《嵌入式 - 嵌入式大杂烩》详解常见的二极管

二极管是很常用的电子元件之一,它很大的特性就是单向导电,也就是电流只可以从二极管的一个方向流过,二极管的作用有整流电路,检波电路,稳压电路,各种调制电路等

二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能, 即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。 当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。 因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。

二极管的种类很多,本文就一些常用的二极管做一些介绍。

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1普通二极管

1.1二极管的特性

理想情况下,二极管可以看成一个开关,正向导通,反向截止,不消耗电能。但是实际中,任何报道都是需要消耗功率的,因此二极管最重要的一个特性就是伏安特性。二极管的伏安特性曲线是非线性的,如下图所示:
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根据施加在二极管的电压,可以分为三个工作区域:
1.正向偏置:当二极管两端的电压为正时,二极管“导通”并且电流可以通过。电压应大于正向电压 (VF ),二极管后的电路才能正常工作。

2.反向偏置:这是二极管的“关闭”模式,其中电压小于 VF但大于 -VBR。在这种模式下,电流(大部分)被阻断,二极管关闭,只有少量的电流(nA的量级)。

3.击穿:当施加在二极管上的电压非常大且为负时,大量电流将能够从阴极向阳极反向流动,。
每个二极管所有特性在数据手册中都有详细说明。例如,此1N4148二极管的数据手册列出了最大正向电压 (1V) 和击穿电压 (100V)。

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在数据手册中还有二极管的伏安特性曲线。

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从上图中可以看到IN4148的最大正向电流。一些二极管非常适合大电流——1A 或更高,而1N4148 二极管只适用于 200mA 左右。

1.2 二极管仿真实验

为了进一步证实二极管的一些特性,接下来通过Multisim 来验证。根据经验,发光二极管的工作电压为1.7V左右,电流为5-20mA,因此电路中的电阻大约为1K,当然这只是粗略估计的。电路仿真如下图所示。

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根据仿真结果,电路中的电流为9.483mA,二极管、LED、电阻的电压已知,如果需要调整电流为10mA。则电阻值约为950。

再次修改电阻值,仿真结果如下。

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可以看到电路中的电流约为10mA。

有兴趣的朋友可以随意调整电阻,输入电压等,通过仿真来观察现象。

【总结】

1.不同的材质的二极管,其VF是不同的,硅二极管的VF约为0.6-1V。锗基二极管的VF约为 0.3V。
2.发光二极管为1-2V,电流值为5-20mA。
3.二极管反向不导通,当电压达到击穿电压时,二极管导通。
4.当正向电压很小时,二极管不导通,当电压至少达到0.5V时,二极管导通。




2 稳压二极管

稳压二极管,英文名:Zener diodes,又叫齐纳二极管,简称稳压管。它是一种用特殊工艺制造而成的面结型硅半导体二极管,它的外形、内部结构与普通二极管相似。压降为0.6-0.7V,小电流工作。

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一般二极管反向电压超过其反向耐压值时会被击穿而损坏,但是稳压二极管在承受反向电压达到稳压值时,反向电流急剧增大。只要反向电流值不超过允许的最大电流,就可以正常工作,它的反向伏安特性曲线较陡、线性度很好。

因此,稳压二极管的主要作用就是保护或限制电压,使整体电压保持基本不变,所以稳压二极管常被作为稳压器或电压基准元件使用。

2.1稳压二极管的稳压原理

稳压二极管可用于在变化的负载电流条件下产生稳定的低纹波电压输出。通过从电压源通过二极管的小电流,通过合适的限流电阻,稳压二极管将传导足够的电流来维持电压降Vout。

稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多,反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时,反向电阻很大,反向漏电流极小。但是,当反向电压临近反向电压的临界值时,反向电流骤然增大,称为击穿,在这一临界击穿点上,反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化,而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近,从而实现了二极管的稳压功能。

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通过在整流器的输出端连接一个简单的稳压器电路,如下图所示,可以产生一个更稳定的输出电压。

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由于稳压二极管与负载RS 并联,Vs 只要有一点增长,就会使流过稳压二极管的电流急剧增加,使得IR也增大,限流电阻R上的电压降增大,从而抵消了Vs的升高,保持负载电压Vout 基本不变。反之,若电压降低,引起Vs下降,造成Vout 也下降,则稳压二极管中的电流急剧减小,使得IR减小,R上的压降也减小,从而抵消了Vs 的下降,保持负载电压Vout基本不变。

若Vs不变而负载电流增加,则R上的压降增加,造成负载电压Vout下降。Vout只要下降一点点,稳压二极管中的电流就迅速减小,使R上的压降再减小下来,从而保持R上的压降基本不变,使负载电压Vout得以稳定。

