二極管

這是二極管的實(shí)物圖片和電路符號(hào):

二極管

二極管末端的灰色小條紋表示二極管的負(fù)極。

什么是二極管？

二極管是一種只允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)的器件。

只允許單向流動(dòng)

因此，如果你給二極管正極輸入交流電，負(fù)電壓將被阻止，在二極管的負(fù)極端將會(huì)只得到波形的正半部分。這個(gè)過(guò)程被稱為半波整流（Half Wave Rectification）。它也適用于其他帶有負(fù)電壓的波形，比如：方波、三角波等。

正弦波半波整流

方波半波整流

三角波半波整流

正向壓降

如果你仔細(xì)看正弦波的整流波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形頂部少了一塊：

少了一塊

那是因?yàn)橥昝赖亩O管是不存在的。所有的二極管都有一個(gè)所謂的正向壓降(Voltage drop or Vf)。這意味著每當(dāng)電流正向流過(guò)二極管時(shí)，電壓通常會(huì)降低 0.7 伏左右。確切的數(shù)字會(huì)隨著溫度、電流和二極管類型而變化，但現(xiàn)在我們當(dāng)它就是 0.7 伏。

正向壓降

因此，二極管在其兩端的電壓達(dá)到 0.7伏之前不會(huì)導(dǎo)通。

一旦導(dǎo)通，則其兩端總會(huì)有 0.7 伏的壓降。

0.7 伏壓降

對(duì)于二極管來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，二極管無(wú)法導(dǎo)通，因此輸出端電壓為 0 伏。

當(dāng)輸入電壓為 0.3 伏時(shí)，仍然不足以使二極管導(dǎo)通，因此輸出端電壓為 0 伏。

當(dāng)輸入電壓為 0.9 伏時(shí)，二極管導(dǎo)通，但由于正向壓降，在輸出端電壓為 0.2 伏。

當(dāng)輸入電壓為 10 伏時(shí)，在輸出端電壓為 9.3 伏。

高于 0.7 伏才導(dǎo)通

額定功率

二極管還有一個(gè)比較重要的參數(shù)的額定功率。二極管的功率是用 Vf 乘以流過(guò)二極管的電流計(jì)算出的。

二極管功率計(jì)算公式

所以當(dāng)電流為 1 毫安時(shí)，只有 0.7 毫瓦會(huì)因熱量流失，問(wèn)題不大。

0.7mW

但是當(dāng)通過(guò)二極管的電流達(dá)到 3 安培時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生 2.1 瓦的熱量，這是非常大的。因此，你要么使用更大功率的二極管，要么使用具有較低正向壓降的二極管，如肖特基二極管。

2.1W

開(kāi)關(guān)速度

二極管最后一個(gè)值得注意的參數(shù)就是：開(kāi)關(guān)速度(switching speed)。文檔中這個(gè)參數(shù)一般在電器參數(shù)（ELECTRICAL CHARACTERISTICS ）中，寫(xiě)為反向恢復(fù)時(shí)間（Reverse Recovery Time），符號(hào)為：trr。

1N4007 是專為低頻電力電子設(shè)備而設(shè)計(jì)的，例如家中的 50-60 赫茲的交流市電。

二極管速度測(cè)試電路

頻率為 50 赫茲時(shí)，一切正常：

當(dāng)交流信號(hào)的頻率增加到 10 幾千赫茲時(shí)，二極管開(kāi)始失效，因?yàn)樗_(kāi)始反向?qū)耍?/p>

1N4007 十幾 k 赫茲時(shí)完蛋了

這是因?yàn)槎O管在允許電流正向?qū)ê妥柚狗聪螂娏髦g切換需要一定的時(shí)間。不同的二極管擁有不同的切換速度。

1N4148 的切換速度是：4ns:

1N4148 的切換速度達(dá)到 4 納秒

用 1N4148 替換上面的 1N4007, 能夠支持到 100k 赫茲頻率的信號(hào)。

1N4148 可以支持到 100 k 赫茲的信號(hào)

對(duì)于射頻應(yīng)用，你將需要開(kāi)關(guān)速度更快的二極管。

當(dāng)你設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮二極管的最大額定電壓、正向壓降、額定電流和開(kāi)關(guān)速度。

二極管的幾個(gè)重要參數(shù)

半波整流

有了上面的知識(shí)，就可以用二極管來(lái)搭建點(diǎn)東西了。二極管最常見(jiàn)的用途是用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。下面我們搭建一個(gè)非穩(wěn)壓（unregulated）直流電源。

首先我們需要將家用 220 伏市電降壓到更低、更安全的交流電。

負(fù)載為零時(shí)，變壓器輸出一個(gè)干凈的正弦波，峰峰值約為 36 伏，頻率為 50 赫茲。

干凈的正弦波

二極管上場(chǎng)

