🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 理解為何電子電路需要保護
- 認識二極體常見的保護用法
- 了解夾位（Clamping）與反向保護原理
- 建立「先活下來再談性能」的工程直覺
🧭 一、先給核心觀念：真實世界永遠會出事
現實世界一定存在：
- 👉 接錯線（正負接反）
- 👉 突波（電源瞬態、插拔瞬間）
- 👉 感性負載反彈（線圈/馬達關斷尖峰）
- 👉 靜電（ESD）
- 👉 保護元件不被燒毀
- 👉 確保失誤不會變成災難
一句工程真理：
沒有保護的高性能，只是「比較快燒掉」。
🧠 二、反向極性保護（Reverse Polarity Protection）
✅ 用途
- 👉 防止電源接反（最常見的人為事故）
✅ 最基本串聯二極體保護（最直覺）
+V o----|>|----o V_in(給電路)
GND o------------o GND
- 正常接法：|>| 正向導通 → 電路得到電
- 接反時：二極體反向截止 → 電路幾乎不吃電
⚠️ 代價（你要寫清楚）
- 👉 會損失一個導通壓降 VF
- 矽二極體：約 0.6~0.9V（依電流與溫度）
- 肖特基：約 0.2~0.5V（低壓系統更常用）
🔧 工程補充：什麼情況不適合用「串聯二極體」？
- 低電壓系統（例如 3.3V / 5V）
→ 掉 0.4~0.8V 很痛，容易讓系統不穩 - 大電流系統
→ 功耗變大：P ≈ I × VF，熱會上來
進階解法通常會用「PMOS 反接保護」，但本單元先專注二極體直覺。
🧠 三、感性負載保護（Flyback Diode / Freewheeling Diode）
✅ 問題本質：線圈不是「想停就停」
驅動線圈/繼電器/馬達時：
- 你開關關掉那一刻，電流想瞬間變 0
- 但線圈的物理規則是：
👉 電流不能突然改變
所以它會用「產生高電壓」來維持電流
這個高電壓常常會把：
- 開關晶體管（BJT/MOSFET）
- 驅動 IC
直接打爆（過壓崩潰）
✅ 正確保護電路（二極體要並聯在線圈上）
+V
|
[L] 線圈/繼電器
|
+----o 開關/MOSFET o---- GND
|
|<| Flyback diode（方向要讓正常時不導通）
|
+V
✅ 工作機制（用一句話）
- 正常導通時：二極體反向偏壓 → 不工作
- 關斷瞬間：線圈端電壓翻轉 → 二極體導通 → 電流有路回流
- 結果：尖峰被壓住，能量慢慢耗散掉
🧠 四、夾位保護（Clamping）
✅ 用途
限制輸入/輸出電壓不超過某個範圍，避免 IC 腳位過壓。
✅ 最簡單下夾位（防止負電壓）
Vin o----+----o Vout
|
|>| (對 GND 的夾位)
|
GND
🔍 你要補的工程重點：它夾到哪裡？
- 當 Vout 試圖變得太低（例如負向）
→ 二極體導通 → 把電壓拉回接近 0V 附近 - 夾位電壓大約是：
- Vout ≈ -VF（若是負向夾位）
- 或 Vout ≈ +VF（若是正向夾位，視接法）
✅ 工程提醒（避免寫成誤解）
夾位不是「把所有東西都變平」，而是：
- 👉 把超出範圍的部分導走
- 👉 需要配合限流（例如串電阻），否則二極體會硬吃電流燒掉
🧾 五、一句話記住本單元
🛡️ 二極體最重要的工作：
👉 犧牲自己（或犧牲一點壓降/效率），保護系統活下來。
🔬 電子學實驗題（19/120）
實驗名稱
二極體反向與感性負載保護觀察
🎯 實驗目的
- 觀察二極體在 反向極性 與 感性負載關斷尖峰 的保護效果
