二極管整流器基礎知識和電路類(lèi)型概述

2022-03-30

二極管整流器基礎知識和電路類(lèi)型概述

在電子電路中，它的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能好。一般來(lái)說(shuō)，它可以由半導體鍺或硅等材料制成。此外，高壓大功率整流二極管采用高純單晶硅（摻雜較多時(shí)容易反向擊穿）。這類(lèi)器件結面積大，可以通過(guò)大電流（可達數千安培），但工作頻率不高，一般在幾十KHz以下。整流二極管主要用于各種低頻半波整流電路。

整流二極管利用PN結的單向導電性將交流電轉換成脈動(dòng)直流電。整流二極管漏電流較大，多為采用表面貼裝材料封裝的二極管。整流二極管的參數包括最大整流電流，是指整流二極管長(cháng)期工作所允許的最大電流值。它是整流二極管的主要參數，也是選擇整流二極管的主要依據。除此以外，這里介紹其他重要參數。
(1) 最大平均整流電流IF：是指在長(cháng)期工作時(shí)允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流。電流由PN結面積和散熱條件決定。需要注意的是流過(guò)二極管的平均電流不能大于這個(gè)值，并且有散熱。
(2) 最大反向工作電壓VR：指二極管兩端允許施加的最大反向電壓。如果大于這個(gè)值，反向電流（IR）會(huì )急劇增加，破壞二極管的單向導電性，造成反向擊穿。通常取反向擊穿電壓VB的一半作為VR。
(3) 最大反向電流IR：是在最高反向工作電壓下允許流過(guò)二極管的反向電流。該參數反映了二極管單向導電性的好壞。因此，電流值越小，二極管質(zhì)量越好。
(4)擊穿電壓VB：指二極管反向伏安特性曲線(xiàn)急彎點(diǎn)處的電壓值。當反向為軟特性時(shí)，是指在給定反向漏電流條件下的電壓值。
(5)最高工作頻率fm：是二極管在正常情況下的最高工作頻率。主要由PN結的結電容和擴散電容決定。如果工作頻率超過(guò)fm，二極管的單向導電性就不能很好的體現出來(lái)。
(6) 反向恢復時(shí)間trr：指在規定負載、正向電流和最大反向瞬態(tài)電壓下的反向恢復時(shí)間。
(7) 零偏電容CO：是指二極管兩端電壓為零時(shí)擴散電容與結電容的電容之和。值得注意的是，由于制造工藝的限制，即使是同類(lèi)型的二極管，其參數也存在較大的離散性。手冊中給出的參數通常在一個(gè)范圍內。如果測試條件發(fā)生變化，相應的參數也會(huì )發(fā)生變化。例如1N5200系列硅塑整流二極管在25℃時(shí)IR小于10uA，100℃時(shí)IR變?yōu)樾∮?span>500uA。

Ⅱ 整流二極管選擇

整流二極管一般為平面硅二極管，用于各種功率整流電路。選擇整流二極管時(shí)，主要考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率和反向恢復時(shí)間等參數。
普通串聯(lián)穩壓電源電路中使用的整流二極管對截止頻率的反向恢復時(shí)間要求不高。最大整流電流和最大反向工作電流的整流二極管應滿(mǎn)足電路的要求。
用于開(kāi)關(guān)穩壓電源整流電路和脈沖整流電路的整流二極管應為工作頻率較高、反向恢復時(shí)間較短的整流二極管（如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等） .) 或選擇快恢復二極管，或肖特基整流二極管。

三、整流器常見(jiàn)故障

(1)防雷保護不足，過(guò)電壓保護不良。整流裝置不設防雷、過(guò)壓保護裝置?；蛟O備日常維護不足。
(2)運行條件差。在間接驅動(dòng)發(fā)電機組中，由于速比計算不正確或兩個(gè)皮帶輪的直徑比不符合速比要求，發(fā)電機長(cháng)時(shí)間高速運轉，所以整流器長(cháng)時(shí)間處于較高電壓。它加速了整流器老化，并因過(guò)早擊穿而損壞。
（三）經(jīng)營(yíng)管理不善。負載故障或二極管擊穿未及時(shí)修復。
(4)設備安裝或制造工藝不良。發(fā)電機組長(cháng)期在大振動(dòng)下運行，影響整流管運行。同時(shí)，由于發(fā)電機組轉速不穩定，整流管的工作電壓也會(huì )波動(dòng)，大大加速了整流管的老化和損壞。
(5)整流管規格型號不符。更換新的整流管時(shí)，錯誤更換工作參數不符合要求或接線(xiàn)錯誤的管子，導致整流管擊穿損壞。
(6)整流管的安全裕度太小。整流管的過(guò)壓過(guò)流安全裕度太小，使整流管無(wú)法承受發(fā)電機勵磁回路中發(fā)生的過(guò)壓或過(guò)流暫態(tài)過(guò)程的峰值而損壞。