在輸出的波形后面加一個(gè) 1N4007 二極管，然后測(cè)量二極管兩端的電壓，可以從波形中看到負(fù)電壓被截?cái)嗔恕?/p>

單二極管整流電路

下面是上面單二極管整流波形圖：

單二極管整流波形

下面是將上面兩個(gè)波形疊加到一起的效果：

單二極管整流波形

從技術(shù)上講，我只用一個(gè)二極管就將交流電轉(zhuǎn)換成了直流電，因?yàn)樨?fù)電壓被消除了。但這個(gè)直流電實(shí)在是太糟糕了，一半時(shí)間是一個(gè)奇怪的駝峰電壓，一半的時(shí)間電壓為零，基本沒(méi)啥用。要想把它變得有用，我們得給它增加一點(diǎn)穩(wěn)定性。說(shuō)起穩(wěn)壓，是時(shí)候讓我們的老朋友電容出場(chǎng)了。我們?cè)谳敵龆思右粋€(gè)電容來(lái)穩(wěn)壓。

電容上場(chǎng)

我們?cè)诙O管后加一個(gè) 4.7 微法的電容，立馬輸出一個(gè)完美的電壓為 18 伏直流電：

18伏直流電

一切看上去如此美好，那是因?yàn)殡娐分羞€沒(méi)有加上負(fù)載。電容通過(guò)二極管充電，因?yàn)闆](méi)有負(fù)載，電容儲(chǔ)存的電荷不會(huì)被耗盡。我們給電路加一個(gè) 4.7k 的電阻作為負(fù)載，看看會(huì)發(fā)生什么。

4.7k 負(fù)載

通過(guò)歐姆定律可以計(jì)算出通過(guò)負(fù)載的電路大約為 4 毫安，18 伏 / 4.7k = 4 毫安。

CH1 探頭還是接在二極管正極，CH2 探頭還是接在二極管負(fù)極，下圖中 CH1 為黃色，CH2 為青色。

尷尬了

4毫安的電流電路就支撐不住了，輸出的直流電變?yōu)榱艘粋€(gè)鋸齒狀劇烈抖動(dòng)的波形。從上面波形可以看出，當(dāng)交流輸入為正時(shí)，二極管允許電流通過(guò)，因此電容器充電。但是一旦輸入電壓降為零，二極管就會(huì)阻止電流的反向流動(dòng)，剩下的唯一能源就是那個(gè)微小的 4.7 微法電容器。如圖所示，即使在負(fù)載很小，它也會(huì)很快耗盡。

怎么解決這個(gè)問(wèn)題？如果我們把電容看作存儲(chǔ)電荷的水庫(kù)的話，我們可以提高水庫(kù)的容量，以便提供足夠的電量給負(fù)載使用，直到下一次輸入電壓再次變?yōu)檎怠?/p>

更大的電容

讓我們用一個(gè)更大的 470 微法電容替換那個(gè)微小的一微法電容，看看會(huì)發(fā)生什么。

增大電容到 470 微法后，直流電再次變直了，看上去還不錯(cuò)?，F(xiàn)在我們有了一個(gè)可以提供幾毫安電流的直流電源，這足以為一些傳感器和運(yùn)算放大器供電。

看上去還不錯(cuò)

現(xiàn)在，讓我們把負(fù)載加大一下。我們把負(fù)載電阻增加到 10 歐姆，這會(huì)讓電路需求的電流增大到一安培多。

10歐姆負(fù)載波形

輸出電壓再次抖動(dòng)了起來(lái)，電壓紋波的幅度很大。均方根電壓只有 8 伏，因此電路中流過(guò)的電流只有大約 0.8 安左右。

瘋狂增加電容

所以，即使是 470 微法的電容也不夠了。我們可以添加更多的電容。

3290uF電容波形

好多了，現(xiàn)在均方根值電壓達(dá)到了 10 伏，說(shuō)明電路中流過(guò)的電流大概有 1 安左右，峰峰值由 14 伏降到了 5 伏多。但 5 伏的紋波也確實(shí)太大了。我們可以繼續(xù)增加更多的電容來(lái)減小紋波，但如果負(fù)載電流繼續(xù)增大，達(dá)到幾個(gè)安培，那么還得繼續(xù)增加電容，這簡(jiǎn)直是個(gè)無(wú)底洞，不能繼續(xù)這么搞下去，得另想辦法。