- 建立示波器觀察瞬態現象的工程直覺
🧰 實驗器材
- 二極體（建議：1N4148 / 1N4007 / 肖特基各一顆做比較）
- 直流電源（可調，5V~12V）
- 電阻（100Ω~1kΩ）
- 線圈或繼電器（5V 或 12V）
- 開關元件（手動開關或 MOSFET / NPN）
- 示波器（至少 1MHz 以上，10x 探棒）
🔧 實驗接線
A) 反向保護測試
+V o----|>|----[R]----o GND
B) 感性負載 Flyback 測試（核心）
+V
|
[L]
|
+----o 開關 o----GND
|
|<|
|
+V
🔧 實驗步驟（更完整、更像教材）
Part A：反向保護
- 先用正常極性供電，量測：
- [R] 兩端電壓（或電流）
- 二極體兩端壓降 VF
- 將電源正負對調（反接），再量測：
- 電路是否仍有電流
- 電阻上是否仍有明顯電壓
Part B：Flyback 保護
- 先不接 flyback diode（注意：電壓尖峰可能很高，示波器探棒用 10x）
- 用示波器量測：
- 線圈下端（開關節點）對地電壓波形
- 快速切換開關（ON→OFF），觀察關斷瞬間尖峰
- 接上 flyback diode
- 同樣切換 ON→OFF，比較波形差異
📊 預期觀察（你原本的句子我保留，但加上“你會看到什麼樣”）
- 有保護 → 尖峰被壓住、波形變「緩慢衰減」
- 無保護 → 關斷瞬間出現高電壓尖峰（常見為很窄很高的 spike + ringing）
✅ 專業解析
解析一、反向接電時為何能保護？
✅ 電流方向條件
- 二極體導通條件：正向偏壓
- 反向接電時等於：
|<| （反向偏壓）
→ 截止 → 電流 ≈ 0
✅ 你應該量到什麼？
- 正常接：電阻上有電壓（有電流）
- 反接：電阻上幾乎 0V（幾乎無電流）
- 二極體兩端會承受大部分反向電壓（注意不要超過耐壓）
解析二、關斷瞬間為何會有高壓尖峰？
✅ 物理原因一句話
線圈要維持電流，電流被你切斷後，它只能用「抬高電壓」來逼出一條路。
✅ 更工程的表達（但不硬塞公式）
- 你把開關關掉 → 電流路徑突然消失
- 線圈儲存的磁能必須釋放
- 沒有路可走 → 電壓就會飆升，直到擊穿或找到寄生路徑
解析三、Flyback diode 接上後，尖峰為何消失？
✅ 電流改走「回流路徑」
關斷瞬間：
L → |<| → +V （形成閉合回路）
- 電流不用再用「高電壓」來逼路徑
- 直接透過二極體回到電源端形成迴路
- 能量在迴路中的電阻、線圈電阻、二極體損耗中慢慢消散
✅ 你應該看到的波形差異（用語言描述）
- 無二極體： spike 很高、很尖、可能伴隨振鈴（ringing）
- 有二極體： 電壓被限制在約 +V + VF 附近，並呈現較平滑的衰減
解析四、為什麼「有保護」反而可能讓釋放變慢？
這點很關鍵，很多初學者會誤會。
- Flyback diode 讓電壓被壓低
- 電壓低 → 線圈電流衰減速度較慢
- 所以繼電器可能「放開比較慢」
（但好處是元件活下來）
工程取捨：要快釋放可能用 TVS、Zener clamp、RC snubber，但複雜度更高。
解析五、工程意義（把「為什麼要學這個」說透）
- 防止 MOSFET/BJT 過壓擊穿
- 防止 IC 腳位因突波失效
- 提升整機可靠度與維修成本控制
- 真正的工程順序是：
- 先保護
- 再談效率、噪聲、速度、成本最佳化
🧠 工程結論
👉 保護設計永遠排第一。
👉 先活下來，再談性能。
