二极管7种应用电路详解.docx
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二极管7种应用电路详解
二极管7种应用电路详解之一
许多初学者对二极管很“熟悉”，提起二极管的特性可以脱口而出它的单向导电特性，说到它在电路中的应用第一反应是整流，对二极管的其他特性和应用了解不多，认识上也认为掌握了二极管的单向导电特性，就能分析二极管参与的各种电路，实际上这样的想法是错误的，而且在某种程度上是害了自己，因为这种定向思维影响了对各种二极管电路工作原理的分析，许多二极管电路无法用单向导电特性来解释其工作原理。
二极管除单向导电特性外，还有许多特性，很多的电路中并不是利用单向导电特性就能分析二极管所构成电路的工作原理，而需要掌握二极管更多的特性才能正确分析这些电路，例如二极管构成的简易直流稳压电路，二极管构成的温度补偿电路等。
9.4.1二极管简易直流稳压电路及故障处理
二极管简易稳压电路主要用于一些局部的直流电压供给电路中，由于电路简单，成本低，所以应用比较广泛。
二极管简易稳压电路中主要利用二极管的管压降基本不变特性。
二极管的管压降特性：
二极管导通后其管压降基本不变，对硅二极管而言这一管压降是0.6V左右，对锗二极管而言是0.2V左右。
如图9-40所示是由普通3只二极管构成的简易直流稳压电路。
电路中的VD1、VD2和VD3是普通二极管，它们串联起来后构成一个简易直流电压稳压电路。
图9-403只普通二极管构成的简易直流稳压电路
1．电路分析思路说明
分析一个从没有见过的电路工作原理是困难的，对基础知识不全面的初学者而言就更加困难了。
关于这一电路的分析思路主要说明如下。
（1）从电路中可以看出3只二极管串联，根据串联电路特性可知，这3只二极管如果导通会同时导通，如果截止会同时截止。
（2）根据二极管是否导通的判断原则分析，在二极管的正极接有比负极高得多的电压，无论是直流还是交流的电压，此时二极管均处于导通状态。
从电路中可以看出，在VD1正极通过电阻R1接电路中的直流工作电压+V，VD3的负极接地，这样在3只串联二极管上加有足够大的正向直流电压。
由此分析可知，3只二极管VD1、VD2和VD3是在直流工作电压+V作用下导通的。
（3）从电路中还可以看出，3只二极管上没有加入交流信号电压，因为在VD1正极即电路中的A点与地之间接有大容量电容C1，将A点的任何交流电压旁路到地端。
2．二极管能够稳定直流电压原理说明
电路中，3只二极管在直流工作电压的正向偏置作用下导通，导通后对这一电路的作用是稳定了电路中A点的直流电压。
众所周知，二极管内部是一个PN结的结构，PN结除单向导电特性之外还有许多特性，其中之一是二极管导通后其管压降基本不变，对于常用的硅二极管而言导通后正极与负极之间的电压降为0.6V。
根据二极管的这一特性，可以很方便地分析由普通二极管构成的简易直流稳压电路工作原理。
3只二极管导通之后，每只二极管的管压降是0.6V，那么3只串联之后的直流电压降是0.6×3=1.8V。
3．故障检测方法
检测这一电路中的3只二极管最为有效的方法是测量二极管上的直流电压，如图9-41所示是测量时接线示意图。
如果测量直流电压结果是1.8V左右，说明3只二极管工作正常；如果测量直流电压结果是0V，要测量直流工作电压+V是否正常和电阻R1是否开路，与3只二极管无关，因为3只二极管同时击穿的可能性较小；如果测量直流电压结果大于1.8V，检查3只二极管中有一只开路故障。
图9-41测量二极管上直流电压接线示意图
4．电路故障分析
如表9-40所示是这一二极管电路故障分析
名称
故障分析
理解方法
某只二极管开路
电路不能进行直流电压的稳定，且二极管上没有直流电压，但是电路中R1下端的直流电压升高，造成VT1管直流工作电压升高。
二极管导通后的内阻很小，这时相当于3只二极管内阻与电阻R1构成对直流电压+V的分压电路。
