二极管工作原理及应用

1. 基本概念

       二极管由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结，在PN结的两端各引出一个引线，并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，就构成了晶体二极管，如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极，N区的引出的电极称为负极或阴极。

1.1 二极管的伏安特性

       二极管的伏安特性是指加在二极管两端电压和流过二极管的电流之间的关系，用于定性描述这两者关系的曲线称为伏安特性曲线。通过晶体管图示仪观察到硅二极管的伏安特性如下图所示。

1.2 正向特性

       1）外加正向电压较小时，二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零，曲线OA段称为不导通区或死区。一般硅管的死区电压约为0.5伏, 锗的死区电压约为0.2伏，该电压值又称门坎电压或阈值电压。
       2）当外加正向电压超过死区电压时，PN结内电场几乎被抵消，二极管呈现的电阻很小，正向电流开始增加，进入正向导通区，但此时电压与电流不成比例如AB段。随外加电压的增加正向电流迅速增加，如BC段特性曲线陡直，伏安关系近似线性，处于充分导通状态。
       3）二极管导通后两端的正向电压称为正向压降（或管压降），且几乎恒定。硅管的管压降约为0.7V，锗管的管压降约为0.3V。
1.3 反向特性

       1）二极管承受反向电压时，加强了PN结的内电场，二极管呈现很大电阻，此时仅有很小的反向电流。如曲线OD段称为反向截止区，此时电流称为反向饱和电流。实际应用中，反向电流越小说明二极管的反向电阻越大，反向截止性能越好。一般硅二极管的反向饱和电流在几十微安以下，锗二极管则达几百微安，大功率二极管稍大些。
       2）当反向电压增大到一定数值时（图中D点），反向电流急剧加大，进入反向击穿区，D点对应的电压称为反向击穿电压。二极管被击穿后电流过大将使管子损坏，因此除稳压管外，二极管的反向电压不能超过击穿电压。

2. 整流电路

2.1 单向半波整流电路

       二极管就像一个自动开关，u2为正半周时，自动把电源与负载接通，u2为负半周时，自动将电源与负载切断。因此，由下图可见，负载上得到方向不变、大小变化的脉动直流电压uo如下图所示。由于该电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。如果将整流二极管的极性对调，可获得负极性的直流脉动电压。

2.2 全波整流电路

整流原理：

设变压器二次侧的电压为：

       1）当u2为正半周时，A点电位最高，V点电位最低，二极管V1和V3导通，V2和V4截止，电流的通路是 A→V1→RL→V3→B。                                            
       2）当u2为负半周时，B点电位最高，A点电位最低，二极管V2和V4导通，V1和V3截止，电流的通路是 B→V2→RL→V4→A。
       可见，在u2变化的一个周期内，负载RL上始终流过自上而下的电流，其电压和电流的波形为一全波脉动直流电压和电流，如下图所示。

3. 滤波电路

    整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为此需要将脉动直流中的交流成分滤除掉，这一过程称为滤波。

3.1 电容滤波

      电容滤波的特点为：

       1）输出电压平均值的大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量或RL的阻值越大，其放电速度越慢，输出电压也越大，滤波效果越好。
       2）在采用大容量滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大。电容滤波器结构简单，负载直流电压UL较高，纹波也较小，但是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

参数选择：

1) 输出电压：UL=U2(半波)  UL=1.2*U2(全波或桥式)

2) 电容的选择：C>=(0.03~0.05)/RL

3) 二极管的选择：Urm=1.41*U2

3.2 电感滤波

       电感滤波器特点：由于自感电动势的作用使二极管的导通角比电容滤波电路时增大，流过二极管的峰值电流减小，外特性较好，带负载能力较强。电感滤波电路主要用于电容滤波器难以胜任的大电流负载或负载经常变化的场合，在小功率电子设备中很少使用。

对直流分量:  XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上。
对谐波分量:   f 越高，XL 越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。
当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：UL=0.9U2

3.3 RC – pai型滤波

       在电流较小、要求不高的情况下，常用电阻代替电感L，构成RC－pai型滤波器。它成本低、体积小，滤波效果好。但由于电阻要消耗功率，所以电源的损耗功率较大，电源的效率降低，一般适用于输出电流小的场合。

4. 稳压二极管

       当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流Iz在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压近似为常数。