二极管的应用基本

1、爱普雷德A600051 开发板满载而归篇爱普雷德旗舰店：njaplid修订历史：本手册属于南京爱普雷德科技，任何人过我公司书面同意、或者修改本手册都将承担法律责任。1体验“爱普学习法”！一起追求卓越！日期版本号修订人修订内容2013.07.251.00（爱普雷德团队）创建爱普雷德旗舰店：njaplid二极管的基本应用1 二极管的基本知识二极管内部有个PN 结，具有正向导通、反向截止、反向击穿。电性。二极管的工作大致分为三种状态： 正向导通：当二极管两端加正向电压时，当电压很小时，低于 PN 结内部电场，二极管处于截止状态，这个电压范围成为二极管的正向死区。当电压达到一0.7V，锗状态。0.3V

2、）二定值（这个值称为二极管的正向导通电压，硅极通。当二极通后，它两端的压降处于 反向截止：当二极管两端加反向电压且不超过一定值（该值为二极管的反向击穿电压，后边做详细）时，通过二极管的电流是少数载流子的漂移形成的反向电流，该电流很小，可以认为此时管子是截止状态。这一特性说明二极管的电性。 反向击穿：当二极管两端所加反向电压达到一定值（即反向击穿电压）时，反向电流会突然增大，这称为电击穿（反向击穿按以分为击穿和雪崩击穿）。被击穿的二极管会失去电性，因此在使用二极管时应避免反向电压过大，二极管的这一特性常用于保护电路中，防止某一器件两端电压过高。硅管的伏安特性如下图所示：2体验“爱普学习法”！一起

3、追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid2 二极管的主要参数 额定正向工作电流额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅1 40左右，锗90左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。 最大浪涌电流最大浪涌电流是流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值通常为额定正向工作电流的 20 倍左右。 最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，管子将会击穿，失去电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。 反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和

4、最高反向电压作用过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的，大约温度每升高 1 0，反向电流增大一倍。例如 2APl 型锗二极管，在 25时，反向电流为 250A，温度升高到 35，反向电流将上升到500A，在 75时，它的反向电流已达 8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。硅二极管比锗二极管在高温下具有较性。 反向恢复时间从正向电压变成反向电压时，理想情况是电流能瞬时截止，实际上，要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。 最大功率最大功率就是加在二

5、极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管等显得特别重要。3体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid3 二极管的二极管有多种类型：按材料分：有锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等按制作工艺可分：面接触二极管和点接触二极管。按用途不同可分为：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等。按结构类型来分：半导体结型二极管，金属半导体接触二极管等。按照封装形式可分为：常规封装二极管、特殊封装二极管等。4 二极管的应用二极管在电路中的作用主要有整流、稳压、保护等作用。在此设计电路中常用的二极管类型的应用做一总结。

6、4.1 整流二极管整流二极管的作用是将交流电源整流成脉动直流电，它是利用二极管的单向导电特性工作的。因为整流二极管正向工作电流较大，工艺上多采用面接触结构。由于这种结构的二极管结电容较大，因此整流二极管工作频率小于 3kHz。整流二极管主要有全密封金属结构封装和封装两种封装形式。通常情况下额定正向导通电流在 1A 以上的整流二极管采用金属壳封装，以利于散热；额定正向工作电流在 1A 以下的采用全封装。另外，由于工艺技术的不断提高，也有不少较大功率的整流二极管采用封装，在使用中应予以区别。由于整流电路通常为桥式整流电路，故一些生产厂家将 4 个整流二极管封装在一起，称为整流堆。选用整流二极管时，

7、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，对截止频率和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(例如 1N 系列、2CZ 系列、RLR 系列等)即可。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，用工4体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管或快恢复二极管。4.1.1 二极管整流电路一、半波整流电路图 4-1 半波整流电路图 4-1、是一种最简单的整流电路。它由电源变压器 B 、整流二极管D 和负