全波整流

讓我們看看下面這個(gè)神奇的電路：

整流橋

它由四個(gè)二極管按照一定的順序排列組合而成，這就是“橋式整流”電路。也稱為橋式整流器。

正半周

正半周

在正弦波的正半周期，連接到菱形左邊的電壓為正（紅），連接到零星右邊的電壓為負(fù)（藍(lán)）。紅藍(lán)兩個(gè)二極管導(dǎo)通，允許電流正向流動(dòng)。剩余兩個(gè)二極管截至，阻止流動(dòng)通過(guò)，相當(dāng)于斷路。電流從上方的端子沿著紅色（正）路徑往右流到負(fù)載，再沿著負(fù)載流到輸出，返回時(shí)沿著藍(lán)色（負(fù)）路徑回到下方的電源端子。

負(fù)半周

負(fù)半周

現(xiàn)在在正弦波的后半部分，連到菱形左邊的輸入為負(fù)（藍(lán)），連到菱形右邊的輸入為正（紅），電流從下方的端子沿著紅色（正）路徑往右流到輸出，返回時(shí)沿著藍(lán)色（負(fù)）路徑回到下方的電源端子。

因此，與半波整流削掉交流電負(fù)半周不使用它相比，全波整流反轉(zhuǎn)了負(fù)半周并使用了它。因此，在輸出端會(huì)得到 100 赫茲的直流而不是 50 赫茲。

半全波整流對(duì)比

就像前面使用一個(gè)二極管進(jìn)行半波整流時(shí)那樣，我們也可以用電容器對(duì)全波整流的輸出進(jìn)行濾波以獲得更加平滑的電壓。

這是筆者使用四個(gè) 1N4007 二極管搭建的橋式整理器，輸入變壓器的 12 伏輸出，注意我使用了一個(gè) 4.7k 電阻作為負(fù)載。因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有用電容器濾波，如果不接入負(fù)載直接測(cè)量輸出波形的話會(huì)有變形：

從下面的波形中，可以看到之前 50 赫茲的有正有負(fù)的電壓，經(jīng)過(guò)整流后變?yōu)闆](méi)有負(fù)電壓的 100 赫茲的恒為正的駝峰型電壓。這被稱為全波整流，因?yàn)槲覀冋趯?duì)全交流波進(jìn)行整流。白色的波形是輸入波形，是使用示波器的參考波形功能保存好并調(diào)出顯示的。因?yàn)榇藭r(shí)交流和直流沒(méi)有共同的接地，因此無(wú)法同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)波形。整流后的波形的峰峰值為 16.3 伏，均方根值為 11.2 伏。

整流橋波形

現(xiàn)在讓我們使用一個(gè) 470 微法的電容，接上 10 歐姆的負(fù)載，看看全波整流表現(xiàn)如何。

全波整流和半波整流對(duì)比

現(xiàn)在我們獲得了 10 伏的平均電壓，而不是我們之前使用單個(gè)二極管獲得的 8 伏電壓。這是因?yàn)槿ㄕ髌鲗?duì)電容器充電的速度是半波整流器的兩倍。 因?yàn)槲覀兂浞掷昧?50 赫茲交流市電的正負(fù)兩個(gè)半波。

現(xiàn)在想想這些額外的二極管只需要幾毛錢(qián)，帶來(lái)了多大的不同。

橋式整流器可能有點(diǎn)難以理解，由于這個(gè)電路太經(jīng)典，但它實(shí)在是人類智慧的最佳表現(xiàn)形式之一，它的身影也無(wú)處不在，學(xué)習(xí)一下還是有必要的。

現(xiàn)在讓我們看看使用 3290 微法電容濾波的全波整流波形：

整流使用3290uF電容

均方根值（可以理解為平均值）到了 11.2 伏的電壓高于之前使用的 470 微法濾波的 10 伏，電源紋波也由 8.5 伏降低到了 3.72 伏。

換句話說(shuō)，橋式整流器與大量電容的組合幾乎可以將任何大電流交流電變成大電流直流電。但是要注意，使用的二極管和電容的額定電壓必須大于需整流波形的峰值電壓。這里全波整流后的波形峰峰值為 16.3 伏，使用額定電壓為 25 伏或以上的電容就可以了。

有一點(diǎn)需要注意，這些都是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。這意味著即使我們已經(jīng)成功地消除了很多電壓紋波，我們?nèi)匀粫?huì)遇到負(fù)載下平均電壓變化的問(wèn)題。

空載時(shí)為 16.4 伏：

空載電壓穩(wěn)定

1 安培負(fù)載電壓降到了 11.2 伏：

負(fù)載時(shí)電壓降低

如果電路中的電流繼續(xù)增大的話，輸出電壓還會(huì)下降。對(duì)于一些寬電壓要求的電路來(lái)說(shuō)，這不是問(wèn)題。但是對(duì)于微控制器和其他一些數(shù)字電子產(chǎn)品，他們需要非常精確的電壓源，為此需要生成所謂的穩(wěn)壓電源。

線性穩(wěn)壓器典型電路