当二极管开路后，不存在这种分压电路，所以R1下端的电压要升高。
某只二极管短路
电路能够稳定直流电压，但是R1下端的直流电压降低了0.6V，使VT1管直流工作电压下降，影响了VT1管正常工作。
二极管短路后，它两端的直流电压为0V，所以3只二极管上的直流电压减小了。
5．电路分析细节说明
关于上述二极管简易直流电压稳压电路分析细节说明如下。
（1）在电路分析中，利用二极管的单向导电性可以知道二极管处于导通状态，但是并不能说明这几只二极管导通后对电路有什么具体作用，所以只利用单向导电特性还不能够正确分析电路工作原理。
（2）二极管众多的特性中只有导通后管压降基本不变这一特性能够最为合理地解释这一电路的作用，所以依据这一点可以确定这一电路是为了稳定电路中A点的直流工作电压。
（3）电路中有多只元器件时，一定要设法搞清楚实现电路功能的主要元器件，然后围绕它进行展开分析。
分析中运用该元器件主要特性，进行合理解释。
二极管7种应用电路详解之二
9.4.2二极管温度补偿电路及故障处理
众所周知，PN结导通后有一个约为0.6V（指硅材料PN结）的压降，同时PN结还有一个与温度相关的特性：
PN结导通后的压降基本不变，但不是不变，PN结两端的压降随温度升高而略有下降，温度愈高其下降的量愈多，当然PN结两端电压下降量的绝对值对于0.6V而言相当小，利用这一特性可以构成温度补偿电路。
如图9-42所示是利用二极管温度特性构成的温度补偿电路。
图9-42二极管温度补偿电路
对于初学者来讲，看不懂电路中VT1等元器件构成的是一种放大器，这对分析这一电路工作原理不利。
在电路分析中，熟悉VT1等元器件所构成的单元电路功能，对分析VD1工作原理有着积极意义。
了解了单元电路的功能，一切电路分析就可以围绕它进行展开，做到有的放矢、事半功倍。
1．需要了解的深层次电路工作原理
分析这一电路工作原理需要了解下列两个深层次的电路原理。
（1）VT1等构成一种放大器电路，对于放大器而言要求它的工作稳定性好，其中有一条就是温度高低变化时三极管的静态电流不能改变，即VT1基极电流不能随温度变化而改变，否则就是工作稳定性不好。
了解放大器的这一温度特性，对理解VD1构成的温度补偿电路工作原理非常重要。
（2）三极管VT1有一个与温度相关的不良特性，即温度升高时，三极管VT1基极电流会增大，温度愈高基极电流愈大，反之则小，显然三极管VT1的温度稳定性能不好。
由此可知，放大器的温度稳定性能不良是由于三极管温度特性造成的。
2．三极管偏置电路分析
电路中，三极管VT1工作在放大状态时要给它一定的直流偏置电压，这由偏置电路来完成。
电路中的R1、VD1和R2构成分压式偏置电路，为三极管VT1基极提供直流工作电压，基极电压的大小决定了VT1基极电流的大小。
如果不考虑温度的影响，而且直流工作电压+V的大小不变，那么VT1基极直流电压是稳定的，则三极管VT1的基极直流电流是不变的，三极管可以稳定工作。
在分析二极管VD1工作原理时还要搞清楚一点：
VT1是NPN型三极管，其基极直流电压高，则基极电流大；反之则小。
3．二极管VD1温度补偿电路分析
根据二极管VD1在电路中的位置，对它的工作原理分析思路主要说明下列几点：
（1）VD1的正极通过R1与直流工作电压+V相连，而它的负极通过R2与地线相连，这样VD1在直流工作电压+V的作用下处于导通状态。
理解二极管导通的要点是：
正极上电压高于负极上电压。
（2）利用二极管导通后有一个0.6V管压降来解释电路中VD1的作用是行不通的，因为通过调整R1和R2的阻值大小可以达到VT1基极所需要的直流工作电压，根本没有必要通过串入二极管VD1来调整VT1基极电压大小。
（3）利用二极管的管压降温度特性可以正确解释VD1在电路中的作用。
假设温度升高，根据三极管特性可知，VT1的基极电流会增大一些。
当温度升高时，二极管VD1的管压降会下降一些，VD1管压降的下降导致VT1基极电压下降一些，结果使VT1基极电流下降。
