02-二极管及其应用电路.md 9.9 KB
tags: [模电] type: note source_type: reconstructed created: 2026-08-15 updated: 2026-08-18
aliases: [二极管, 整流, 滤波, 稳压管, 限幅, 钳位]
二极管及其应用电路
[!note] 对象层 学完这篇，你能判断：
- 一个含二极管的电路，二极管是导通还是截止（先假设后验证）；
- 半波/全波/桥式整流各自的输出波形和平均值；
- 电容滤波为什么能"抬高并拉平"输出电压；
- 稳压管电路怎么算限流电阻、输出电压多少。
用生活理解：二极管是"单向阀门"——只能从阳极流向阴极。整流是"把交流的正负摆动变成单方向"（半波=只放行正半周；桥式=把负半周也翻过来，两半周都变正，利用率翻倍）。电容滤波是"水池平波"：整流输出一高一低，电容在电压高时蓄水、低时放水，把锯齿拉平。稳压管则是"反向崩溃点上的守门员"——反向电压一到击穿值就"死守"不变。
一、一句话本质
二极管应用的本质是"单向导电 + 恒压降（0.7V）"两个特性的工程化：整流把交流变直流（桥式全波）、电容滤波平波、稳压管反向击穿提供稳定电压、限幅/钳位利用导通压降切割信号。
二、速查表（公式与结论）
2.1 二极管等效模型（分析时选用）
| 模型 | 描述 | 适用 |
|---|---|---|
| 理想模型 | 导通=短路，截止=开路 | 快速定性判断 |
| 恒压降模型 | 导通=0.7V 恒压源（硅） | 工程默认 |
| 折线模型 | 0.5V 起导 + 内阻 rD | 精密小信号分析 |
分析流程：先假设（导通/截止）→ 按模型简化 → 验证假设是否自洽。不满足则换假设。
2.2 整流电路对比
| 类型 | 波形 | 平均值 Vo | 二极管承受反向电压 | 纹波 |
|---|---|---|---|---|
| 半波 | 只有正半周 | 0.45·V2 | 2·√2·V2 | 大 |
| 全波（双绕组） | 正半周+负半周（需中心抽头） | 0.9·V2 | 2·√2·V2 | 小 |
| 桥式 | 正半周+负半周 | 0.9·V2 | √2·V2 | 小 |
V2 为变压器次级有效值；带电容滤波后空载电压约 √2·V2，带载约 1.2·V2。 桥式整流用 4 个二极管换"不要中心抽头 + 反向耐压减半"——工程首选。
2.3 电容滤波（并联在负载两端）
- 原理：V 上升时电容充电，V 下降时电容向负载放电（时间常数 RLC）；
- 效果：输出电压抬高、纹波减小，负载越轻（RL 越大）纹波越小；
- 经验：RL·C ≥ (3~5)·T/2（T 为交流周期）→ 纹波可接受；
- 纹波电压（近似）：Vr ≈ Vm / (2·f·RL·C)。
2.4 稳压管电路
+ Vin ── R（限流电阻）──┬── Vout（负载）
│
稳压管 DZ（反向并联，阴极接上）
│
GND
- Vout = VZ（稳压管稳压值），前提：DZ 工作在反向击穿区；
- 限流电阻 R = (Vin − VZ) / IZ，需保证 IZ 在 IZmin~IZmax 之间（含负载电流变化）；
- 适用：小电流（<100mA）、精度要求不高的基准/简单稳压。
三、判别规则
- 二极管通断三步：设导通（0.7V 压降）→ 算电流方向 → 与二极管方向自洽？
- 选整流方案：功率小、要简单 → 半波；要效率纹波小 → 桥式（最常用）。
- 电容滤波取值：RLC 时间常数 ≥ (3~5) 个半周期；大电容改善纹波但浪涌电流大。
- 稳压管 vs 普通二极管：稳压管反向使用并限流；普通二极管正向使用。
四、易混对比
| 易混点 A | 易混点 B | 关键区别 |
|---|---|---|
| 半波 | 桥式 | 半波只用 1 管、效率 0.45；桥式 4 管、效率 0.9、耐压减半 |
| 整流 | 稳压 | 整流 = AC→脉动 DC；稳压 = 脉动 DC→稳定 DC（稳压管/稳压芯片） |
| 滤波电容（并联） | 滤波电感（串联） | 电容并负载平波；电感串负载扼流（见 [[PCB学习笔记/02-电路基础-电阻电容电感 |
| 限幅（削波） | 钳位 | 限幅把超过阈值的部分"切掉"；钳位把整个波形"平移"（加直流偏置），形状不变 |
五、典型例题（先想再翻）
- 整流计算：变压器次级 12V 有效值，桥式整流 + 电容滤波空载输出电压？ > 答：√2×12 ≈ 17V（空载峰值保持）；带载约 1.2×12 = 14.4V。
