二极管原理及特性-二极管不同分类与整流电路详细解析

二极管的基本概述

二(er)极(ji)管由管芯、管壳和两个(ge)(ge)电(dian)极(ji)构成。管芯就是(shi)一(yi)个(ge)(ge)PN结，在PN结的两端(duan)各引(yin)(yin)出(chu)一(yi)个(ge)(ge)引(yin)(yin)线，并用塑料(liao)、玻(bo)璃或金属材(cai)料(liao)作(zuo)为封(feng)装外(wai)壳，就构成了晶体二(er)极(ji)管，如下图所示。P区的引(yin)(yin)出(chu)的电(dian)极(ji)称为正极(ji)或阳极(ji)，N区的引(yin)(yin)出(chu)的电(dian)极(ji)称为负极(ji)或阴极(ji)。

二极管原理

二极管工作原理（正(zheng)向导(dao)电，反(fan)向不导(dao)电）

晶(jing)体(ti)二极管是一(yi)个由p型(xing)半(ban)导体(ti)和(he)n型(xing)半(ban)导体(ti)形(xing)成的p-n结，在(zai)其界(jie)(jie)面(mian)处两侧形(xing)成了空(kong)间电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)层，并且建(jian)有自(zi)建(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)，当不(bu)存(cun)在(zai)外加电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压时(shi)，因为p-n结两边载(zai)流(liu)(liu)子浓度差引(yin)起(qi)的扩(kuo)散(san)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)和(he)自(zi)建(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)引(yin)起(qi)的漂移(yi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)相等而(er)处于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平衡(heng)状态(tai)。 当产(chan)(chan)生正向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压偏(pian)置(zhi)时(shi)，外界(jie)(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)与(yu)(yu)自(zi)建(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的互(hu)相抑(yi)消作用(yong)使载(zai)流(liu)(liu)子的扩(kuo)散(san)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)增加引(yin)起(qi)了正向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)（也就是导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的原因）。 当产(chan)(chan)生反(fan)(fan)(fan)向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压偏(pian)置(zhi)时(shi)，外界(jie)(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)与(yu)(yu)自(zi)建(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)进一(yi)步加强，形(xing)成在(zai)一(yi)定反(fan)(fan)(fan)向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压范围中与(yu)(yu)反(fan)(fan)(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压值无关的反(fan)(fan)(fan)向(xiang)饱(bao)和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)I0（这也就是不(bu)导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的原因）。

当外加的反向电(dian)压(ya)高(gao)到一定程(cheng)(cheng)度时，p-n结空间电(dian)荷层中的电(dian)场强度达到临(lin)界值(zhi)产生(sheng)(sheng)载流子(zi)的倍增(zeng)过程(cheng)(cheng)，产生(sheng)(sheng)大(da)量电(dian)子(zi)空穴对，产生(sheng)(sheng)了数值(zhi)很(hen)大(da)的反向击穿(chuan)电(dian)流，称为二极(ji)管的击穿(chuan)现象。

二极管的特性

（1）二极管的伏安特性

二(er)极管(guan)的(de)伏(fu)(fu)安特性(xing)(xing)是指加在(zai)二(er)极管(guan)两(liang)端(duan)电压和流过二(er)极管(guan)的(de)电流之(zhi)间的(de)关系(xi)，用于定性(xing)(xing)描(miao)述这两(liang)者关系(xi)的(de)曲线(xian)称(cheng)为伏(fu)(fu)安特性(xing)(xing)曲线(xian)。通过晶体(ti)管(guan)图示仪(yi)观察(cha)到硅二(er)极管(guan)的(de)伏(fu)(fu)安特性(xing)(xing)如下图所示。

