二極體工作原理及應用
1. 基本概念
二極體由管芯、管殼和兩個電極構成。管芯就是一個PN接面,在PN接面的兩端各引出一個引線,並用塑料、玻璃或金屬材料作為封裝外殼,就構成了晶體二極體,如下圖所示。P區的引出的電極稱為正極或陽極,N區的引出的電極稱為負極或陰極。
1.1 二極體的伏安特性
二極體的伏安特性是指加在二極體兩端電壓和流過二極體的電流之間的關係,用於定性描述這兩者關係的曲線稱為伏安特性曲線。通過電晶體圖示儀觀察到矽二極體的伏安特性如下圖所示。
1.2 正向特性
1)外加正向電壓較小時,二極體呈現的電阻較大,正向電流幾乎為零,曲線OA段稱為不導通區或死區。一般矽管的死區電壓約為0.5伏, 鍺的死區電壓約為0.2伏,該電壓值又稱門坎電壓或閾值電壓。
2)當外加正向電壓超過死區電壓時,PN接面內電場幾乎被抵消,二極體呈現的電阻很小,正向電流開始增加,進入正向導通區,但此時電壓與電流不成比例如AB段。隨外加電壓的增加正向電流迅速增加,如BC段特性曲線陡直,伏安關係近似線性,處於充分導通狀態。
3)二極體導通後兩端的正向電壓稱為正向壓降(或管壓降),且幾乎恆定。矽管的管壓降約為0.7V,鍺管的管壓降約為0.3V。
1.3 反向特性
1)二極體承受反向電壓時,加強了PN接面的內電場,二極體呈現很大電阻,此時僅有很小的反向電流。如曲線OD段稱為反向截止區,此時電流稱為反向飽和電流。實際應用中,反向電流越小說明二極體的反向電阻越大,反向截止效能越好。一般矽二極體的反向飽和電流在幾十微安以下,鍺二極體則達幾百微安,大功率二極體稍大些。
2)當反向電壓增大到一定數值時(圖中D點),反向電流急劇加大,進入反向擊穿區,D點對應的電壓稱為反向擊穿電壓。二極體被擊穿後電流過大將使管子損壞,因此除穩壓管外,二極體的反向電壓不能超過擊穿電壓。
2. 整流電路
2.1 單向半波整流電路
二極體就像一個自動開關,u2為正半周時,自動把電源與負載接通,u2為負半周時,自動將電源與負載切斷。因此,由下圖可見,負載上得到方向不變、大小變化的脈動直流電壓uo如下圖所示。由於該電路只在u2的正半周有輸出,所以稱為半波整流電路。如果將整流二極體的極性對調,可獲得負極性的直流脈動電壓。
2.2 全波整流電路
整流原理:
設變壓器二次側的電壓為:
1)當u2為正半周時,A點電位最高,V點電位最低,二極體V1和V3導通,V2和V4截止,電流的通路是 A→V1→RL→V3→B。
2)當u2為負半周時,B點電位最高,A點電位最低,二極體V2和V4導通,V1和V3截止,電流的通路是 B→V2→RL→V4→A。
可見,在u2變化的一個週期內,負載RL上始終流過自上而下的電流,其電壓和電流的波形為一全波脈動直流電壓和電流,如下圖所示。
3. 濾波電路
整流電路將交流電變為脈動直流電,但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為此需要將脈動直流中的交流成分濾除掉,這一過程稱為濾波。
3.1 電容濾波
電容濾波的特點為:
1)輸出電壓平均值的大小與濾波電容C及負載電阻RL的大小有關,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)在採用大容量濾波電容時,接通電源的瞬間充電電流特別大。電容濾波器結構簡單,負載直流電壓UL較高,紋波也較小,但是輸出特性較差,故適用於負載電壓較高,負載變動不大的場合。
引數選擇:
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) 二極體的選擇:Urm=1.41*U2
3.2 電感濾波
電感濾波器特點:由於自感電動勢的作用使二極體的導通角比電容濾波電路時增大,流過二極體的峰值電流減小,外特性較好,帶負載能力較強。電感濾波電路主要用於電容濾波器難以勝任的大電流負載或負載經常變化的場合,在小功率電子裝置中很少使用。
對直流分量: XL=0 相當於短路,電壓大部分降在RL上。
對諧波分量: 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。
當忽略電感線圈的直流電阻時,輸出平均電壓約為:UL=0.9U2
3.3 RC – pai型濾波
在電流較小、要求不高的情況下,常用電阻代替電感L,構成RC-pai型濾波器。它成本低、體積小,濾波效果好。但由於電阻要消耗功率,所以電源的損耗功率較大,電源的效率降低,一般適用於輸出電流小的場合。