由上述分析可知，加入二极管VD1后，原来温度升高使VT1基极电流增大的，现在通过VD1电路可以使VT1基极电流减小一些，这样起到稳定三极管VT1基极电流的作用，所以VD1可以起温度补偿的作用。
（4）三极管的温度稳定性能不良还表现为温度下降的过程中。
在温度降低时，三极管VT1基极电流要减小，这也是温度稳定性能不好的表现。
接入二极管VD1后，温度下降时，它的管压降稍有升高，使VT1基极直流工作电压升高，结果VT1基极电流增大，这样也能补偿三极管VT1温度下降时的不稳定。
4．电路分析细节说明
电路分析的细节说明如下。
（1）在电路分析中，若能运用元器件的某一特性去合理地解释它在电路中的作用，说明电路分析很可能是正确的。
例如，在上述电路分析中，只能用二极管的温度特性才能合理解释电路中VD1的作用。
（2）温度补偿电路的温度补偿是双向的，即能够补偿由于温度升高或降低而引起的电路工作的不稳定性。
（3）分析温度补偿电路工作原理时，要假设温度的升高或降低变化，然后分析电路中的反应过程，得到正确的电路反馈结果。
在实际电路分析中，可以只设温度升高进行电路补偿的分析，不必再分析温度降低时电路补偿的情况，因为温度降低的电路分析思路、过程是相似的，只是电路分析的每一步变化相反。
（4）在上述电路分析中，VT1基极与发射极之间PN结（发射结）的温度特性与VD1温度特性相似，因为它们都是PN结的结构，所以温度补偿的结果比较好。
（5）在上述电路中的二极管VD1，对直流工作电压+V的大小波动无稳定作用，所以不能补偿由直流工作电压+V大小波动造成的VT1管基极直流工作电流的不稳定性。
5．故障检测方法和电路故障分析
这一电路中的二极管VD1故障检测方法比较简单，可以用万用表欧姆档在路测量VD1正向和反向电阻大小的方法。
当VD1出现开路故障时，三极管VT1基极直流偏置电压升高许多，导致VT1管进入饱和状态，VT1可能会发烧，严重时会烧坏VT1。
如果VD1出现击穿故障，会导致VT1管基极直流偏置电压下降0.6V，三极管VT1直流工作电流减小，VT1管放大能力减小或进入截止状态。
二极管7种应用电路详解之三
9.4.3二极管控制电路及故障处理
二极管导通之后，它的正向电阻大小随电流大小变化而有微小改变，正向电流愈大，正向电阻愈小；反之则大。
利用二极管正向电流与正向电阻之间的特性，可以构成一些自动控制电路。
如图9-43所示是一种由二极管构成的自动控制电路，又称ALC电路（自动电平控制电路），它在磁性录音设备中（如卡座）的录音电路中经常应用。
图9-43二极管构成的自动控制电路
1．电路分析准备知识说明
二极管的单向导电特性只是说明了正向电阻小、反向电阻大，没有说明二极管导通后还有哪些具体的特性。
二极管正向导通之后，它的正向电阻大小还与流过二极管的正向电流大小相关。
尽管二极管正向导通后的正向电阻比较小（相对反向电阻而言），但是如果增加正向电流，二极管导通后的正向电阻还会进一步下降，即正向电流愈大，正向电阻愈小，反之则大。
不熟悉电路功能对电路工作原理很不利，在了解电路功能的背景下能有的放矢地分析电路工作原理或电路中某元器件的作用。
ALC电路在录音机、卡座的录音卡中，录音时要对录音信号的大小幅度进行控制，了解下列几点具体的控制要求有助于分析二极管VD1自动控制电路。
（1）在录音信号幅度较小时，不控制录音信号的幅度。
（2）当录音信号的幅度大到一定程度后，开始对录音信号幅度进行控制，即对信号幅度进行衰减，对录音信号幅度控制的电路就是ALC电路。
（3）ALC电路进入控制状态后，要求录音信号愈大，对信号的衰减量愈大。
通过上述说明可知，电路分析中要求自己有比较全面的知识面，这需要在不断的学习中日积月累。
2．电路工作原理分析思路说明
关于这一电路工作原理的分析思路主要说明下列几点：
（1）如果没有VD1这一支路，从第一级录音放大器输出的录音信号全部加到第二级录音放大器中。