8、载电阻 Rfz 组成。变压器把市电电压（多为 220 伏）变换为所需要的交变电压 e2，D 再把交流电变换为脉动直流电。 下面从图 4-2 的波形图上是怎样整流的。二极管图 4-2 半波整流波形变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图 4-2（a）所示。在 0时间内，e2 为正半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，e2 通过它加在负载电阻 Rfz 上，在2时间内，e2 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，Rfz，上无电压。在 23时间内，重复 0 时间的过程，而在 34时间内，又重复2时间的过程这样反复下去

9、，交流电的负半被削掉了，只有正半周通过 Rfz，在 Rfz 上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图 4-2（b）所示，达到了整流的目的，但是，负载电压 Usc。以及负载电流大5体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid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、剩下半周的整流，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，而在无线电装置中很少采用。二、全波整流电路(单向桥式整流电路)如果

10、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。图 4-3 是全波整流电路的电原理图。图 4-3 全波整流电路全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组的。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 e2a 与 e2b 。全波整流电路的工作原理，可用图 4-4 所示的波形图说明。（1） 在 0间内，e2a 对D1 为正向电压，D1 导通，在Rfz 上得到上正下负的电压；e2b 对 D2 为反向电压，D2 不导通（见图 4-4（b）。（2） 在-2时间内，e2b 对 D2 为正向电压，D2 导通，在 Rfz 上得

11、到的仍然是上正下负的电压；e2aD1 为反向电压，D1 不导通（见图 4-4（C）。6体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid图 4-4全波整流波形如此反复，由于两个整流元件 D1、D2 轮流导电，结果负载电阻 Rfz 上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如图 4-4（d）所示的那样，因此称为全波整流，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（Usc0.9e2，比半波整流时大一倍）。图 4-3 所示的全波整滤电路，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

12、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。7体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid三、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。图 4-5（a）为桥式整流电路图，（b）图为其简化画法。图 4-5 桥式整流电路（a）图 4-5 桥式整流电路（b）桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半，对 D1、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对 D2、D4 加反向电压，D2、D4 截止。电路中e2、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在

13、 Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2 为负半，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。图 4-6 桥式整流电路工作原理，上述工作状态分别如下图 4-6 (a)、4-6(b)所示。8体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid图 4-6 桥式整流电路工作原理如此重复下去，结果在 Rfz ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图 4-6 中还不难看出，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

14、最大值，比全波整洗电路小一半！四、整流元件的选择和运用需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大 电 滤 的 整 流 元 件 ， 可 以 把 二 极 管 串 联 或 并 联 起 来 使 用 。图 4-7 二极管并联运用如图 4-7 所示，二极管并联的情况：两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半，三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。总之，有几只二极9体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid管并联，流经每只二极

15、管的电流就等于总电流的几分之一。但是，在实际并联运用时，由于各二极管特性全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。这种均流电阻 R选用零点几几十欧的电阻器。电流越大，R得越小。图 4-8 二极管串联运用如图 4-8 所示，二极管串联的情况：显然在理想条件下，有几只管子串联， 每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：内阻大的二极管，有可能由于电压过，逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻 R，被击穿，并由此引起可以使电压分配均匀。4.

16、2 稳压二极管稳压二极管又称二极管。稳压二极管是利用 PN 结反向击穿时电压基本上不随电流变化而变化的特性来达到稳压的目的。因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管(稳压管) 。稳压二极管是根据击穿电压来分挡的，其稳压值就是击穿电压值。稳压二极管主要作为稳压器或电压基准元件使用，稳压二极管可以串联起来得到较高的稳压值。选用稳压二极管应满足电路中主要参数的要求，稳压二极管的电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大电流应高于应用电路的最大负载电流 50左右。10体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid4.2.1 稳压二极管原理及主要参数一、稳压二极管伏安特性

