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二极管的应用概述

几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管,它在许多的电路中起着重要的作用, 它是诞生最早的半导体器件之一,其应用也非常广泛,比如在充电机电路和直流电源电路中,二极管的应用无处不在。这里残弈悟恩不从原理去讲二极管了,而就单片机电路设计中常用的几点做简要说明。

二极管的特性

二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负 极流出。

1.正向特性。在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二 极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数 值(这一数值称为“门槛电压”,锗管约为 0.2V,硅管约为 0.6V)以后,二极管才能正向 导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变,当然也有变化,这个变化就是由二极管“正 向压降”(锗管约为 0.3V,硅管约为 0.7V)所产生的。

2.反向特性。在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时 二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的 反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态 称为二极管的击穿。

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标,称为二极管的参数。不同类型的二 极管有不同的特性参数。对初学者而言,必须了解以下几个主要参数:

(1)额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许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(硅管为 140 左右,锗管为 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。例如,常用的 IN400-4007 型锗二极管的额定正向工作电流为 1A。

(2)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,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001 二极管反向耐压为 50V,IN4007 反向耐压为 1000V。

(3)反向电流 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流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关系, 大约温度每升高 10,反向电流增大一倍。例如 2AP1 型锗二极管,在 25 时反向电流若为 250μA, 温度升高到 35,反向电流将上升到 500μA,依此类推,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。又如2CP10 型硅二极管,25 时反向 电流仅为 5μA,温度升高到 75 时,反向电流也不过 160μA。故硅二极管比锗二极管在高温 下具有较好的稳定性。

作为初学者在业余使用二极管时,首先必须得测试一下管子的好坏,但网上、书上大多 讲述的是用指针万用表测试的方法,可读者现在大多都用的是数字万用表,残弈悟恩总结一 下如何用数字万用表测试二极管的好坏。

使用数字万用表二极管档,将红表笔插入 V/Ω 孔,黑表笔插入 COM 孔,大伙都知道在 数字万用表里红表笔接内部电池的正极,黑表笔接内部电池负极,而在指针万用表里电阻档 是红表笔接内部电池负极,黑表笔接内部电池正极。将数字万用表红表笔接触二极管正极, 黑表笔接触二极管负极,(测量正向电阻值)正常数值为 300~600Ω ,然后将红表笔接触二极管负极,黑表笔接触二极管正极(测量反向电阻值),正常数值为“1”。如果两次测量都 显示 001 或 000 并且蜂鸣器响,说明二极管已经击穿;如果两次测量正反向电阻值均为“1”说明二极管开路;如果两次测量数值相近,说明管子质量很差;反向电阻值必须为“1”或 1000 以上,正向电阻值必须为 300-600Ω ,则为二极管是好的。

3.3.2 二极管的应用

二极管的应用当然是很广泛了,这里列举常用的几点。

(1)整流二极管。利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一 方向的脉动直流电。在交流转直流的电路的整流桥电路,就是利用此特性来设计的。

(2)开关元件。二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通 的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管 的开关特性,可以组成各种逻辑电路。

举个简单的例子。这是残弈悟恩曾做项目时所用的一个电路,实质就是简简单单的三个 按键检测电路。现在笔者的目的是用中断来响应按键,可三个按键如何用一个中断来响应,毫无疑问得用与门,提到与门,读者可能就会想到数字电路里面学了那么多的与门逻辑器件(74LS/HC 系列),找个与门芯片还难嘛?但读者想过没,一个芯片要几毛钱,而且还体积 比较大,倘若用三个二极管代替与门芯片,无论从价格、体积都优于用专门的芯片,电路图 如图 3-11 所示。

二极管组成的与门电路

图 3-11 二极管组成的与门电路

(3)限幅元件。二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为 0。7V,锗管 为 0。3V)。利用这一特性,在电路中作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。例如当我们想设计一个限幅(钳位)电路是,我们可借助两个二极管达到。

(4)继流二极管。在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 续流二极管经常和储能元件一起使用,防止电压电流突变,提供通路。电感可以经过它

给负载提供持续的电流,以免负载电流突变,起到平滑电流的作用。在开关电源中,就能见 到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路与变压器原边并联。当开关管 关断时,续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量,防止感应电压过高,击穿开关管。 一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管就可以了,用来把线圈产生的反向电势通过电流 的形式消耗掉,可见“续流二极管”并不是一个实质的元件,它只不过在电路中起到的作用 称做“续流”。图 3-12 是一个三极管驱动风扇的电路图,上面笔者并接了一个二极管,作用就是为了续流。

三极管驱动风扇电路图

图 3-12 风扇驱动电路

在正常工作时,FS 端为低电平,三极管导通,J4-1 为高电平,J4-2 为低电平,二极管处 于截止状态。可当 FS 端变为高电平以后,三极管截止,此时 J4-1 的电压突然会变小(不是 突然变为零),但风扇是储能元件(有线圈),这时会产生反相电动势来阻止电势突变,也既 不想让减小,从而 J4-2 端的电势就会高于 J4-1 端的电势,若没 D5 这个二极管,这种反相电压 对电路是致命的,那若加了之后,D5、J4 就会形成一个回路,将产生的这部分电势给消耗掉, 从而起到保护电路的作用。

续流二极管通常应用在开关直流电源、继电器电路、可控硅充电机电路、IGBT 等电路中,其应用 非常广泛,在使用时应注意以下几点。

(1)续流二极管是防止直流线圈断电时,产生自感电势形成的高电压对相关元器件造 成损害的有效手段!

(2)续流二极管的极性不能接错,否则将造成短路事故;

(3)续流二极管对直流电压总是反接的,即二极管的负极接直流电源的正极端;

(4)续流二极管是工作在正向导通状态,并非击穿状态或高速开关状态。

3.3.3 发光二极管

漆黑的夜空,因为它的存在,徇丽多彩。

发光二极管有两个参数很重要,分别是:压降和额定电流,其中红、黄、绿的压降参数

如表 3-2 所示。

红、黄、绿二极管的压降参数红、黄、绿二极管的压降参数

表 3-2 发光二极管的压降参数表

需要注意的是,设计电路时,一般让工作电流为 3mA 左右,这样问题 2 就很好回答了。

欧姆定律:R =(5 - 1.85)V ÷ 3mA = 1.05kΩ ,所以用了 1 kΩ 的限流电阻,OK?

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