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二极管大全

  • 二极管

    是电子电路中使用十分普遍的一种电子元件,它结构上很简单,就是一个

    pn结

    ,具有单向导电作用;自从人们发明了晶体管以后,根据不同的使用场合,人们制造了各种各样的二极管,以满足不同的使用环境;这里把二极管的种类讲一下;
  • 在讲解二极管的分类之前,必须先看一下它的结构、原理。
  • 二极管之所以具有单向导电能力,关键是其有一个

    pn结,又叫空间电荷区、耗尽层、阻挡层

    。这个空间电荷区的正负粒子是不能运动的。

pn结结构图

  • 这个空间电荷区是一个

    内电场

    ,具有一定的电压(0-0.5v)电场方向由

    n区指向p区

    ,又相当于一个具有两个极板的

    电容(结电容)

    ,如果这个极板面积大那么它的电容量就大,反之就小,这个电容影响了二极管的

    使用频率、开关速度

    ,我们知道电容具有隔直通交作用,且频率越大容抗越小,那么如果这个电容足够大的话,交流电流就能反向通过了,二极管失去了单向导电作用,这就是二极管有

    最高工作频率

    的原因,不仅二极管具有频率特性,三极管也有,就是与这个结电容有关;
  • 由于其具有电容的性质,那么它就具有

    充电功能

    ,充电是有时间的,如果施加反向电压,其不会立即截止,会有一个较大的

    充电电流

    ,然后逐步减小到正常的

    反向电流值

    ,如果这个时间比交流电的周期也大,那这个二极管就不能用在这个电路当中了。二极管有一个重要的参数:

    反向恢复时间

    就是与这个电容有关;下面的分类中都有提到这个问题;

二极管伏安特性图

  • 从其伏安特性可以看出它由4个区组成:

    正向死区、正向导通区,反向截止区、反向击穿区

  • 这个内电场具有一定的

    电压

    ,单向导通的时候,需要

    抵消

    这个电压,这个电压有高低,相当打开大门时的阻力大小,这是晶体二极管、三极管特有的,我们在前面的文章中介绍过电子真空二极管就没有这个现象;
  • 导通之后

    电流迅速增加,但电压降很小,不超过1V

    ,此时相当于短路,用其可以钳位作用,在门电路中应用广泛,但其电流也不是无限制大,过大会损坏二极管,有一个最大整流电流。
  • 反向截止

    ,也不是完全截止,存在一定的微小的反向电流,比起正向电流小的很,我们希望其越小越好,甚至为零,但晶体管的结构特性决定了它不可能为零;
  • 反向击穿区

    ,当反向电压超过某一值时,反向电流迅猛增加,管子可能会损坏(稳压管除外),正常工作的管子是不允许出现这种情况的。
  • 因为二极管有以上特点,故其参数有以下重要的五个:
  • 1. 最大整流电流

    :二极管长时间使用时允许流过的最大正向平均电流;
  • 2. 最高反向工作电压

    :指二极管正常工作时两端能承受的最高反向电压,一般为反向击穿电压的一半;
  • 3. 最大反向电流

    :在二极管两端加最高反向工作电压时流过的反向电流;
  • 4. 最高工作频率

    :正常工作时的最高频率;
  • 5. 反向恢复时间

    :在规定条件下,从二极管外加反向电压开始到反向电流下降到最大反向电流的10%所需的时间。
  • 以上几个参数对于下面的分类很重要,有些种类的管子偏重于以上的某一个参数。
  • 按照二极管的用途分类:
  • 1. 整流二极管

    整流是二极管最基本的用途,也是应用最广泛的电路之一,但凡有电路就有电源,有电源就有整流电路,整流就是将交流电变成直流电的过程,通过二极管不同的组合形式可以组成半波、全波、桥式整流。整流二极管通过的电流较大,属于面接触性的二极管,这个可以理解,面积越大,多数载流子通过越多;
  • 现在广泛使用的整流二极管有1N4000-1N4007系列二极管,最大整流电流1A,最高反向电压在25v-1000V之间;另一种就是1N5400-1N5408系列二极管,最大整流电流,3A,最高反向电压50v-1000V;这两种二极管性能优良、价格低廉,在电子电路中得到了十分广泛的应用;电流更大的还有10A10等。为了简化电路,将桥式整流电路组合成整流桥,或称为桥堆,也得到了广泛的应用;如下图所示二极管组成的5种整流电路。

