二極管原理及特性-二極管不同分類與整流電路詳細(xì)解析

二極管的基本概述

二極管由管芯、管殼和兩個(gè)電極構(gòu)成。管芯就是一個(gè)PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端各引出一個(gè)引線，并用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼，就構(gòu)成了晶體二極管，如下圖所示。P區(qū)的引出的電極稱為正極或陽(yáng)極，N區(qū)的引出的電極稱為負(fù)極或陰極。

二極管原理

二極管工作原理（正向?qū)щ姡聪虿粚?dǎo)電）

晶體二極管是一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成了空間電荷層，并且建有自建電場(chǎng)，當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，因?yàn)閜-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 當(dāng)產(chǎn)生正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)與自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流（也就是導(dǎo)電的原因）。 當(dāng)產(chǎn)生反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)與自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍中與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流I0（這也就是不導(dǎo)電的原因）。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

二極管的特性

（1）二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指加在二極管兩端電壓和流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系，用于定性描述這兩者關(guān)系的曲線稱為伏安特性曲線。通過(guò)晶體管圖示儀觀察到硅二極管的伏安特性如下圖所示。

（2）二極管的正向性

外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被克服，二極管正向?qū)?，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變，這個(gè)電壓稱為二極管的正向電壓。

（3）二極管的反向性

外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)，通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。

（3）二極管的擊穿

外加反向電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時(shí)二極管失去單向?qū)щ娦浴Ｈ绻O管沒(méi)有因電擊穿而引起過(guò)熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞?huì)被永久破壞，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢復(fù)，否則二極管就損壞了。因而使用時(shí)應(yīng)避免二極管外加的反向電壓過(guò)高。

二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷?，有電子二極管和晶體二極管之分，電子二極管現(xiàn)已很少見(jiàn)到，比較常見(jiàn)和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半?dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用也非常廣泛。

二極管的管壓降：硅二極管（不發(fā)光類型）正向管壓降0.7V，鍺管正向管壓降為0.3V，發(fā)光二極管正向管壓降會(huì)隨不同發(fā)光顏色而不同。主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0--2.2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8—2.0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0—3.2V，正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA。

二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時(shí)候要接相適應(yīng)的電阻。

二極管的分類

（1）二極管按照所用的半導(dǎo)體材料：

鍺二極管（Ge管）

硅二極管（Si管）

（2）根據(jù)其不同用途：

檢波二極管

整流二極管

穩(wěn)壓二極管

開(kāi)關(guān)二極管

隔離二極管

肖特基二極管

發(fā)光二極管

硅功率開(kāi)關(guān)二極管

旋轉(zhuǎn)二極管等

（3）按照管芯結(jié)構(gòu)：

點(diǎn)接觸型二極管

面接觸型二極管

平面型二極管

二極管-整流電路解析
（1）單向半波整流電路

二極管就像一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，u2為正半周時(shí)，自動(dòng)把電源與負(fù)載接通，u2為負(fù)半周時(shí)，自動(dòng)將電源與負(fù)載切斷。因此，由下圖可見(jiàn)，負(fù)載上得到方向不變、大小變化的脈動(dòng)直流電壓uo如下圖所示。由于該電路只在u2的正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。如果將整流二極管的極性對(duì)調(diào)，可獲得負(fù)極性的直流脈動(dòng)電壓。

（2）全波整流電路

整流原理：

設(shè)變壓器二次側(cè)的電壓為：

1)當(dāng)u2為正半周時(shí)，A點(diǎn)電位最高，V點(diǎn)電位最低，二極管V1和V3導(dǎo)通，V2和V4截止，電流的通路是 A→V1→RL→V3→B。

2)當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，B點(diǎn)電位最高，A點(diǎn)電位最低，二極管V2和V4導(dǎo)通，V1和V3截止，電流的通路是 B→V2→RL→V4→A。

可見(jiàn)，在u2變化的一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載RL上始終流過(guò)自上而下的電流，其電壓和電流的波形為一全波脈動(dòng)直流電壓和電流，如下圖所示。

（3）濾波電路

整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為此需要將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除掉，這一過(guò)程稱為濾波。

（4）電容濾波

電容濾波的特點(diǎn)為：

1)輸出電壓平均值的大小與濾波電容C及負(fù)載電阻RL的大小有關(guān)，C的容量或RL的阻值越大，其放電速度越慢，輸出電壓也越大，濾波效果越好。

2)在采用大容量濾波電容時(shí)，接通電源的瞬間充電電流特別大。電容濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓UL較高，紋波也較小，但是輸出特性較差，故適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。

參數(shù)選擇：

1) 輸出電壓：UL=U2(半波) UL=1.2*U2(全波或橋式)

2) 電容的選擇：C>=(0.03~0.05)/RL

3) 二極管的選擇：Urm=1.41*U2

（5）電感濾波

電感濾波器特點(diǎn)：由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用使二極管的導(dǎo)通角比電容濾波電路時(shí)增大，流過(guò)二極管的峰值電流減小，外特性較好，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。電感濾波電路主要用于電容濾波器難以勝任的大電流負(fù)載或負(fù)載經(jīng)常變化的場(chǎng)合，在小功率電子設(shè)備中很少使用。

對(duì)直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。

對(duì)諧波分量: f 越高，XL 越大,電壓大部分降在XL上。因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。

當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：UL=0.9U2

（6）穩(wěn)壓二極管

當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流Iz在Izmax和 Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)。

幾種二極管整流電路原理圖解。

（1）二個(gè)二極管全波整流電路圖

用2個(gè)二極管全波整流電路如下圖：

（2）四個(gè)二極管全波整流電路圖

橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3加正向電壓，D1、D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成E2、D1、Rfz 、D3通電回路，在Rfz 上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，E2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。

電路中構(gòu)成E2、D2、Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz 上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整流電路小一半。

橋式整流器利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導(dǎo)通，得到正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。 橋式整流器對(duì)輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。橋式整流是交流電轉(zhuǎn)換成直流電的第一個(gè)步驟。

（3）單相全波橋式整流器電路工作原理

由圖可看出，電路中采用四個(gè)二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，在負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，流過(guò)負(fù)載RL的電流方向與正半周一致。

因此，利用變壓器的一個(gè)副邊繞組和四個(gè)二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流。橋式整流的名稱只是說(shuō)明電路連接方法是橋式的接法，橋式整流二極管：大家常用的一般是由4只單個(gè)二極管封裝在一起的元件，取名橋式整流二極管，整流橋或全橋二極管。

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