（2）二极管的正向性

外(wai)加正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)时，在正(zheng)向(xiang)(xiang)特性(xing)的起(qi)始部分，正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)很小，不(bu)(bu)(bu)足以克(ke)服PN结内(nei)(nei)电(dian)(dian)(dian)场的阻挡作用，正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)流几乎(hu)(hu)为(wei)零，这(zhei)一段称为(wei)死区(qu)。这(zhei)个不(bu)(bu)(bu)能使(shi)二(er)极(ji)管(guan)导通的正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)称为(wei)死区(qu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)。当正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)大于死区(qu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)以后(hou)，PN结内(nei)(nei)电(dian)(dian)(dian)场被克(ke)服，二(er)极(ji)管(guan)正(zheng)向(xiang)(xiang)导通，电(dian)(dian)(dian)流随电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)增大而迅速上升。在正(zheng)常使(shi)用的电(dian)(dian)(dian)流范围内(nei)(nei)，导通时二(er)极(ji)管(guan)的端电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)几乎(hu)(hu)维(wei)持不(bu)(bu)(bu)变，这(zhei)个电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)称为(wei)二(er)极(ji)管(guan)的正(zheng)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)。

（3）二极管的反向性

外加反(fan)向(xiang)(xiang)电压(ya)不(bu)超过一定范围时，通过二(er)极管(guan)的(de)电流(liu)(liu)(liu)(liu)是少数(shu)载流(liu)(liu)(liu)(liu)子漂移运动(dong)所形成反(fan)向(xiang)(xiang)电流(liu)(liu)(liu)(liu)。由于反(fan)向(xiang)(xiang)电流(liu)(liu)(liu)(liu)很小，二(er)极管(guan)处于截止(zhi)状态。这个反(fan)向(xiang)(xiang)电流(liu)(liu)(liu)(liu)又称为(wei)反(fan)向(xiang)(xiang)饱和电流(liu)(liu)(liu)(liu)或漏电流(liu)(liu)(liu)(liu)，二(er)极管(guan)的(de)反(fan)向(xiang)(xiang)饱和电流(liu)(liu)(liu)(liu)受温(wen)度影响很大(da)。

（3）二极管的击穿

外(wai)加反(fan)向电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)超过(guo)某一数值时，反(fan)向电(dian)(dian)(dian)(dian)流会(hui)突然增大(da)，这种(zhong)现象称为(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)击(ji)穿(chuan)(chuan)。引起(qi)电(dian)(dian)(dian)(dian)击(ji)穿(chuan)(chuan)的临界(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)称为(wei)二(er)极管(guan)反(fan)向击(ji)穿(chuan)(chuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。电(dian)(dian)(dian)(dian)击(ji)穿(chuan)(chuan)时二(er)极管(guan)失去(qu)单向导电(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)。如果二(er)极管(guan)没有因(yin)电(dian)(dian)(dian)(dian)击(ji)穿(chuan)(chuan)而(er)引起(qi)过(guo)热，则单向导电(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)不(bu)一定会(hui)被(bei)永久破坏，在撤除外(wai)加电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)后，其(qi)性(xing)能仍可恢复(fu)，否则二(er)极管(guan)就损坏了。因(yin)而(er)使用时应避免二(er)极管(guan)外(wai)加的反(fan)向电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)过(guo)高。

二(er)极管是(shi)一种具有(you)单(dan)向(xiang)导(dao)电(dian)(dian)的(de)二(er)端器(qi)件，有(you)电(dian)(dian)子二(er)极管和晶(jing)体(ti)二(er)极管之分(fen)，电(dian)(dian)子二(er)极管现已很少(shao)见到(dao)，比较(jiao)常见和常用(yong)的(de)多(duo)是(shi)晶(jing)体(ti)二(er)极管。二(er)极管的(de)单(dan)向(xiang)导(dao)电(dian)(dian)特性，几乎在所(suo)有(you)的(de)电(dian)(dian)子电(dian)(dian)路中(zhong)(zhong)，都要用(yong)到(dao)半(ban)导(dao)体(ti)二(er)极管，它(ta)在许(xu)多(duo)的(de)电(dian)(dian)路中(zhong)(zhong)起着重要的(de)作(zuo)用(yong)，它(ta)是(shi)诞生最早的(de)半(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件之一，其应用(yong)也非常广泛。