【稳压二极管稳压电路小贴士】
当稳压二极管试图稳压时,有时会在直流电源上产生电子噪声。通常,对于大多数应用来说这不是问题,但可能需要在稳压二极管输出端添加一个大值去耦电容,以提供额外的平滑效果。

2.2稳压二极管的主要参数

稳定电压Uz:稳压管反向击穿后稳定工作时的电压值称为稳定电压;

稳定电流Iz:稳压管反向击穿后稳定工作时的反向电流称为稳定电流。稳压管允许通过的最大反向电流称为最大稳定电流,使用稳压管时,工作电流不能超过,一般按大于2倍输出电压来设计;

动态电阻Rz:稳压管在反向击穿的曲线工作时,电压变化量△Uz与电流变化量△I之比称为动态电阻,动态电阻越小说明稳压性能越好;

额定功耗Pz:由芯片允许温升决定,它的额定值为稳定电压Uz和允许最大电流Iz的乘积。

温度系数α:稳压管的温度变化会导致稳定电压发生微小变化,因此温度变化1℃所引起管子两端电压的相对变化量即是温度系数,温度系数越小越好,说明稳压管受温度影响很小。

2.3稳压二极管仿真实验

假设需要从12V DC电源输入源生产5.0V稳定电源,电路仿真如下图所示。

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A)LED电流

在这里插入图片描述

和模拟的结果是一致的,如果设定LED的电流值,也可以计算出电阻R2的值。

B)稳压管电流
在这里插入图片描述

2.4稳压二极管的应用

稳压二极管由于具有稳压作用,因此在很多电路当中均有应用,广泛用在稳压电源、电子点火器、直流电平平移、限幅电路、过压保护电路、补偿电路等当中。

1.稳压电路
下图是常用的稳压电路图,当负载RL电流增大时,电阻R1上的压降增大,负载电压随之降低,但是,只要稳压管两点电压稍有下降,稳压管电流就会显著减小,使通过电阻R1的电流和电阻R1上的压降基本不变,使得负载电压也基本不变。负载电流减小时,稳压过程则与此过程相反。上一节就是利用稳压二管的稳压特性做的仿真实验。
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2.过压保护
过压有过高电压和低电压保护,如图是低压保护电路,避免负载长时间处于低压状态而断开电路,它利用的是稳压二极管的击穿电压,一旦电源电压VCC超过稳压管击穿电压时,那么稳压管就会导通,这时候触点K吸合,继电器接通,负载RL工作。当VCC电压过低(没有达到稳压管稳定电压值)时,触点不动作,继电器不会吸合。

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3.温度补偿
稳压二极管在温度补偿电路利用的是稳压二极管的温度系数,如下图是用温度互补型稳压二极管构成的稳压电路,采用互补型稳压二极管对于稳压要求较高的电路当中,特别是温度对电压的影响,这种具有温度互补特性的稳压二极管内部其实有两只普通的稳压二极管,但是它们的温度特性相反,当温度升高或下降时,一只二极管的管压降下降,另一只二极管的管压降升高,这样两只二极管总的管压降保持不变,起到到温度补偿作用。

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4.限幅电路
二极管限幅电路是用于对输入AC波形(或任何正弦波)进行整形或修改的电路,其根据电路布置产生不同形状的输出波形。二极管限幅器电路也称为限幅器,因为它们限制或切断输入交流信号的正(或负)部分。由于稳压钳位电路限制或切断电路中波形的一部分,它们主要用于电路保护或波形整形电路中。
例如,如果我们想在+7.5V时对输出波形进行削波,我们将使用7.5V稳压二极管。如果输出波形试图超过7.5V的限制,则稳压二极管将“切断”来自输入端的多余电压,产生一个平顶的波形,仍然保持输出恒定在+7.5V的波形。注意,在正向偏置条件下,稳压二极管仍然是二极管,当交流波形输出低于-0.7V时,稳压二极管会像普通硅二极管一样“打开”,并将输出保持在-0.7V的波形,如下图所示。

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背靠背连接的稳压二极管可以用作交流调节器,产生被戏称为“穷人的方波发生器”的东西。使用这种配置,我们可以在7.5V稳压二极管的正值+ 8.2V和负值-8.2V之间剪切波形。

因此,例如,如果我们想要在两个不同的最小值和最大值(+ 8V和-6V)之间剪切输出波形,我们只需使用两个不同额定值的稳压二极管。请注意,由于增加了正向偏置二极管电压,输出实际上会将交流波形限制在+ 8.7V和-6.7V之间。

