摘 要：二極管作為無(wú)源器件，在電子電路中應(yīng)用極其廣泛，它的正向?qū)ê头聪蚪刂故敲恳粋€(gè)電子工程師耳熟能詳?shù)奶匦浴Ｔ诤芏嗟膽?yīng)用中，反向截止特性不用考慮二極管的漏電流。在本例中，反向漏電流不再是一個(gè)默默的小卒，它嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的正確性。本文詳細(xì)分析了漏電流產(chǎn)生影響的原理，并給出了幾種解決方法，并根據(jù)實(shí)際需求選擇了合適的方案。
1.故障現(xiàn)象：
公司在制作某工裝時(shí)，某端子本應(yīng)輸出0~2V范圍內(nèi)的低電平信號(hào)，用萬(wàn)用表實(shí)際測(cè)量到的電壓是89V，而高電平有效范圍是77V~137.5V，低電平已經(jīng)進(jìn)入高電平的有效范圍，此問(wèn)題亟待解決。
2.分析及處理：
工裝的相關(guān)功能：萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到“前”位置時(shí)，開(kāi)關(guān)的2腳輸出高電平;旋轉(zhuǎn)到“后”位置時(shí)，開(kāi)關(guān)的4腳輸出高電平;旋轉(zhuǎn)到“全”位置時(shí)2腳、4腳都輸出高電平。
圖一 萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的“前”、“后”、“全”位置(左)背后的各引腳(右)
2.1原理分析：
為了看著一目了然，現(xiàn)將原理簡(jiǎn)化并繪出如下：
圖二
開(kāi)關(guān)S1閉合表示萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)打到了“前”位，S2閉合表示打到了“后”位，S3閉合表示打到了“全”位(整個(gè)過(guò)程只會(huì)有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合)。S1閉合時(shí)，2輸出應(yīng)該是110V，二極管D1反向截止，4輸出應(yīng)為0V;S2閉合時(shí)， 4輸出應(yīng)為110V，二極管D2反向截止，2輸出應(yīng)為0V;S3閉合時(shí)，二極管D1和D2正向?qū)ǎ?輸出、4輸出都為110V。
實(shí)際測(cè)量到的結(jié)果是這樣的：當(dāng)S1閉合時(shí)，2輸出用萬(wàn)用表測(cè)量到是110V，這個(gè)沒(méi)問(wèn)題，但是本應(yīng)是0V的4輸出端卻測(cè)量到了89V的電壓!同樣，當(dāng)S2閉合，4輸出測(cè)量到110V的同時(shí)，本應(yīng)是0V的2輸出也測(cè)量到了89V的電壓。
2.2故障原因分析：
面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，作者曾經(jīng)認(rèn)為萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)被損壞了，于是畫(huà)出了類(lèi)似圖二的開(kāi)關(guān)部位簡(jiǎn)化原理圖準(zhǔn)備分析，當(dāng)畫(huà)完二極管時(shí)，突然想到二極管理想和現(xiàn)實(shí)之間的差距：二極管反向截止時(shí)是會(huì)悄悄放點(diǎn)“水”的，就是說(shuō)二極管雖然截止了，但它的特性是存在很輕微漏電流的,這也是半導(dǎo)體材料本身的特性所決定的：反向偏置后電流很小且只能無(wú)限接近于零。
為了確定這個(gè)漏電流，作者查找了DSEI2X101-12A二極管的手冊(cè)，相關(guān)漏電流說(shuō)明見(jiàn)下圖紅框所示。
常溫下施加1200V反向電壓，漏電流達(dá)到3mA，反向漏電流會(huì)隨著電壓的增加而不斷增加,而這個(gè)工裝里我們的電壓條件是110V，手冊(cè)里并沒(méi)有給出對(duì)應(yīng)的漏電流，作者實(shí)際測(cè)試了一下。將二極管和萬(wàn)用表電流檔串聯(lián)，用電源施加DC110V的電壓，萬(wàn)用表顯示漏電流是11.2uA(環(huán)溫21.8℃/濕度35%)。那么可以計(jì)算出二極管的等效電阻Rd：
