二极管的应用

利用二极管的单向导电特性和反向击穿特性，可以构成整流、限幅、开关、稳压等电路。

1. 理想二极管的等效电路

由于二极管的伏安特性是非线性的，为了简化分析计算，在一定的条件下可以近似某些线性电路来等效实际的二极管，这种电路称为二极管的等效电路。

在电路中，如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，那么可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想为一个开关，即假设二极管正向导通时，相当于开关闭合，UD=0；反向截止时，相当于开关断开， IR=0。如图2 − 2 − 3所示，在实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型来分析是可行的。

图2 − 2 − 3 理想二极管等效模型

2. 整流电路

整流电路就是利用二极管的单向导电性把交流电转换成直流电的电路。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。

图2 − 2 − 4所示电路为半波整流电路，由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波，故称半波整流。

图2 − 2 − 4 半波整流电路及波形图

（a）半波整流电路；（b）波形图

在图2 − 2 − 4（a）中，电压u2的幅值一般会远远大于二极管的正向压降，因而可以认为当u2＞0时，D导通，此时变压器提供的电压完全加在负载上，即：uo=u2；当u2＜0时， D截止，iD=0，电路相当于断开，uo=0。交流电压 2u与负载电压uo的波形如图2 − 2 − 4（b）所示。

由于半波整流电路电源利用率太低，一般采用全波整流电路。图2 − 2 − 5为常用的桥式全波整流电路。

电路中，四只二极管中两个两个地轮流导通，轮流截止。因此在整个周期，负载电阻RL上均有电流流过，而且始终是一个方向，即都是从负载的上端流向下端。负载RL上的电压波形如图2 − 2 − 5（b）所示。变压器次级绕组在整个周期的正、负两个半周内都有电流通过，提高了电源的利用率。

图2 − 2 − 5 全波桥式整流电路及波形图

（a）桥式整流电路；（b）波形图

3. 限幅电路

限幅电路又称削波器，主要是限制输出电压的幅度。即输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。如图2 − 2 − 6（a）所示即为限幅电路。改变E值就可改变限幅电平。

图2 − 2 − 6 限幅电路及波形图

（a）限幅电路；（b）波形图

当ui＜E时，二极管截止，uo=ui；而当ui＞E时，二极管导通，uo=E。波形如图2 − 2 − 6（b）所示。

4. 钳位电路

钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。下面举例说明钳位电路的应用。

【例2 − 2 − 1】图2 − 2 − 7所示电路中，假设二极管是理想元件，下面几种情况下，输出端Y点的电位各是多少？

（1）UA=UB=0V，UY=?

（2）UA=UB=3V，UY=?

（3）UA=0V，UB=3V，UY=?

（4）UA=3V，UB=0V，UY=?

解：判断二极管的导通与截止，可假定二极管在电路中是断开的，分别计算出二极管两端的电位，若阳极电位高，则二极管导通，否则二极管截止。二极管导通时，可看作短路；二极管截止时，可作断开对待。

若是两个或多个二极管阳极接在一起时，各二极管中阴极低的二极管优先导通，然后再判断其他二极管；若两个或多个二极管的阴极接在一起时，各二极管中阳极电位高的二极管优先导通。

图2 − 2 − 7 钳位电路（与门）

在图2 − 2 − 7中，先假设两个二极管均为断开，判断A、B点与Y点电位的高低，因为两个二极管是阳极接在一起，那么A、B两电位低的就优先导通，如果两点电位相同，则同时导通或截止。

（1）当UA=UB=0V时，假设D1、D2断开，Y点电位就是电源VCC的电位，所以D1、D2阳极电位均为12 V，高于阴极电位，D1、D2导通，则UY=0V。

（2）UA=UB=3V时，假设D1、D2断开，Y点电位就是电源VCC的电位，所以D1、D2阳极电位均为12 V，高于阴极电位，D1、D2导通，则UY=3V。

（3）当UA=0V，UB=3V时，假设D1、D2断开，Y点电位就是电源VCC的电位，所以D1、D2阳极电位均为12 V，A点电位低于B点电位，D1优先导通，D1导通可看成短路，此时Y点电位为0 V，D2两端阴极电位高，截止，则UY=0V。

（4）当UA=3V，UB=0V时，情况与（3）完全一样，不同的是，D2优先导通，D1截止，则UY=0V。

此例中，在四种不同的情况下，输入端A、B和输出端Y之间的电位关系如表2 − 2 − 1所示。

表2 − 2 − 1 钳位电路的电位关系

钳位电路在数字电路中应用较广。图2 − 2 − 7电路就是数字电路中的与门电路。分析表2 − 2 − 1可以看出，当输入端均是高电平（3 V）时，输出端为高电平；当任意一个输入端为低电平（0 V）时，输出端均是低电平。