二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)管压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)：硅二(er)(er)极(ji)(ji)管（不发光(guang)(guang)类型）正(zheng)(zheng)向管压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)0.7V，锗管正(zheng)(zheng)向管压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)为0.3V，发光(guang)(guang)二(er)(er)极(ji)(ji)管正(zheng)(zheng)向管压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)会随不同发光(guang)(guang)颜(yan)色(se)而(er)不同。主(zhu)要有三种颜(yan)色(se)，具体(ti)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)参(can)考值(zhi)如下：红色(se)发光(guang)(guang)二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)为2.0--2.2V，黄色(se)发光(guang)(guang)二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)为1.8—2.0V，绿(lv)色(se)发光(guang)(guang)二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)为3.0—3.2V，正(zheng)(zheng)常(chang)发光(guang)(guang)时(shi)的(de)额(e)定(ding)电(dian)流约为20mA。

二极管的(de)(de)电压与电流不是(shi)线(xian)性关(guan)系，所(suo)以(yi)在将(jiang)不同的(de)(de)二极管并联的(de)(de)时候要(yao)接(jie)相适应的(de)(de)电阻。

二极管的分类

（1）二极管按照所用的半导体材料：

锗二极管（Ge管）

硅二(er)极管(guan)（Si管(guan)）

（2）根据其不同用途：

检波二极管

整(zheng)流二极管

稳压二极管

开关(guan)二极管

隔离二极(ji)管(guan)

肖特(te)基二(er)极管

发光二极(ji)管

硅功率开关二极管(guan)

旋转二极管等

（3）按照管芯结构：

点接(jie)触型二极管

面接触型(xing)二极管

平面型二极管

二极管-整流电路解析
（1）单向半波整流电路

二极(ji)(ji)管就像一个(ge)自(zi)动开关，u2为(wei)正半(ban)周时，自(zi)动把电(dian)源与(yu)负(fu)载接通，u2为(wei)负(fu)半(ban)周时，自(zi)动将电(dian)源与(yu)负(fu)载切断(duan)。因(yin)此(ci)，由(you)(you)下(xia)图可见(jian)，负(fu)载上得(de)到方向不变、大小变化的(de)脉(mai)(mai)动直(zhi)流电(dian)压uo如下(xia)图所示。由(you)(you)于该电(dian)路(lu)只在u2的(de)正半(ban)周有输出，所以称为(wei)半(ban)波整流电(dian)路(lu)。如果将整流二极(ji)(ji)管的(de)极(ji)(ji)性对(dui)调(diao)，可获(huo)得(de)负(fu)极(ji)(ji)性的(de)直(zhi)流脉(mai)(mai)动电(dian)压。

（2）全波整流电路

整流(liu)原(yuan)理：

设变压器二次侧的(de)电压为：

1)当u2为(wei)正半(ban)周时，A点电位最(zui)高(gao)，V点电位最(zui)低，二极(ji)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(wei)负半(ban)周时，B点电位(wei)最(zui)高，A点电位(wei)最(zui)低，二(er)极管(guan)V2和V4导通，V1和V3截止(zhi)，电流的通路是 B→V2→RL→V4→A。

可见，在u2变化(hua)的(de)(de)一个(ge)周期(qi)内，负载RL上(shang)始终流(liu)过自(zi)上(shang)而下的(de)(de)电流(liu)，其电压(ya)和(he)电流(liu)的(de)(de)波形为一全(quan)波脉动直流(liu)电压(ya)和(he)电流(liu)，如下图所示。

（3）滤波电路

整流(liu)电路(lu)将交(jiao)流(liu)电变为脉动(dong)直流(liu)电，但其中(zhong)(zhong)含有大量的(de)交(jiao)流(liu)成分(fen)(称(cheng)为纹波电压)。为此需(xu)要将脉动(dong)直流(liu)中(zhong)(zhong)的(de)交(jiao)流(liu)成分(fen)滤除掉(diao)，这一过(guo)程(cheng)称(cheng)为滤波。