几种整流电路图

  • 2. 检波二极管

    :检波和整流本质上都是二极管

    单向导电性

    的应用,它们之间的差别在于:第一,整流针对电源处理的,也就是将交流电变成直流电,供给电路使用;检波是针对信号处理的,它将调幅波或调频信号中的低频信号取出来,进行放大,推动音响或其它执行电路,它们的根本目的不同;第二,整流电路电流较大,检波电流较小,一般以100mA为标准,大于100mA的就是整流电路,反之就是检波电路;由于检波是处理信号,而信号一般电压较小、频率较高,因此检波二极管的特性上应该是死区电压较低、工作频率较高的点接触性二极管,如锗二极管2AP9等,在老式收音机中得到了广泛的使用,现在又有了性能更好的检波二极管如1SS106等,可以极大的提高矿石收音机、直放式收音机、超外差式收音机的灵敏度;如下图直放式收音机中两个2AP9二极管组成了倍压检波电路。

检波二极管的应用电路

  • 3. 稳压二极管

    也叫

    齐纳二极管

    。聪明的人类发现二极管具有反向击穿后

    电压变化极小而电流变化极大

    的特点,便制成了稳压二极管,它工作在

    反向击穿区

    ,能够起到稳压作用、还可以作为其它元件的基准电压进行比较;现在使用比较广泛的是1N4727-51系列稳压管,稳定电压从3V-30V,耗散功率1W;大一点的是1N5333-1N5388系列,稳定电压在3.3V-200v之间,耗散功率5W;注意它是工作中反向击穿区的,且只有反向电压达到或超过其稳压值后才起作用(当然不能超过其耗散功率),在选择稳压管的时候,不仅要考虑稳定电压还必须考虑其耗散功率,否则可能会击穿稳压二极管,使其丧失作用。如下图1稳压二极管起稳压作用,图二,稳压二极管起基准电压作用;

1.稳压二极管的稳压作用

2.稳压二极管的基准作用

  • 4. 变容二极管

    前面在二极管的特性中提到过,其pn结相当于一个电容,当加正向电压时,其导通了,pn结宽度变窄,当其加反向电压时pn结宽度增加,相当于电容量降低,并且反向时其是截止的,因此利用这个原理制作了变容二极管,用它来取代手动的可变电容器,用于调谐、振荡等与频率选择有关的电路中,使得电路更加简单,并且容易实现自动控制、记忆功能;它具有二极管的一切特性,比如正向导通,反向截止,不过其结构上专门增加了结电容。如下图TDA7000集成电路调频收音机中的变容二极管与电感组成了谐振电路,通过可变电阻改变其反向电压达到调谐的目的。

  • 5. 发光二极管(LED)

    这是一种使用非常广泛的二极管,其导通电压比普通二极管高(1.8v-3v),反向电压较低,且不同颜色的二极管导通电压不同,由于其耗能低、亮度高、寿命长,价格低、效率高,迅猛占领了照明市场,在电子电路中多用作指示灯,反映电路的运行状态,它也具有普通二极管的一些特点;这种发光二极管按颜色分有红色、黄色、绿色、蓝色、白色光,形状各异,多个二极管组合在一起形成双色、三色发光二极管,和逻辑控制电路一起构成了绚丽多彩的美观灯。还有一种发光二极管叫闪烁二极管,它是在普通发光二极管的基础上增加了振荡电路,按一定频率闪烁;

  • 6. 开关二极管

    它是利用二极管的单向导电性,在半导体pn结上加上正向偏压后,在导通状态下,电阻很小(几十-几百欧);加上反向电压后截止,其电阻很大(硅管在100兆欧以上),在电路中起到电流通过或关断的作用,成为理想的电子开关,开关速度很快;常用的有典型的开关管为1N4148,在电路中经常见到,其它如1N4150、1N4448、1N457、1N914等;随着肖特基二极管、快恢复二极管的出现,多用它们作为开关管。如下图门电路中的开关二极管。

  • 7. 肖特基二极管(SBD)

