二極管的應用| 整流器，削波器，反向電流保護

2021-05-17

二極管的應用| 整流器，削波器，反向電流保護

在本二極管教程中，我們將看到二極管的一些常見(jiàn)應用。作為最簡(jiǎn)單的半導體組件，二極管在現代電子系統中具有廣泛的應用。各種電子電路均使用此組件作為產(chǎn)生所需結果的必要設備。

我們知道，二極管僅允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)，因此它可以用作單向開(kāi)關(guān)。二極管由P和N型材料制成，并具有兩個(gè)端子，即陽(yáng)極和陰極?？梢酝ㄟ^(guò)控制施加在這些端子上的電壓來(lái)操作該設備。

當施加到陽(yáng)極的電壓相對于陰極為正時(shí)，二極管稱(chēng)為正向偏置。如果施加到二極管的電壓大于閾值電平（通常對于硅二極管約為0.6V），則二極管起短路作用并允許電流流過(guò)。

如果改變電壓的極性，即使陰極相對于陽(yáng)極為正，則稱(chēng)其為反向偏置并充當開(kāi)路。結果，沒(méi)有電流流過(guò)。

二極管的應用領(lǐng)域包括通信系統，如限幅器，限幅器，門(mén)；計算機系統，如邏輯門(mén)，鉗位器；整流器和逆變器等電源系統；電視系統，用作鑒相器，限幅器，鉗位器；雷達電路，如增益控制電路，參數放大器等。以下描述簡(jiǎn)要描述了二極管的各種應用。

二極管的一些常見(jiàn)應用

在研究二極管的各種應用之前，讓我們快速瀏覽一下二極管的一小部分常見(jiàn)應用。

整流器

快船電路

鉗位電路

反向電流保護電路

在邏輯門(mén)

電壓倍增器

還有很多?，F在讓我們更詳細地了解二極管的每種應用。

二極管作為整流器

二極管最常見(jiàn)，最重要的應用是將交流電整流為直流電。使用二極管，我們可以構建不同類(lèi)型的整流器電路。這些整流器電路的基本類(lèi)型是半波，全波中心抽頭和全橋式整流器。大多數功率轉換應用中使用單個(gè)二極管或四個(gè)二極管的組合。下圖顯示了整流器中二極管的工作情況。

在輸入電源的正半周期內，使陽(yáng)極相對于陰極為正。因此，二極管正向偏置。這導致電流流向負載。由于負載是電阻性的，因此負載電阻器兩端的電壓將與電源電壓相同，即，輸入正弦電壓將出現在負載處（僅正周期）。負載電流與施加的電壓成正比。

在輸入正弦波的負半周期內，使陽(yáng)極相對于陰極為負。因此，二極管反向偏置。因此，沒(méi)有電流流向負載。電路開(kāi)路，負載兩端無(wú)電壓。

負載側的電壓和電流均為極性，表示輸出電壓為脈動(dòng)直流電。通常，該整流電路具有一個(gè)跨接在負載兩端的電容器，以產(chǎn)生穩定且連續的直流電流，而不會(huì )產(chǎn)生任何波動(dòng)。

削波電路中的二極管

削波電路用在FM發(fā)射器中，在該發(fā)射器中，噪聲峰值被限制為特定值，以便從中去除過(guò)多的峰值。削波器電路用于在不干擾輸入波形的其余部分的情況下延遲超過(guò)預設值的電壓。

根據電路中的二極管配置，這些削波器分為兩種類(lèi)型：

系列飛剪機

分流快船

此外，這些又被分類(lèi)為不同的類(lèi)型。

上圖顯示了正向串聯(lián)鉗和并聯(lián)鉗。使用這些削波器電路，將消除輸入電壓波形的正半個(gè)周期。在正串聯(lián)削波器中，在輸入的正周期內，二極管反向偏置，因此輸出端的電壓為零。

因此，正半周期在輸出端被截斷。在輸入的負半個(gè)周期內，二極管被正向偏置，并且負半個(gè)周期出現在輸出兩端。

在正并聯(lián)削波器中，二極管在正半周期內被正向偏置，因此當二極管用作閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，輸出電壓為零。在負半周期內，二極管反向偏置并充當開(kāi)路開(kāi)關(guān)，因此整個(gè)輸入電壓會(huì )出現在輸出兩端。使用以上兩個(gè)二極管削波器，輸入的正半周期被削波在輸出處。

鉗位電路中的二極管

鉗位電路用于將輸入信號的正或負峰值移位或更改為所需電平。該電路也稱(chēng)為電平轉換器或直流恢復器。這些鉗位電路可以為正，也可以為負，具體取決于二極管的配置。

在正鉗位電路中，負峰值向上升高，因此負峰值落在零電平上。在負鉗位電路的情況下，正峰被鉗位，以使其向下推動(dòng)，使正峰落在零電平上。

請看下圖，以了解二極管在鉗位電路中的應用。在輸入的正半周期內，二極管反向偏置，因此輸出電壓等于輸入電壓和電容器電壓之和（考慮到電容器最初已充電）。在輸入的負半周期內，二極管會(huì )被正向偏置并充當閉合開(kāi)關(guān)，因此電容器會(huì )充電至輸入信號的峰值。

