1 概述

1.1 PN结

1.2 扩散运动和漂移运动

1.3 导通和截止

2 稳压管

2.1 稳压二极管原理及特性

2.2 稳压二极管稳压电路图

3 常见二极管限幅电路

3.1 正限幅电路

3.2 负限幅电路

3.3 双向限幅电路

3.4 正偏压限幅电路

3.5 负偏压限幅电路

3.6 双向偏压限幅电路

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1 概述

发光二极管在我们生活中是比较常见的，比如说：商业的走字灯，交通灯，LED屏幕，LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

发光二极管只是二极管其中之一，还有许多不同用途的二极管：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见，都用在交流转直流的电路中：手机充电器，电脑充电器，电动车充电器等等。

电子产品主要由电阻、电容、电感组成，很多半导体，交流电的电流方向是变化的，直流电流方向是不变的，所以电子产品基本都使用低压直流电。

1.1 PN结

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能，单向导电性，就是说电流只能从二极管的阳极进去，负极出去，反过来就不行了。为什么呢？二极管中有个叫PN结的东西，就是它阻止了电流逆流。

自然界中的物质，按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体，半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有四价硅和锗（zhě）。什么是四价啊，就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体，其导电能力较差，不能直接用来制造半导体器件，在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素（硼），另一边掺入五价元素（磷），就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗有外层有四个电子，少了一个怎么办呀？那就形成了空穴，这个就是P型半导体。于是，P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素（磷）有五个电子，多一个怎么办？多出的一个电子几乎不受束缚，它就自由了，叫它自由电子，这个就是N型半导体。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

1.2 扩散运动和漂移运动

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区内自由电子多称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，就像一滴墨水滴在清水中，墨水本身浓度高，就往周围扩散，这就是扩散运动，P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇，然后复合。什么是复合啊，把空穴比作房子，房子里面要住人啊，这时候自由电子就比作人了，然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动，为啥呀？因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场，扩散运动的进行使空间电荷区变宽，内电场也变强了。

这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，扩散就不容易进行下去；另一方面使空穴（少子）从N区往P区漂移，自由电子从P区往N区漂移，这个漂移可不是汽车漂移，是受N区高电势，P区低电势的内电场影响产生漂移，叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

1.3 导通和截止

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极，N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷区慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管也就导通了，这时候的电压称为导通电压。

反之把P区引脚加电源负极，N区引脚连接电源正极，这时候电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场使得空间电荷区变宽，空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，由于电流非常小，这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁，这时候的电压成为击穿电压，这时候二极管就没用了。

二极管加正向偏置电压，死区OA区，由于正向电压比较小，二极管不导通，几乎没有电流，呈高阻状态，此时二极管两端的电压为死区电压，硅二极管为0.5V（锗管为0.1v），当正向电压高于一定的数值后，二极管中的电流随着电压的升高而增大，二极管导通，这时候的电压称为导通电压，也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V（锗管为0.2v），导通时二极管两端的电压保持不变，硅管0.7V（锗管为0.3v），这时候称为正向压降。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同，比如说镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等。然后加上引脚，用环氧树脂封装起来，通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性，稳压二极管都是串联在电路中，当稳压二极管被击穿，尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。

在接二极管还要注意正负极，一般看外观来说，长引脚为正极，短引脚为负极，有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测，把万用表调到二极管档，红黑表笔分别接二极管的两端，若此时万用表的读数小于1，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”，则黑表笔一端为正极。

2 稳压管

要理解稳压二极管的工作原理，只要了解二极管的反向特性就行了。所有的晶体二极管,其基本特性是单向导通。就是说，正向加压导通，反向加压不通。这里有个条件就是反向加压不超过管子的反向耐压值。那么超过耐压值后是什么结果呢?一个简单的答案就是管子烧毁。但这不是全部答案。试验发现，只要限制反向电流值(例如，在管子与电源之间串联一个电阻)，管子虽然被击穿却不会烧毁。而且还发现，管子反向击穿后，电流从大往小变，电压只有很微小的下降，一直降到某个电流值后电压才随电流的下降急剧下降。正是利用了这个特性人们才造出了稳压二极管。使用稳压二极管的关键是设计好它的电流值。

稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。

2.1 稳压二极管原理及特性

一般三极管都是正向导通，反向截止;加在二极管上的反向电压、如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好;反过来着，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。

稳压管的型号有2CW、2DW 等系列，它的电路符号如图5-17所示。

稳压管的稳压特性，可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。

稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的，因此、稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2伏到4.5伏，其中某一只管子的稳压值可能是3.5伏，另一只管子则可能是4.2伏。

在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0.6～0.7伏的特点来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。

稳压管稳压性能的好坏，可以用它的动态电阻r来表示：

显然，对于同样的电流变化量ΔI，稳压管两端的电压变化量ΔU越小，动态电阻越小，稳压管性能就越好。

稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流越大。动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流(或最大耗散功率)。各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。

稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数为0.095%℃，说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时，需使用具有温度补偿的稳压，如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。

2.2 稳压二极管稳压电路图

由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9(a)所示。硅稳压管DW与负载Rfz，并联，R1为限流电阻。

这个电路是怎样进行稳压的呢?

若电网电压升高，整流电路的输出电压Usr也随之升高，引起负载电压Usc 升高。由于稳压管DW与负载Rfz并联，Usc 只要有很少一点增长，就会使流过稳压管的电流急剧增加，使得I1也增大，限流电阻R1上的电压降增大，从而抵消了Usr的升高，保持负载电压Usc 基本不变。反之，若电网电压降低，引起Usr下降，造成Usc 也下降，则稳压管中的电流急剧减小，使得I1减小，R1上的压降也减小，从而抵消了Usr的下降，保持负载电压Usc 基本不变。

若Usr 不变而负载电流增加，则R1上的压降增加，造成负载电压Usc 下降。Usc 只要下降一点点，稳压管中的电流就迅速减小，使R1上的压降再减小下来，从而保持R1上的压降基本不变，使负载电压Usc 得以稳定。

综上所述可以看出，稳压管起着电流的自动调节作用，而限流电阻起着电压调整作用。稳压管的动态电阻越小，限流电阻越大，输出电压的稳定性越好。

3 常见二极管限幅电路

3.1 正限幅电路

正半周时且Vin的电压大于等于0.7V时，二极管导通，Vout会被钳位在0.7V；

在负半周和Vin电压小于0.7V时，二极管是截止状态，所以Vout=Vin，即Vout波形跟随Vin波形。

3.2 负限幅电路

在正半周时，二极管截止，Vout=Vin，即波形跟随；

在负半周Vin电压小于等于-0.7V时，二极管会导通，Vout电压会被钳位在-0.7V。

3.3 双向限幅电路

双向限幅是结合了上面两个电路，用了两个二极管。

正半周，通过D1将超出的部分钳位在0.7V；

负半周通过D2将超出的部分钳位在-0.7V。

3.4 正偏压限幅电路

为了产生不同的限幅电压，有时候会在电路中加入偏置电压Vbias。

当Vin的电压大于等于Vbias+0.7V时，二极管导通，Vout被钳位。

3.5 负偏压限幅电路

负偏压是一样的道理，Vin电压小于等于-0.7-Vbias时，二极管导通，Vout被钳位。

3.6 双向偏压限幅电路

双向偏压限幅是两个二极管加两个偏置电压。

正半周大于等于4.7V时，D1导通，超出部分被钳位在4.7V；

负半周小于等于-6.7V时，D2导通，超出部分被钳位在-6.7V。

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电路技术基础知识1.1-二极管

1 概述

1.1 PN结

1.2 扩散运动和漂移运动

1.3 导通和截止

2 稳压管

2.1 稳压二极管原理及特性

2.2 稳压二极管稳压电路图

3 常见二极管限幅电路

3.1 正限幅电路

3.2 负限幅电路

3.3 双向限幅电路

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