圖 1. 二極管作為整流器符號

Ⅳ 整流二極管檢測

這是一個(gè)更通用和簡(jiǎn)單的方法。拆下電路中的所有整流二極管，用萬(wàn)用表的100×R或1000×R歐姆檔測量整流二極管的兩根引線(xiàn)（調整并測試兩次）。如果兩次測得的電阻值相差很大，比如電阻值高達幾百kΩ到無(wú)窮大，或者電阻值只有幾百Ω以下，說(shuō)明二極管是好的（特殊情況下除外）情況）。如果兩次測得的電阻值幾乎一樣，而且電阻值很小，說(shuō)明二極管已經(jīng)擊穿，不能使用。另外，如果兩次測得的電阻值都是無(wú)窮大，說(shuō)明二極管內部已經(jīng)斷開(kāi)，不能使用。

Ⅴ 整流二極管更換 

5.1 替換規則

整流二極管損壞后，應更換同型號或相同參數的其它型號。
一般高耐壓（反向電壓）的整流二極管可以用低耐壓的整流二極管代替，而低耐壓的整流二極管不能用高耐壓的整流二極管代替。整流電流值大的二極管可以用整流電流值小的二極管代替，而整流電流值小的二極管不能用整流電流值大的二極管代替。

5.2 常用整流器型號一覽

材料	模型	反向電壓操作 （頂峰）	平均整流電流_ _
硅整流二極管	1N4001	50V	1A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)
	1N4002	100V	1A
	1N4003	200V	1A
	1N4004	400V	1A
	1N4005	600V	1A
	1N4006	800V	1A
	1N4007	1000V	1A
	1N4148	75V	4PF, Ir=25nA,Vf=1V
	1N5391	50V	1.5A (Ir=10uA,Vf=1.4V,Ifs=50A)
	1N5392	100V	1.5A
	1N5393	200V	1.5A
	1N5394	300V	1.5A
	1N5395	400V	1.5A
	1N5396	500V	1.5A
	1N5397	600V	1.5A
	1N5398	800V	1.5A
	1N5399	1000V	1.5A
	1N5400	50V	3A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A)
	1N5401	100V	3A
	1N5402	200V	3A
	1N5403	300V	3A
	1N5404	400V	3A
	1N5405	500V	3A
	1N5406	600V	3A
	1N5407	800V	1A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)
	1N5408	1000V	1A

Ⅵ 整流二極管電路類(lèi)型

電網(wǎng)為用戶(hù)提供交流電，各種用電設備都需要直流電。整流是將交流電轉換為直流電的過(guò)程。利用具有單向導電性的裝置，可以將交變方向和大小的電流轉換成直流電。下面介紹由晶體二極管組成的三種主要整流電路。 

6.1 半波整流電路

圖 2. 半波整流器電路

該圖顯示了最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負載電阻Rfz組成。變壓器將電壓轉換為所需的交流電壓 e2，然后 D 將交流電轉換為脈動(dòng)直流電。
變壓器閾值電壓e2是一個(gè)正弦波電壓，其方向和大小隨時(shí)間變化，其波形如圖(a)所示。在0~K時(shí)間，e2為正半周，即變壓器上端為正，下端為負。此時(shí)二極管正向導通，e2通過(guò)它加到負載電阻Rfz上。在π~2π內，e2為負半周，變壓器次級下端為正，上端為負。此時(shí)D承受反向電壓不導通，Rfz上無(wú)電壓。在π~2π的時(shí)間里，重復0~π時(shí)間的過(guò)程，在3π~4π的時(shí)間里，π~2π時(shí)間的過(guò)程……經(jīng)過(guò)Rfz的半個(gè)周期，得到單個(gè)右向電壓在 Rfz 上（正向上和負向下），如圖（b）所示，達到整改的目的。但負載電壓Usc，負載電流也隨時(shí)間變化，所以通常稱(chēng)為脈動(dòng)直流。

圖 3. 半波整流器波

這種去掉前半周，留下半周的整改方法稱(chēng)為半波整改。不難看出，半波整流是以消耗電路中一半的交流電為代價(jià)的，電流利用率很低。據介紹，半波整流二極管常用于高壓小電流場(chǎng)合，一般無(wú)線(xiàn)電設備中很少使用。