4. 穩壓二極體
當穩壓二極體工作在反向擊穿狀態下,當工作電流Iz在Izmax和 Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數。
5. 二極體的分類
名稱 | 應用場合及主要功能 | 主要技術引數 | 特點 |
整流二極體 | 用於交流轉換直流電路中用於整流,一般整流管用於低頻電路中,高頻場合一般用快恢復及肖特基管,廣泛應用於各種電子產品中。 | 最大平均整流電流IFM | 利用二極體單向導電性,可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電 |
反向擊穿電壓VR | |||
反向漏電流IR | |||
最高工作頻率fM | |||
反向恢復時間trr | |||
最高反向工作電壓VRM | |||
穩壓二極體 | 用於浪湧保護電路、過壓保護電路、電弧抑制電路、串聯型穩壓電路,廣泛應用於各種電子產品中。 | 穩壓電壓Uz | 穩壓二極體是利用反向擊穿特性實現穩壓,工作在擊穿電壓區的特殊二極體。 |
穩壓電流IZ | |||
反向漏電流IR | |||
最大允許功耗PM | |||
穩定電壓溫度係數CTV | |||
動態電阻RZ | |||
開關二極體 | 小功率開關二極體主要使用於電視機、收錄機及其他電子裝置的開關電路、檢波電路高頻高速脈衝整流電路等。大功率開關二極體主要用於各類大功率電源作續流、高頻整流、橋式整流及其它開關電路。 | 反向擊穿電壓VR | 在電路中起到控制電流通過或關斷的作用,成為一個理想的電子開關。開關二極體的正向電阻很小,反向電阻很大,開關速度很快. |
最高反向工作電壓VRM | |||
正向電流IF | |||
反向恢復時間trr | |||
發光二極體 | 發光二極體用於電視機等產品中作電源指示燈、LCD中作背光源燈、LED顯示屏、家用照明等,用途廣泛。 | 工作電壓VCC | 工作電壓很低(有的僅一點幾伏);工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發光);抗衝擊和抗震效能好,可靠性高,壽命長;通過調製通過的電流強弱可以方便地調製發光的強弱。 |
正向電流IF | |||
反向漏電流Is | |||
閃爍頻率f | |||
佔空比D(%) | |||
發光峰值波長AP | |||
發光強度(mcd) | |||
變容二極體 | 用作自動頻率控制、調諧迴路、振盪電路、鎖相環路,常用於電視機高頻頭的頻道轉換和調諧電路。 |
結電容Cj | 是一種利用PN接面電容(勢壘電容)與其反向偏置電壓Vr的依 賴關係及原理製成的二極體。反偏電壓愈大,則結電容愈小。 |
最高反向電壓URM | |||
結電容變化範圍 | |||
檢波二極體 | 檢波(也稱解調)二極體的作用是利用其單向導電性將高頻或中頻無線電訊號中的低頻訊號或音訊訊號取出來,廣泛應用於半導體收音機、收錄機、電視機及通訊等裝置的小訊號電路中。 | 最大平均整流電流IFM | 其結電容低,工作頻率高(可達400MHz)處理訊號幅度較弱和反向電流小等特點。 |
反向擊穿電壓VR | |||
最高反向工作電壓VRM | |||
最高工作頻率fM | |||
雙向觸發二極體 | 用於觸發雙向閘流體及構成過壓保護電路、定時器、移相電路等。 | 正向轉折電壓VBO | 具有對稱性的二端半導體器件,可等效於基極開路、發射極與集電極對稱的 NPN 電晶體;結構簡單,價格低廉。 |
反向轉折電壓VBR | |||
正向轉折電流IBO | |||
光敏二極體 | 一般用於光控開關電路,光耦及路燈開關中等。 | 最高工作電壓Vmax | 無光照時,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流,此時光敏二極體截止。當受到光照時,飽和反向漏電流大大增加,形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。 |
暗電流ID | |||
光電流IL | |||
雙基極二極體 | 用於張馳振盪電路,定時電壓讀出電路中。 |
基極電阻RBB | 雙基極二極體又稱單結電晶體,具有兩個基極,一個發射極的三端負阻器件,它具有頻率易調、溫度穩定性好等特點. |