但是，有了VD1这一支路之后，从第一级录音放大器输出的录音信号有可能会经过C1和导通的VD1流到地端，形成对录音信号的分流衰减。
（2）电路分析的第二个关键是VD1这一支路对第一级录音放大器输出信号的对地分流衰减的具体情况。
显然，支路中的电容C1是一只容量较大的电容（C1电路符号中标出极性，说明C1是电解电容，而电解电容的容量较大），所以C1对录音信号呈通路，说明这一支路中VD1是对录音信号进行分流衰减的关键元器件。
（3）从分流支路电路分析中要明白一点：
从第一级录音放大器输出的信号，如果从VD1支路分流得多，那么流入第二级录音放大器的录音信号就小，反之则大。
（4）VD1存在导通与截止两种情况，在VD1截止时对录音信号无分流作用，在导通时则对录音信号进行分流。
（5）在VD1正极上接有电阻R1，它给VD1一个控制电压，显然这个电压控制着VD1导通或截止。
所以，R1送来的电压是分析VD1导通、截止的关键所在。
分析这个电路最大的困难是在VD1导通后，利用了二极管导通后其正向电阻与导通电流之间的关系特性进行电路分析，即二极管的正向电流愈大，其正向电阻愈小，流过VD1的电流愈大，其正极与负极之间的电阻愈小，反之则大。
3．控制电路的一般分析方法说明
对于控制电路的分析通常要分成多种情况，例如将控制信号分成大、中、小等几种情况。
就这一电路而言，控制电压Ui对二极管VD1的控制要分成下列几种情况。
（1）电路中没有录音信号时，直流控制电压Ui为0，二极管VD1截止，VD1对电路工作无影响，第一级录音放大器输出的信号可以全部加到第二级录音放大器中。
（2）当电路中的录音信号较小时，直流控制电压Ui较小，没有大于二极管VD1的导通电压，所以不足以使二极管VD1导通，此时二极管VD1对第一级录音放大器输出的信号也没有分流作用。
（3）当电路中的录音信号比较大时，直流控制电压Ui较大，使二极管VD1导通，录音信号愈大，直流控制电压Ui愈大，VD1导通程度愈深，VD1的内阻愈小。
（4）VD1导通后，VD1的内阻下降，第一级录音放大器输出的录音信号中的一部分通过电容C1和导通的二极管VD1被分流到地端，VD1导通愈深，它的内阻愈小，对第一级录音放大器输出信号的对地分流量愈大，实现自动电平控制。
（5）二极管VD1的导通程度受直流控制电压Ui控制，而直流控制电压Ui随着电路中录音信号大小的变化而变化，所以二极管VD1的内阻变化实际上受录音信号大小控制。
4．故障检测方法和电路故障分析
对于这一电路中的二极管故障检测最好的方法是进行代替检查，因为二极管如果性能不好也会影响到电路的控制效果。
当二极管VD1开路时，不存在控制作用，这时大信号录音时会出现声音一会儿大一会儿小的起伏状失真，在录音信号很小时录音能够正常。
当二极管VD1击穿时，也不存在控制作用，这时录音声音很小，因为录音信号被击穿的二极管VD1分流到地了。
二极管7种应用电路详解之四
9.4.4二极管限幅电路及故障处理
二极管最基本的工作状态是导通和截止两种，利用这一特性可以构成限幅电路。
所谓限幅电路就是限制电路中某一点的信号幅度大小，让信号幅度大到一定程度时，不让信号的幅度再增大，当信号的幅度没有达到限制的幅度时，限幅电路不工作，具有这种功能的电路称为限幅电路，利用二极管来完成这一功能的电路称为二极管限幅电路。
如图9-44所示是二极管限幅电路。
在电路中，A1是集成电路（一种常用元器件），VT1和VT2是三极管（一种常用元器件），R1和R2是电阻器，VD1～VD6是二极管。
图9-44二极管限幅电路
1．电路分析思路说明
对电路中VD1和VD2作用分析的思路主要说明下列几点：
（1）从电路中可以看出，VD1、VD2、VD3和VD4、VD5、VD6两组二极管的电路结构一样，这两组二极管在这一电路中所起的作用是相同的，所以只要分析其中一组二极管电路工作原理即可。