Rd = 110V÷11.2uA = 9.82MΩ
作者又用第二塊萬(wàn)用表測(cè)量了當(dāng)前萬(wàn)用表電壓檔的阻值，為10MΩ。當(dāng)用萬(wàn)用表測(cè)量電壓時(shí)，相當(dāng)于把萬(wàn)用表自身的阻值串聯(lián)到了電路中，必然會(huì)產(chǎn)生分壓的效果。這也是為什么測(cè)電壓時(shí)萬(wàn)用表內(nèi)阻越大越好的原因。作為內(nèi)阻有10MΩ理想中的萬(wàn)用表，在二極管11.2uA的小電流下，被拉回了現(xiàn)實(shí)。萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)S1閉合后的等效電路(S2閉合等效電路同理，這里不再贅述)如圖三。
圖三
從圖三中可以看出，2輸出端口是正常的110V。4輸出端口在沒(méi)有測(cè)量時(shí)是懸空狀態(tài)，R1相當(dāng)于是無(wú)窮大的電阻，根據(jù)電阻分壓原理，這時(shí)4輸出端口也應(yīng)該是110V的電壓。但是我們用萬(wàn)用表測(cè)量電壓時(shí)，會(huì)把萬(wàn)用表的內(nèi)阻引入電路，若是不同內(nèi)阻的萬(wàn)用表，測(cè)量到的電壓也會(huì)不同。用作者手中內(nèi)阻10MΩ的萬(wàn)用表，4輸出端口的電壓理論計(jì)算如下：
4輸出端口電壓 = R1/(Rd+R1)×110V =55.5V
因?yàn)镈的正向?qū)▔航翟谶@里占比很小，計(jì)算忽略了它的導(dǎo)通壓降。有人說(shuō)了，55.5V和89V差距還有很大啊!這是因?yàn)楣ぱb還有其他電路和Rd是并聯(lián)關(guān)系，如果把其他電路的等效電阻算入的話(huà)，Rd會(huì)變小，所以測(cè)量結(jié)果必然是大于55.5V的。
2.3故障處理方法：
理論上講通了，解決問(wèn)題就有方向了。既然說(shuō)端口懸空又有漏電流，電阻分壓的原因?qū)е螺敵霾徽_的電壓信號(hào)，那么我們就把這個(gè)懸空端口用合適的電阻下拉到地，給它一個(gè)確定的阻值。作者使用了130K的電阻把2輸出、4輸出端口與地連接，S1閉合后，4輸出端口電壓變成了1V;S2閉合后，2輸出端口電壓變成了0.8V，滿(mǎn)足輸出低電平的要求。原理圖參見(jiàn)圖4。
圖4 增加的下拉電阻
解決這個(gè)問(wèn)題，還有兩個(gè)方案?jìng)溥x。其一是更換新型號(hào)的萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，三擋選擇時(shí)，直接與110V連接或者斷開(kāi)，需要輸出低電平的端口在電氣上就完全和110V隔離，這個(gè)方案需要重新采購(gòu)，生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，且新型號(hào)的萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)價(jià)格高一些，會(huì)增加成本。
第二個(gè)方案是更換漏電流更小的二極管。同樣需要采購(gòu)，增加生產(chǎn)周期。作者利用已有的材料，在盡量少增加成本和不改變生產(chǎn)周期的前提下，選擇了前述的方案。
3.結(jié)語(yǔ)：
二極管作為應(yīng)用極其廣泛的電子元件，每個(gè)電子產(chǎn)品中幾乎都能看到它的身影。作為常用的導(dǎo)通、截止器件，它的反向漏電流在某些情況下是需要認(rèn)真考慮的。本文通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，描述了故障現(xiàn)象，詳細(xì)分析了原理，結(jié)合理論計(jì)算，分析了漏電流的產(chǎn)生的問(wèn)題。最終給出了幾種解決方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選擇了合適的方案。
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