“等效替代法”在二極管電路分析中的運用

摘 要： 本文作者從典型的二極管電路題目入手，引出“等效替代法”在解題過程中的運用。

關鍵詞： 等效替代法 二極管電路分析 等效替代電路

“等效替代法”首先在物理方面得到應用，其定義為：是科學研究中常用的方法之一，是在保證某種效果（特性和關系）相同的前提下，將實際的、復雜的物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來研究和處理的方法。筆者認為：“等效替代法”不僅可以運用在物理方面，在很多課程的分析中都有用到，比如在《模擬電子技術》課程中，“等效替代法”用得就比較多。筆者以二極管電路分析為例，進行詳解。

一、典型題型

1.只含一個二極管的電路

例1：電路如圖1所示，設二極管為硅管，U=0.7V，試判斷電路中二極管是導通還是截止，并求出輸出電壓U。

圖1 圖2

2.含兩個二極管的電路

例2：二極管構成的門電路如圖2所示，設V、V均為理想二極管，試判斷電路中各個二極管的導通情況，并求輸出電壓U的值。

（1）UA=15V，UB=15V；

（2）UA=5V，UB=15V；

（3）UA=15V，UB=5V；

（4）UA=5V，UB=10V。

這類題型中涉及的關鍵問題是對于二極管的處理，因此在解決含有二極管的題型時，我們必須對二極管有一定的了解。

二、“等效替代法”的引入

由于《模擬電子技術》課程屬于專業基礎課程，一般授課時間安排在大一下學期，它的前修課程有《物理》和《電工基礎》，大部分學生之前沒有接觸過二極管這個元器件，因此這道題對學生的難點就是二極管的處理，那能否用大家比較熟悉的器件來對二極管進行等效替代呢？什么樣的器件比較適合？這依賴于對二極管的相關知識與特性的了解。

1.單向導電性

二極管是由PN結構成的，所以在很大程度上，二極管表現出來的特性就是PN結的特性，即單向導電性，正向導通，反向截止。因此二極管在電路中具有開關特性。

2.二極管的導通條件

從例題中可以看出二極管有理想二極管和普通二極管之分，因此，我們要分別考慮這兩類二極管的導通條件：

（1）理想二極管的導通條件

理想二極管的陽極電位與陰極電位的差值不小于零，即：U-U≥0時，理想二極管導通，否則理想二極管截止。

（2）普通二極管的導通條件

普通二極管的陽極電位與陰極電位的差值不小于二極管的導通電壓，又稱管壓降（U），即U-U≥U時，二極管導通，否則二極管截止。

3.二極管在電路中的等效替代電路

理想二極管，在電路中，如果導通，開關閉合；否則，不通，開關斷開。

一般二極管，在電路中，如果導通，開關閉合且提供一特殊電壓源，有恒定的電壓降U；否則，不通，開關斷開。用等效替代法分別畫出此時圖1和圖2的等效電路圖圖3和圖4。

三、解題過程

1.分析階段

由二極管的知識分析可知，要想對含二極管的電路進行分析，其關鍵問題是判斷電路中的二極管的工作狀態，即是導通還是截止，亦即等效電路圖中的開關是斷開還是閉合。

2.解題步驟

由前面的分析可知，題目求解的關鍵即為判斷電路中的二極管的工作狀態。

（1）含一個二極管的電路分析的解題步驟

第一步：斷開二極管，考察此時二極管的陽極電位和陰極電位分別是多少，判斷是否滿足二極管的導通條件，滿足則導通，開關閉合；不滿足則截止，開關斷開。（判斷二極管的工作狀態）

第二步：根據判斷后的電路，對電路中的參數進行計算。

以例1為例進行求解。

解：斷開二極管，（在電路圖3中）U=VDD1，U=VDD2（因為此時開關斷開，所以電路中沒有回路，電阻上也就沒有電壓降）；

因為電路中的二極管為硅管，U=0.7V

①VDD1=6V，VDD2=12V；

因為：VDD1-VDD2=-6V＜0.7V，不滿足二極管導通條件

所以：二極管截止，開關斷開。U=VDD2=12V。（此時電阻上沒有電壓降）

②VDD1=6V，VDD2=-12V；

因為：VDD1-VDD2=18V≥0.7V，滿足二極管導通條件

所以：二極管導通，開關閉合。即提供一特殊電壓源。U=VDD1-0.7V=5.3V。

③VDD1=-6V，VDD2=-12V；

因為：VDD1-VDD2=6V≥0.7V，滿足開關閉合條件

所以：二極管導通，開關閉合。即提供一特殊電壓源。U=VDD1-0.7V=-6.7V.

（2）含兩個二極管的電路分析的解題步驟

第一步：斷開所有二極管，考察此時二極管的陽極電位和陰極電位分別是多少，分別單獨判斷各個二極管是否滿足導通條件，滿足則導通，不滿足則截止。（判斷二極管的工作狀態）

第二步：根據第一步的判斷，其結果應該有3種情況：

①兩個二極管均不導通，結論為兩個二極管均不導通；

②一個導通，一個截止，結論為一個導通一個截止；

③兩個均導通，該情況相對來說比較復雜，不可以簡單下結論，需要進一步進行判斷。

此時，管壓降（即陽極電位與陰極電位差值）大的優先導通，而管壓降小的二極管的導通情況需要先斷開，然后在管壓降大的二極管導通之后，再次考察陽極電位與陰極電位是否滿足導通條件，滿足則該管也導通，否則該管截止。

第三步：根據判斷后的二極管在電路中的工作狀態對電路中的參數進行計算。

以例2為例進行求解。

解：斷開所有二極管，（在電路圖4中）

則V：U=12V，U=UA，

V：U=12V，U=UB.

①因為電路中的二極管為理想二極管，

（1）UA=15V，UB=15V；

因為：V：U-U=-3＜0，不滿足二極管導通條件

V：U-U=-3＜0，不滿足二極管導通條件

（屬于第一種情況）

所以：V截止，V截止；即K、K均斷開，U=12V。（電阻R上無電壓降）

②UA=5V，UB=15V；

因為：V：U-U=7≥0，滿足二極管導通條件

V：U-U=-3＜0，不滿足二極管導通條件

（屬于第二種情況）

所以：V導通，V截止；即K閉合、K斷開，U=UA=5V。

③UA=5V，UB=15V；

因為：V：U-U=-3＜0，不滿足二極管導通條件

V：U-U=7≥0，滿足二極管導通條件

（屬于第二種情況）

所以：V截止，V導通；即K斷開、K閉合，U=UB=15V。

④UA=5V，UB=10V；

因為：V：U-U=7≥0，滿足二極管導通條件

V：U-U=2≥0，滿足二極管導通條件

（屬于第三種情況）

又因為：V的管壓降為7V，V的管壓降為2V，很顯然7V＞2V

所以：V優先導通，即開關K閉合；在K閉合之后，對二極管V：U=5V，U=10V。

此時：U-U=-5V＜0，不滿足導通條件。

所以：V導通，V截止，即K閉合，K斷開，U=UA=5V。

四、結語

通過“等效替代法”在二極管電路分析的運用，我們不難發現：在求解電路時，把不熟悉的元器件根據它的特性轉換為熟悉的、常規的元器件，能大大降低題目的求解難度，因此，正確靈活運用“等效替代法”，不失為電路求解中的一個好方法。

參考文獻：

［１］胡宴如.模擬電子技術.高等教育出版社，2005.4（11，5）.