邏輯門(mén)中的二極管

二極管還可以執行數字邏輯運算。邏輯開(kāi)關(guān)的低阻抗狀態(tài)和高阻抗狀態(tài)分別類(lèi)似于二極管的正向和反向偏置狀態(tài)。因此，二極管可以執行諸如AND，OR等的邏輯運算。盡管二極管邏輯是一種較早的方法，但存在一些局限性，但在某些應用中會(huì )使用這些邏輯。大多數現代邏輯門(mén)基于MOSFET。

下圖顯示了使用一對二極管和一個(gè)電阻器實(shí)現的或門(mén)邏輯。

在上面的電路中，輸入電壓施加在V上，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，我們在輸出端獲得OR邏輯。此處邏輯1表示高電壓，邏輯0表示零電壓。當兩個(gè)開(kāi)關(guān)均處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，因此輸出Y的電壓為零。當任一開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱?，結果輸出為高。

倍壓電路中的二極管

電壓倍增器由兩個(gè)或更多個(gè)二極管整流器電路組成，這些二極管整流器電路級聯(lián)產(chǎn)生直流輸出電壓，該直流輸出電壓等于施加的輸入電壓的倍數。這些乘法器電路具有不同的類(lèi)型，例如倍壓器，三倍器，四倍頻器等。通過(guò)將二極管與電容器結合使用，我們可以在輸出端獲得輸入峰值電壓的奇數或偶數倍。

上圖顯示了一個(gè)半波電壓倍增器電路，其直流輸出電壓是峰值輸入交流電壓的兩倍。在交流輸入的正半周期間，二極管D1正向偏置，而D2反向偏置。因此，電容器C1充電至通過(guò)二極管D1的輸入的峰值電壓Vm。在交流輸入的負半周期內，D1被反向偏置，D2被正向偏置。因此，電容器C2開(kāi)始通過(guò)D2和C1充電。因此，C2兩端的總電壓等于2Vm。

在下一個(gè)正半周期內，二極管D2被反向偏置，因此電容器C2將通過(guò)負載放電。同樣，通過(guò)級聯(lián)整流器電路，我們將在輸出端獲得輸入電壓的多個(gè)值。

反向極性保護中的二極管

必須使用反極性或電流保護，以避免由于錯誤地連接電池或顛倒直流電源的極性而造成的損壞。電源的這種意外連接會(huì )導致大量電流流過(guò)電路組件，這可能會(huì )導致其故障或在最壞的情況下導致爆炸。

因此，保護或隔離二極管與輸入的正極串聯(lián)連接，以避免反向連接問(wèn)題。

上圖顯示了反向電流保護電路，其中二極管與電池電源正極的負載串聯(lián)連接。如果極性連接正確，則二極管會(huì )正向偏置，并且負載電流會(huì )流過(guò)該二極管。但是，如果連接錯誤，則二極管會(huì )反向偏置，這不允許任何電流流向負載。因此，保護了負載免于反極性。

抑制電壓尖峰的二極管

在電感器或電感性負載的情況下，由于電源中存儲的磁場(chǎng)能量，突然取下電源會(huì )產(chǎn)生更高的電壓。電壓的這些意外尖峰可能會(huì )對其余電路組件造成相當大的損害。

因此，二極管跨接在電感器或電感性負載兩端，以限制較大的電壓尖峰。這些二極管在不同的電路中也有不同的稱(chēng)呼，例如緩沖二極管，反激二極管，抑制二極管，續流二極管等。

在上圖中，續流二極管跨接在電感負載上，用于抑制電感器中的電壓尖峰。當開(kāi)關(guān)突然斷開(kāi)時(shí)，電感器中會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰。因此，續流二極管為電流的流動(dòng)提供了一條安全的路徑，以釋放尖峰脈沖所提供的電壓。

太陽(yáng)能電池板中的二極管

用于保護太陽(yáng)能電池板的二極管稱(chēng)為旁路二極管。如果太陽(yáng)能電池板出現故障或被落葉，積雪和其他障礙物損壞或遮擋，則總輸出功率會(huì )降低并引起熱點(diǎn)損壞，因為其余電池的電流必須流過(guò)該故障或遮擋的電池并導致過(guò)熱。旁路二極管的主要功能是保護太陽(yáng)能電池免受此熱點(diǎn)問(wèn)題的困擾。

上圖顯示了太陽(yáng)能電池中旁路二極管的連接。這些二極管與太陽(yáng)能電池并聯(lián)連接，從而限制了不良太陽(yáng)能電池上的電壓，并允許電流從優(yōu)質(zhì)太陽(yáng)能電池流向外部電路。因此，通過(guò)限制流過(guò)不良太陽(yáng)能電池的電流來(lái)減少過(guò)熱問(wèn)題。