知,二极管V1为理想二极管(即正向电阻为0,反向电阻为无穷大),其正向压降(导通压降)为0V,即UV1=0V。最后,分析电路结构可以看出,输出电压V0取自二极管V1的两端,即V0=UV1=0V。可见,解此题不需要列出复杂的方程组及进行复杂的计算。

顺便提一下,本图电路中,由于V1导通,二极管V2正极对地电位被限定在0V,而V2负极对地电位为3V,故二极管V2截止。

例三:图4电路中,V为理想二极管,图示电压V0为( )。

(A)10V(B)13V

图4

解题思路分析:本图是一个简单电路,两个直流电源顺向连接,二极管V加正向电压,处于导通状态,且V为理想二极管,其导通压降为0V,那么,

V0=UV+10V=0V+10V=10V

故正确答案应选(A)。

例四:图5电路中V1和V2为理想二极管,输出V0的波形为( )。

(A)①(B)②

(C)③(D)④

图5

解题分析:(1)当ui0V时,二极管V1截止,二极管V2导通,则V0=UV2=0V。

(2)当0V≤ui≤3V时,二极管V1和V2都截止,电阻R上无电流

通过,VR=i﹡R=0V,则V0=VR+ui=0+ui=ui

(3)当ui3V时,V1导通,V2截止,UV1=0V,则V0=UV1+3V=0V+3V=3V

综上分析,只有图5中②的波形与上述分析结果一致,故正确答案应选择(B)。

例五:图6(a)所示电路中,UCC=5V,二极管为理想二极管,已知输入正弦波的峰值为10V,试分析两个二极管的工作情况,并画出端电压的波形。

图6

解题分析:上图示为限幅电路。(1)当输入电压-5V≤ui≤5V时,V1和V2两二极管都截止,u0=ui;(2)当输入电压ui-5V时,V1截止,V2导通,u0=UV2-UCC=0-UCC=-5V;(3)当ui5V时,V1导通,V2截止,u0=UV1+UCC=0+UCC=5V。综上分析计算举例,可画出端电压u0的波形如图6(b)所示,为近似梯形波。

通过上述几个含二极管的典型电路(常称电子电路)研究讨论,我们可以看出,电子电路的分析计算方法有别于一般的电工电路,是因为在电子电路中使用了半导体器件(如二极管等),各种电子电路的工作原理和不同功能与电路中半导体器件的类型、性能及工作状态直接有关。所以,在进行电子电路的分析计算时,一定要先弄清楚电路中半导体器件的工作状态、类型等,这是学习和分析电子电路的关键所在。但是,初学电子技术的技校生,往往不明白这一道理,造成学习和应用上的困难。鉴于此,在《电子技术基础》课教学中,我着重给学生介绍了上述分析要领。实践证明:学生掌握了上述分析要领以后,解题的盲目性减少了,解题的正确率提高了。

总之,如何指导学生学习,是教师们关心的一个问题,值得研究。相信,只要我们潜心研究,善于发现,勇于探索,就一定能够找到指导学生学习电子技术的门径,从而为成功的教学奠定基础。

参考文献

1、《电子技术基础》(第二版),中国劳动出版社。

2、《电子技术基础习题册》(第二版),中国劳动出版社。

3、《电子电气类专业基础知识》(第二版),厦门大学出版社。

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