- 通断判断：硅二极管串联在 5V→3.3V 压降电路中，导通时压降？ > 答：约 0.7V（恒压降模型），实际输出 5−0.7 = 4.3V（注意：不是稳压！）。
- 陷阱题：同学说"稳压管可以直接并联在 12V 电源上输出 5V，不用限流电阻"。 > 答：错。没有限流电阻，稳压管电流会无限大烧毁。限流电阻是稳压电路的必要元件。
六、完整知识点
6.1 二极管主要参数
- IF（最大正向电流）、VRM（最大反向电压）、IR（反向漏电流）、trr（反向恢复时间，高频开关/整流选型关键）；
- 肖特基二极管：压降 0.3~0.4V、恢复快 → 开关电源整流首选（效率）；缺点耐压低、漏电大。
- LED：正向压降 1.8~3.3V（颜色不同），必须串限流电阻，反向耐压极低（勿反接）。
6.2 整流原理细节
- 半波：只有正半周导通 → 平均值 Vm/π ≈ 0.45V2；
- 桥式：正半周 D1D3 导通、负半周 D2D4 导通，负载上始终正下负 → 两半周都利用，V = 2Vm/π ≈ 0.9V2；
- 二极管反向耐压：桥式每管只承受 Vm（约 1.414V2）。
6.3 电容滤波波形
空载：电压保持在峰值（电容不放电）→ 输出 Vm；带载：放电导致锯齿波 → 平均值 (1~1.2)V2。浪涌电流：上电瞬间电容相当于短路，整流管要承受大电流冲击（必要时加 NTC 或限流）。
6.4 限幅与钳位
- 限幅（削波）：串联电阻 + 并联二极管/稳压管，输出被"切"在 ±(0.7+VX) 内 → 保护后级输入；
- 钳位：隔直电容 + 二极管，把信号整体平移（如把交流钳到 0V 以上）→ 电平搬移。
6.5 二极管的常见实物应用（尚硅谷补充）
6.5.1 整流 / 稳压 / 发光三大家规
| 类型 | 核心工作区 | 关键参数（看数据手册） |
|---|---|---|
| 整流二极管 1N4007 | 正向大电流导通 | VF（正向压降）、IR（反向漏电流）、VRRM（最大重复反向电压）、IAV（平均整流电流）、IFSM（浪涌电流） |
| 稳压二极管 | 反向击穿区 | VZ（稳压值）、IZmin/IZmax、Pd（耗散功率） |
| LED | 正向往电致发光 | VF（导通压降依颜色 1.8~3.3V）、IF（额定电流） |
选型口诀：整流看电流，稳压看功率，LED 必配限流电阻。稳压管功率选型留 ≥30% 裕量（否则靠近 IZmax 发热击穿损坏）。
6.5.2 LED 必须限流的原因（伏安特性）
LED 导通后压降基本恒定（约 2V），电流随电压 指数上升——电源电压稍有波动，电流就暴涨烧毁。限流电阻把电流限定在安全区：
R = (V电源 − VF) / IF
例：5V 电源驱动 VF=2V / IF=20mA → R=(5−2)/0.02 = 150Ω
6.5.3 数码管（7 段 LED 阵列）
7 个 LED 排成"8"字形，阳极/阴极按 a b c d e f g dp 编号 → 段选亮灭显示数字。
- 共阳极：所有阳极接 VCC，段位低电平点亮；
- 共阴极：所有阴极接地，段位高电平点亮（图例）；
- 显示数字 3 = 点亮
a b c d g（[0]=亮）。
6.5.4 LED 点阵（8×8）
64 个 LED 排成 8×8 矩阵，行列引脚扫描点亮 → 可显示汉字/图案（点阵屏、广告屏的基础）。
拓展：这四类器件说明——二极管不只是"整流"，同一 PN 结的发光/感光/稳压等工程分支，选型都回归数据手册参数。与 [[08-AD与DA转换|数电 08]] "数字化采样"结合，可理解 LED 亮度用 PWM 调光的本质（高频通断调平均亮度）。
七、与 PCB 画图的关联
- 电源入口反接保护：串联二极管或并联反向二极管——每个电源输入原理图都会见到（对应 [[PCB学习笔记/10-项目实战-USB拓展坞|PCB 笔记 10]] USB 电源）。
- 电源整流/滤波：交流输入的板卡（变压器+整流桥+电解电容）就是本课的电路。
- 去耦/钳位保护：IO 引脚上的钳位二极管、ESD 防护管（TVS 本质是稳压/齐纳结构）。
- AMS1117 等 LDO 输入输出电容 → 与滤波思想一致（[[10-直流稳压电源|模电 10]]）。
来源：华成英《模拟电子技术基础》第 1 章（二极管及其应用电路）；尚硅谷《电子元器件零基础入门》（二极管与 LED、数码管）