17、曲线稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，它的电路符号和伏安特性曲线如图4-9 所示，稳压管的伏安特性曲线和普通二极管类似，只是反向特性曲线比较陡。图 4-9 稳压管的电路符号和伏安特性曲线反向击穿是稳压管的正常工作状态，稳压管就工作在反向击穿区。从反向特性曲线可以看到，当所加反向电压小于击穿电压时，和普通二极管一样其反向电流很小。一旦所加反向电压达到击穿电压时，反向电流会突然急剧上升，稳压管被反向击穿。其击穿后的特性曲线很陡，这就说明流过稳压管的反向电流在很大范围内(从几毫安到几十甚至上百毫安)变化时，管子两端的电压基本不变，稳压管在电路中能起稳压作用，正是利用了这一特性。稳压管的反向击穿是可

18、逆的，这一点与二极管不一样。只要去掉反向电压，稳压管就会恢复正常。但是，如果反向击穿后的电流太大，超过其范围，就会使稳压管的 PN 结发生热击穿而损坏。由于硅管的热性比锗管好，所以稳压管管，故称硅稳压管。11体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid二、稳压二极管的主要参数(1)电压 Uz 和电流 Iz。电压就是稳压管在正常工作下管子两端的电压。同一型号的稳压管，由于方面的，其稳压值也有一定的分散性。如2CW18，其电压Uz=1012V。电流常作为稳压管的最小电流 Izmin 来。小功率稳压管可取 Iz 为 5 mA。如果反向工作电流太小，会使稳压管工作在反向特性曲线的弯

19、曲部分而使稳压特性变坏。(2)最大电流 Izmax 和最大耗散功率 PzM。这两个参数都是为了保证管子而规定的。最大耗散功率PzM=UzIzmax，如果管子的电流超过最大电流Izmax，将会使管子的实际功率超过最大耗散功率，管子将会发生热击穿而损坏。(3)电压温度系数 av。它是说明电压Uz 受温度变化影响的系数。例如 2CW18 稳压管的电压温度系数为 0.095%/，就是说温度每增加 1，其稳压值将升高 0.095%。稳压值低于6 V 的稳压管具有负的温度系数；高于6 V 的稳压管具有正的温度系数。稳压值为 6 V 左右的管子其稳压值基本上不受温度的影响，因此，选用 6 V 左右的管子，可

20、以得到较温度性。(4)动态电阻 rz。动态电阻是指稳压管两端电压的变化量Uz 与相应的电流变化量Iz 的比值， 如图 4-9 所示，稳压管的反向特性曲线越陡，动态电阻越小，稳压性能就越好。rz 的数值约在几几十欧之间。4.2.2 选择二极管的基本原则1. 要求导通电压低2. 要求导通电流大锗管；要求反向电流小管。面结合型；要求工作频率高点接触型。3.要求反向击穿电压高管。4.要求耐高温管。12体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid4.3 开关二极管由于半导体二极管存正向偏置下导通电阻很小，而在施加反向偏压截止时，截止电阻很大，在开关电路中利用二极管的这种电性就可以对电

21、流起接通和关断的作用，故把用于这一目的的二极管称为开关二极管。开关二极管主要应用于收录机、电视机、影碟机等家用电器及有开关电路、检波电路、高频脉冲整流电路等。半导体二极通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关打开（电路切断），所以二极管可作开关用，常用型号为 IN4148。由于半导体二极管具 有电的特性，在正偏压下 pn 结导通，在导通状态下的电阻很小，约为几十至几百欧;在反向偏压下，则呈截止状态，其电阻很大，硅二极管大约在 10M以上，锗管也有几十千几百千欧。利用这一特性，二极管将在电路中起到电流接通或关断的作用，成为一个理想的开关。关于开关二极管的开关时间概念说明下列几点。(1)开