（4）电容滤波

电(dian)容滤波的特点为：

1)输出(chu)电(dian)压平(ping)均(jun)值的(de)大(da)小与滤波电(dian)容(rong)C及负载电(dian)阻RL的(de)大(da)小有(you)关，C的(de)容(rong)量(liang)或RL的(de)阻值越(yue)大(da)，其放电(dian)速(su)度越(yue)慢，输出(chu)电(dian)压也(ye)越(yue)大(da)，滤波效果越(yue)好。

2)在采用大(da)容(rong)量滤(lv)波(bo)电(dian)(dian)容(rong)时，接通(tong)电(dian)(dian)源的瞬(shun)间充电(dian)(dian)电(dian)(dian)流特别(bie)大(da)。电(dian)(dian)容(rong)滤(lv)波(bo)器结(jie)构简单，负(fu)载(zai)直流电(dian)(dian)压UL较高，纹(wen)波(bo)也较小，但(dan)是输出特性较差，故适用于负(fu)载(zai)电(dian)(dian)压较高，负(fu)载(zai)变动不大(da)的场合。

参数选择：

1) 输出电压：UL=U2(半波(bo)) UL=1.2*U2(全波(bo)或桥式)

2) 电容的选择：C>=(0.03~0.05)/RL

3) 二极(ji)管的选择：Urm=1.41*U2

（5）电感滤波

电(dian)(dian)感滤(lv)波(bo)器特点：由(you)于自感电(dian)(dian)动(dong)势(shi)的作用(yong)(yong)使二极(ji)管的导(dao)通角比电(dian)(dian)容滤(lv)波(bo)电(dian)(dian)路时(shi)增大，流(liu)过二极(ji)管的峰值电(dian)(dian)流(liu)减小，外特性(xing)较好(hao)，带负(fu)(fu)载(zai)(zai)能力(li)较强。电(dian)(dian)感滤(lv)波(bo)电(dian)(dian)路主要用(yong)(yong)于电(dian)(dian)容滤(lv)波(bo)器难以胜任的大电(dian)(dian)流(liu)负(fu)(fu)载(zai)(zai)或负(fu)(fu)载(zai)(zai)经常变化的场合，在小功(gong)率电(dian)(dian)子(zi)设备中很少使用(yong)(yong)。

对直流分量: XL=0 相当(dang)于(yu)短路,电压大部分降(jiang)在(zai)RL上。

对(dui)谐(xie)波分量(liang): f 越高，XL 越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端(duan)得(de)到比较平滑的直流电压。

当忽略电(dian)感(gan)线圈(quan)的(de)直流电(dian)阻时，输出(chu)平(ping)均电(dian)压(ya)约(yue)为：UL=0.9U2

（6）稳压二极管

当稳压二极管工作在(zai)反向击穿状态下,当工作电流Iz在(zai)Izmax和 Izmin之间时(shi),其两端电压近(jin)似(si)为常(chang)数。

几种二极管整流电路原理图解。

（1）二个二极管全波整流电路图

用(yong)2个二极管全波整流电路如下图(tu)：

（2）四个二极管全波整流电路图

桥式(shi)整(zheng)流电(dian)路的(de)(de)工作原理如(ru)下：E2为正(zheng)半周时(shi)，对D1、D3加(jia)(jia)正(zheng)向(xiang)电(dian)压(ya)，D1、D3导(dao)通(tong)；对D2、D4加(jia)(jia)反向(xiang)电(dian)压(ya)，D2、D4截止。电(dian)路中构成(cheng)E2、D1、Rfz 、D3通(tong)电(dian)回路，在(zai)Rfz 上(shang)形成(cheng)上(shang)正(zheng)下负的(de)(de)半波整(zheng)流电(dian)压(ya)，E2为负半周时(shi)，对D2、D4加(jia)(jia)正(zheng)向(xiang)电(dian)压(ya)，D2、D4导(dao)通(tong)；对D1、D3加(jia)(jia)反向(xiang)电(dian)压(ya)，D1、D3截止。