6.2 全波整流電路

圖 4. 全波整流器電路

如果對整流電路的結構做一些調整，就可以得到一個(gè)全波整流電路。上圖是全波整流電路的電氣原理圖。
全波整流電路可以看成是兩個(gè)半波整流電路的組合。需要在變壓器的次級線(xiàn)圈中間畫(huà)一個(gè)抽頭，將次級線(xiàn)圈分成兩個(gè)對稱(chēng)的繞組，從而得到兩個(gè)大小相等但極性相反的電壓e2a和e2b，形成兩個(gè)通電電路。
全波整流電路的工作原理可以用波形圖來(lái)說(shuō)明。在0和π之間，e2a為Dl的正電壓，D1導通，在Rfz上得到一個(gè)上正下負電壓。e2b 為 D2 的反向電壓，D2 不導通（見(jiàn)圖（b））。在π-2π時(shí)刻，e2b對D2為正電壓，D2導通，Rfz上得到的電壓仍為上正下負電壓，故e2a為D1反向電壓，D1不導通（見(jiàn)圖（c）。

圖 5. 全波整流器電路波形

如此反復，由于兩個(gè)整流元件D1和D2依次導電，結果是負載電阻Rfz在正負半周電流方向相同，如圖(b)所示。這就是全波整流，不僅利用了正半周，還巧妙地利用了負半周。全波整流器大大提高了整流效率。

圖 6. 全波整流器電路

這種電路要求變壓器有一個(gè)次級中心抽頭，使兩端對稱(chēng)，給生產(chǎn)帶來(lái)了很大的麻煩。此外，在該電路中，每個(gè)整流二極管所能承受的最大反向電壓是變壓器次級電壓最大值的兩倍，因此二極管應能承受更高的電壓。 

6.3 橋式整流電路

圖 7. 橋式整流電路

橋式整流電路是最常用的整流電路。它具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，只要將兩個(gè)二極管端口連接起來(lái)形成橋式結構，在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。
橋式整流電路如下：

圖 8. 橋式整流電路 (a)

e2為正半周時(shí)，D1、D3和方向電壓、D1、D3導通；D2、D4 被施加反向電壓，它們被關(guān)閉。E2、D1、Rfz 和 D3 在電路中的回路中通電。在 Rfz 上，形成正負半波洗滌電壓。當e2為負半周時(shí)，對D2和D4施加正電壓，使它們導通；對 D1 和 D3 施加反向電壓，它們被切斷。E2、D2Rfz、D4在電路中通電一個(gè)回路，另外一個(gè)半波整流電壓也在Rfz上形成。

圖 9. 橋式整流電路 (b)

如果重復，則在 Rfz 處產(chǎn)生全波整流電壓。波形圖與全波整流器相同。從圖中不難看出，橋式電路中各二極管的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波清洗電路小一半。

Ⅶ 高頻整流二極管

開(kāi)關(guān)電源中的整流二極管必須具有正向降壓低、恢復快的特點(diǎn)，還應有足夠的輸出功率?？梢允褂靡韵氯N高頻二極管：快恢復整流器、超快恢復整流器和肖特基二極管整流器。
快恢復和超快恢復整流二極管具有中等和較高的正向壓降，范圍從0.8到1.2V。這兩類(lèi)整流二極管也有較高的截止電壓參數。因此，它們特別適用于輸出電壓在12V左右的小功率輔助電源電路中。
與一般整流二極管相比，快恢復整流二極管和超快恢復整流二極管的反向恢復時(shí)間差降低到納秒級，從而大大提高了電源的效率。根據經(jīng)驗，在選擇快恢復整流二極管時(shí)，其反向恢復時(shí)間至少應為開(kāi)關(guān)管上升時(shí)間的1/3。這兩種整流二極管也降低了開(kāi)關(guān)電壓尖峰，因為它會(huì )影響輸出直流電壓的紋波。
開(kāi)關(guān)電源中使用的快恢復整流二極管和超快恢復整流二極管是否需要散熱片，這取決于電路的最大功率。在正常情況下，制造時(shí)允許的結溫為 175°C。制造商有一個(gè)技術(shù)參數提供給設計者計算最大輸出工作電流、電壓和外殼溫度。即使在大正向電流的作用下，肖特基整流二極管的正向壓降也很低，只有0.4V左右。此外，隨著(zhù)結溫升高，其正向壓降減小。因此，肖特基整流二極管特別適用于5V左右的低壓輸出電路。它的反向恢復時(shí)間可以忽略不計，因為該器件是具有多數載流子的半導體器件。
肖特基整流二極管有兩大缺點(diǎn)：一是反向截止電壓容限低，100V左右；其次，反向漏電流大，使得該器件比其他類(lèi)型的整流器件更容易發(fā)生熱擊穿。當然，這些缺點(diǎn)也可以通過(guò)增加瞬態(tài)過(guò)壓保護電路和適當控制結溫來(lái)克服。