换句话说,峰值到峰值电压为15.4伏而不是预期的14伏,因为二极管上的正向偏置电压降在每个方向上再增加0.7伏。

这种类型的限幅器配置对于保护电子电路免受过电压是相当普遍的。两个稳压二极管通常放置在电源输入端子上,在正常工作期间,其中一个稳压二极管“关闭”,二极管几乎没有影响。但是,如果输入电压波形超过其极限,则稳压二极管变为“ON”并钳位输入以保护电路。

【总结】
1.稳压二极管的使用形式为稳压二极管和电阻进行串联。
2.稳压二极管要达到比较好的稳压效果,一定要注意稳压电流的选取。
3.在电路应用中一定要注意串联电阻阻值的选择。
总之:稳压二极管起着电流的自动调节作用,而限流电阻起着电压调整作用。稳压二极管的动态电阻越小,限流电阻越大,输出电压的稳定性越好。




3 整流二极管

整流二极管是一种能够将交流电能转化成为直流电能的半导体器件,整流二极管具有明显的单向导电性,是一种大面积的功率器件,结电容大,工作频率较低,一般在几十千赫兹,反向电压从25V到3000V。

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硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好,通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造,这种器件结面积大,能通过较大电流(通常可以达到数千安),但工作频率不高,一般在几十千赫兹以下,整流二极管主要用于各种低频整流电路。

3.1 整流二极管的常用参数

(1)最大平均整流电流IF
指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值,并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。

(2)最高反向工作电压VR
指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值,则反向电流(IR)剧增,二极管的单向导电性被破坏,从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。例如1N4001的VR为50V,1N4007的VR为1OOOV。

(3)最大反向电流IR
它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流,此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小,表明二极管质量越好。

(4)击穿电压VR
指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时,则指给定反向漏电流条件下的电压值。

(5)最高工作频率fm
它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定,若工作频率超过fm,则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。

(6)反向恢复时间tre
指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。

(7)零偏压电容CO
指二极管两端电压为零时,扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是,由于制造工艺的限制,即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。手册中给出的参数往往是一个范围,若测试条件改变,则相应的参数也会发生变化,例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的IR小于1OuA,而在100°C时IR则变为小于500uA。

整流二极管一般为平面型硅二极管,用于各种电源整流电路中。选用整流二极管时,主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。

普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管,对截止频率的反向恢复时间要求不高,只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如,1N系列、2CZ系列、RLR系列等。

开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管,应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管(例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等)或选择快恢复二极管。

3.2整流二极管整流常用电路分析

1.半波整流电路

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上图是一种最简单的整流电路。它由电源变压器、整流二极管D 和负载电阻RL 组成。变压器把市电电压(多为220V或380V)变换为所需要的交变电压U2,D 再把交流电变换为脉动直流电。
半波整流原理:变压器次级电压U2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如下图(a)所示。

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在0~K时间内,U2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通,U2通过它加在负载电阻RL上,在π~2π 时间内,U2为负半周,变压器次级下端为正,上端为负。这时D承受反向电压,不导通,RL上无电压。在π~2π时间内,重复0~π 时间的过程,而在3π~4π时间内,又重复π~2π时间的过程。这样反复下去,交流电的负半周就被“削”掉了,只有正半周通过RL,在RL上获得了一个单一右向(上正下负)的电压,从而达到了整流的目的,但是,负载电压Usc以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很低(计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压Usc=0.45e2)因此常用在高电压、小电流的场合,而在一般无线电装置中很少采用。

2.全波整流电路(单向桥式整流电路)

如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。

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全波整流电路,可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称的绕组,从而引出大小相等但极性相反的两个电压。如下图所示,全波整流不仅利用了正半周,而且还巧妙地利用了负半周,从而大大地提高了整流效率(Usc=0.9e2,比半波整流时大一倍)。

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注:全波整滤电路需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头,这给制作上带来很多的麻烦。另外,这种电路中,每只整流二极管承受的最大反向电压,是变压器次级电压最大值的两倍,因此需用能承受较高电压的二极管。

3.桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。

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桥式整流电路的工作原理如下:

E2为正半周时,对D1、D3加正向电压,D1,D3导通;对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。电路中构成E2、D1、Rfz、D3通电回路,在Rfz上形成上正下负的半波整洗电压,E2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通;对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。电路中构成E2、D2、Rfz、D4通电回路,同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去,结果在Rfz上便得到全波整流电压。

单相全波桥式整流电路其波形图和全波整流波形图是一样的。但是桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整洗电路小一半!

3.3整流二极管仿真实验

根据桥式整流电路,整流二极管仿真如下图所示。

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可以看到其输出波形和前文的分析是一致的。

如果加上滤波电容,稳压管就可变成一个简易的直流电源了。




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