电(dian)路(lu)中(zhong)构(gou)成E2、D2、Rfz 、D4通电(dian)回路(lu)，同样(yang)在Rfz 上形(xing)(xing)成上正下(xia)负的(de)(de)(de)另(ling)外半波(bo)的(de)(de)(de)整流(liu)(liu)(liu)电(dian)压(ya)(ya)。如此重复下(xia)去，结(jie)果在Rfz 上便得到全波(bo)整流(liu)(liu)(liu)电(dian)压(ya)(ya)。其波(bo)形(xing)(xing)图(tu)和(he)全波(bo)整流(liu)(liu)(liu)波(bo)形(xing)(xing)图(tu)是一(yi)样(yang)的(de)(de)(de)。从图(tu)中(zhong)还不(bu)难看出，桥式电(dian)路(lu)中(zhong)每只二极管承(cheng)受(shou)的(de)(de)(de)反向电(dian)压(ya)(ya)等于(yu)变(bian)压(ya)(ya)器次级电(dian)压(ya)(ya)的(de)(de)(de)最大值，比全波(bo)整流(liu)(liu)(liu)电(dian)路(lu)小一(yi)半。

桥(qiao)式整流(liu)器利(li)用(yong)四(si)个二极管(guan)，两两对接(jie)。输(shu)(shu)入(ru)正(zheng)弦(xian)(xian)波的(de)正(zheng)半(ban)部分(fen)是两只(zhi)管(guan)导通(tong)，得到正(zheng)的(de)输(shu)(shu)出；输(shu)(shu)入(ru)正(zheng)弦(xian)(xian)波的(de)负半(ban)部分(fen)时，另(ling)两只(zhi)管(guan)导通(tong)，由于这两只(zhi)管(guan)是反接(jie)的(de)，所以输(shu)(shu)出还是得到正(zheng)弦(xian)(xian)波的(de)正(zheng)半(ban)部分(fen)。 桥(qiao)式整流(liu)器对输(shu)(shu)入(ru)正(zheng)弦(xian)(xian)波的(de)利(li)用(yong)效率比半(ban)波整流(liu)高一倍。桥(qiao)式整流(liu)是交流(liu)电(dian)转换成直流(liu)电(dian)的(de)第一个步(bu)骤。

（3）单相全波桥式整流器电路工作原理

由图可看出，电路中(zhong)采用(yong)四个(ge)二极(ji)(ji)管(guan)，互相接成桥式(shi)结构(gou)。利(li)用(yong)二极(ji)(ji)管(guan)的(de)电流导向作用(yong)，在(zai)(zai)交流输入电压(ya)U2的(de)正半(ban)(ban)周内，二极(ji)(ji)管(guan)D1、D3导通，D2、D4截(jie)止，在(zai)(zai)负载(zai)(zai)RL上(shang)得到上(shang)正下负的(de)输出电压(ya)；在(zai)(zai)负半(ban)(ban)周内，正好相反，D1、D3截(jie)止，D2、D4导通，流过(guo)负载(zai)(zai)RL的(de)电流方(fang)向与正半(ban)(ban)周一(yi)致。

因此，利用变压器的(de)一(yi)个(ge)副边绕(rao)组和四(si)个(ge)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)，使得在(zai)交流(liu)(liu)电源的(de)正、负(fu)半(ban)周内，整(zheng)流(liu)(liu)电路的(de)负(fu)载上都(dou)有方向不(bu)变的(de)脉(mai)动直流(liu)(liu)电压和电流(liu)(liu)。桥(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)(liu)的(de)名(ming)称(cheng)只(zhi)是说(shuo)明电路连接(jie)方法(fa)是桥(qiao)式(shi)的(de)接(jie)法(fa)，桥(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)(liu)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)：大家常用的(de)一(yi)般是由4只(zhi)单个(ge)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)封装在(zai)一(yi)起的(de)元件，取名(ming)桥(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)(liu)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)，整(zheng)流(liu)(liu)桥(qiao)或全桥(qiao)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)。

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