22、通时间开关二极管从截止到加上正向电压后的导通要有一段时间，这一时间称为开通时间。要求这一时间愈短愈好。(2)反向恢复时间开关二极管在导通后，去掉正向电压，二极管从导通转为截止所需要的时间称为反向恢复时间。要求这一时间愈短愈好。(3)开关时间开通时间和反向恢复时间之和，称为开关时间。要求这一时间愈短愈好。4.4 快速恢复二极管快速恢复二极管是一种新型的半导体二极管。这种二极管的开关特性好，反向恢复时间短，通常用于高频开关电源中作为整流二极管。快速恢复二极管的重要参数是反向恢复时间。反向恢复时间的定义是，二极管从正向导通状态急剧转换到截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源恢复到最大反向电流

23、的10所需要的时间。当工作频率在几十至几百 k H z 时，普通整流二极管正反向13体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid电压变化的时间慢于恢复时间，普通整流二极管就不能正常实现通而进行整流工作了此时就要用快速恢复整流二极管才能胜任，因此，彩电等家用电器采用开关电源供电的整流二极管通常为快速恢复二极管，而不能用普通整流二极管代替，否则，用电器可能会不能正常工作。图 4-10 常用快恢复二极管FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的快恢复二极管（半导体二极管，主要应用于开关电源、脉宽调制器、变频器等电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复

24、二极管的内部结构与普通PN 结二极管不同，它属于 PIN 结型二极管，即在 P 型硅材料与N 型硅材料中间增加了基区 I，PIN 硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高。通常，520A 的快恢复二极管管采用 TO220FP快恢复二极管采用顶部带金属散热片的 TO3P极采用 DO41、DO15 或DO27 等规格封装，20A 以上的大功率封装，5A 以下的快恢复二封装。采用TO220 或TO3P 封装的大功率快恢复二极管，有单管和双。双管的管脚引出方式又分为共共阴14体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：nja

25、plid4.4.1性能特点（1）反向恢复时间反向恢复时间 tr 的定义是：电流通过零点由正向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图 1 所示。IF 为正向电流，IRM 为最大反向恢复电流。Irr 为反向恢复电流，通常规定 Irr=0.1IRM。当 tt0 时，正向电流 I=IF。当 tt0 时，由于整流器件上的正向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速降低，在 t=t1 时刻，I=0。然后整流器件上流过反向电流 IR，并且 IR 逐渐增大；在 t=t2 时刻达到最大反向恢复电流 IRM 值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并在 t

26、=t3 时刻达到规定值 Irr。从 t2 到t3 的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。（2）快恢复、超快恢复二极管的结构特点快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在 P 型、N 型硅材料中间增加了基区 I，P-I-N 硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了 trr 值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。快为几百纳秒，正向压降约为 0.6V，正向电流是恢复二极管的反向恢复时间几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小，使其 trr 可低至几十纳秒。20A 以下的快恢复及超快恢复二极管大多采用 TO-220

27、封装形式。从内部结构看，可分成单管、对管（亦称双管）两种。对管内部包含两只快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对。几十安的快恢复二极管采用TO-3P 金属壳封装。更大容量（几百安几千安）的管子则采用螺栓型或平板型封装形式。注意事项：有些单管，共三个引脚，中间的为空脚，在出厂时剪掉，但也有不剪的。若对有一只管子损坏，则可作为单管使用。测正向导通压降时，必须使用 R1 档。若用 R1k 档，因测试电流太小，远低于管子的正常工作电流，故测出的 VF 值将明显偏低。15体验“爱普学习法”！一起追求卓越！爱普雷德旗舰店：njaplid4.5二极管是势垒二极管的。它是低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时问极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅 0.4 V 左右，而整流电流却可达到几千安培，这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。肖特基二极管是用贵重金属(金、银、铝、铂等)为正极，以 N 型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属半导体器件二极管通常用在高频、大电流、低电压整流电路中。4.6 发光二极管发光二极管的英文是LED，它是采用磷化镓、磷砷化镓等半导体材料制成的。发光二极管除了具有普通二极管的电特性之外，还可以将电能转换为光能。给发光二