    又称肖特基势垒二极管,它是以发明人肖特基博士命名的。属于大电流、低功耗、超高速的元件,它的特点是反向恢复时间很短,达到几纳秒,而工作电流却可达到几千安培,由于其导通、截止状态可以高速切换,故主要用在高频电路中,由于面接触性的肖特基二极管工作电流大,故变频器、电机驱动器、逆变器和开关电源中的整流、续流、保护二极管常采用面接触性的肖特基二极管,而点接触性肖特基二极管,其工作电流稍小,常在高频电路中用作检波、小电流整流。肖特基二极管的缺点是反向耐压低,一般在100V一下,因此不能用在高电压电路中,肖特基二极管与普通二极管一样具有单向导电性。如下图开关电源电路板中输出整流电路选用的是肖特基二极管,输入电源整流电路选用的是整流桥,尖峰吸收二极管选用的快恢复二极管;

开关电源电路板

  • 8. 快恢复二极管(FRD)、超快恢复二极管(SRD)

    ,是一种反向工作电压高、工作电流较大的高速半导体二极管,其反向基础电压可达到几千伏,反向恢复时间一般为几百纳秒。快恢复二极管广泛应用在开关电源、不间断电源、变频器和电机驱动器中,主要用作高频、高压和大电流整流和续流。它与普通二极管一样具有单向导电性;
  • 快恢复二极管和肖特基二极管的主要区别
  • A. 前者的反向恢复时间为几百纳秒,后者更快,可达几纳秒;
  • B. 前者的反向击穿电压高,后者较低;
  • C. 前者的功耗较大,后者相对较低;
  • 鉴于它们的不同,快恢复二极管注意用于高电压小电流的高频电路中,肖特基二极管主要用在低电压大电流的高频电路中。
  • 9. 双向触发二极管

    :它是三层、对称性质的二端半导体器件,等效于基极开路、发射极与集电极对称的NPN晶体管,这种管子的特性是双向导通,具有转折电压,低于这个电压时呈现高阻,高于这个电压时呈现低阻,其正反向特性完全对称;,很多情况下用作触发双向晶闸管,还常用作过压保护、定时、移相等电路;常用的有DB3、DC34、DB4、DB6,转折电压不同;如下图由双向触发二极管和双向可控硅组成的调光灯电路图。

双向二极管结构、特性

双向可控硅调光电路图

  • 10. 双基极二极管

    ,又叫

    单结晶体管

    ,它由发射极、两个基极组成的三端负阻器件,当加在发射极上的电压达到峰值电压时,迅速导通,当电压低于谷底电压时电路截止,用于张弛、定时等电路,具有频率易调、温度性能好的优点;多和单向晶闸管配合组成可调电压电路;如下图由单向可控硅和单结晶体管组成的调光电路。

  • 11. 阻尼二极管

    具有较高的反向工作电压和峰值电流、正向压降小,用于电视机行扫描电路中;常用的有2AN2CN2DN系列。如下图电视机行输出电路中的阻尼二极管。

  • 12. 瞬态电压抑制二极管

    又称

    瞬态抑制二极管

    ,简称TVS,有单极性和双极性之分,是一种二极管形式的高效能保护器件,当它两极间的电压超过一定值时,能以极快的速度导通,将两极间的电压固定值一个预定值上,从而保护了电子线路;注意它与稳压二极管的区别。

瞬态电压抑制二极管作用

  • 13. 光电二极管

    :又叫

    光敏二极管

    ,它是一种光电转换器件,能将光转换为电信号,它在电路中需要反向连接;如下图光电二极管控制的音乐电路。

  • 14. 还有一些二极管不多见,不常用如激光二极管、频率倍增用二极管、PIN二极管、雪崩二极管、江崎二极管等,这里就不再介绍。
  • 另外还有一些根据用途叫的二极管如限幅二极管、续流二极管、调制二极管、混频二极管、放大二极管,这些利用上面的二极管都能实现,并没有显著的结构差异;
  • 在代换上工作频率高的、正向电流大、反向电压高的的可以代换频率低的、电流小、反向电压低的二极管。
  • 还有一些其它分法:按所使用的材料分:硅管、锗管;按封装外壳材料分:金属、玻璃、塑料;按pN结结构面分;点接触性、面接触性等,限于篇幅这里不再细讲。
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