（2）集成电路A1的①脚通过电阻R1与三极管VT1基极相连，显然R1是信号传输电阻，将①脚上输出信号通过R1加到VT1基极，由于在集成电路A1的①脚与三极管VT1基极之间没有隔直电容，根据这一电路结构可以判断：
集成电路A1的①脚是输出信号引脚，而且输出直流和交流的复合信号。
确定集成电路A1的①脚是信号输出引脚的目的是为了判断二极管VD1在电路中的具体作用。
（3）集成电路的①脚输出的直流电压显然不是很高，没有高到让外接的二极管处于导通状态，理由是：
如果集成电路A1的①脚输出的直流电压足够高，那么VD1、VD2和VD3导通，其导通后的内阻很小，这样会将集成电路A1的①脚输出的交流信号分流到地，对信号造成衰减，显然这一电路中不需要对信号进行这样的衰减，所以从这个角度分析得到的结论是：
集成电路A1的①脚输出的直流电压不会高到让VD1、VD2和VD3导通的程度。
（4）从集成电路A1的①脚输出的是直流和交流叠加信号，通过电阻R1与三极管VT1基极，VT1是NPN型三极管，如果加到VT1基极的正半周交流信号幅度出现很大的现象，会使VT1的基极电压很大而有烧坏VT1的危险。
加到VT1基极的交流信号负半周信号幅度很大时，对VT1没有烧坏的影响，因为VT1基极上负极性信号使VT1基极电流减小。
（5）通过上述电路分析思路可以初步判断，电路中的VD1、VD2、VD3是限幅保护二极管电路，防止集成电路A1的①脚输出的交流信号正半周幅度太大而烧坏VT1。
从上述思路出发对VD1、VD2、VD3二极管电路进一步分析，分析如果符合逻辑，可以说明上述电路分析思路是正确的。
2．二极管限幅电路
分析各种限幅电路工作是有方法的，将信号的幅度分两种情况：
（1）信号幅度比较小时的电路工作状态，即信号幅度没有大到让限幅电路动作的程度，这时限幅电路不工作。
（2）信号幅度比较大时的电路工作状态，即信号幅度大到让限幅度电路动作的程度，这时限幅电路工作，将信号幅度进行限制。
用画出信号波形的方法分析电路工作原理有时相当管用，用于分析限幅电路尤其有效，如图9-45所示是电路中集成电路A1的①脚上信号波形示意图。
图9-45集成电路A1的①脚上信号波形示意图
图中，U1是集成电路A1的①脚输出信号中的直流电压，①脚输出信号中的交流电压是“骑”在这一直流电压上的。
U2是限幅电压值。
结合上述信号波形来分析这个二极管限幅电路，当集成电路A1的①脚输出信号中的交流电压比较小时，交流信号的正半周加上直流输出电压U1也没有达到VD1、VD2和VD3导通的程度，所以各二极管全部截止，对①脚输出的交流信号没有影响，交流信号通过R1加到VT1中。
假设集成电路A1的①脚输出的交流信号其正半周幅度在某期间很大，见图8-12中的信号波形，由于此时交流信号的正半周幅度加上直流电压已超过二极管VD1、VD2和VD3正向导通的电压值，如果每只二极管的导通电压是0.7V，那么3只二极管的导通电压是2.1V。
由于3只二极管导通后的管压降基本不变，即集成电路A1的①脚最大为2.1V，所以交流信号正半周超出部分被去掉（限制），其超出部分信号其实降在了集成电路A1的①脚内电路中的电阻上（图中未画出）。
当集成电路A1的①脚直流和交流输出信号的幅度小于2.1V时，这一电压又不能使3只二极管导通，这样3只二极管再度从导通转入截止状态，对信号没有限幅作用。
3．电路分析细节说明
对于这一电路的具体分析细节说明如下。
（1）集成电路A1的①脚输出的负半周大幅度信号不会造成VT1过电流，因为负半周信号只会使NPN型三极管的基极电压下降，基极电流减小，所以无须加入对于负半周的限幅电路。
（2）上面介绍的是单向限幅电路，这种限幅电路只能对信号的正半周或负半周大信号部分进行限幅，对另一半周信号不限幅。
另一种是双向限幅电路，它能同时对正、负半周信号进行限幅。
（3）引起信号幅度异常增大的原因是多种多样的，例如偶然的因素（如电源电压的波动）导致信号幅度在某瞬间增大许多，外界的大幅度干扰脉冲窜入电路也是引起信号某瞬间异常增大的常见原因。
（4）3只二极管VD1、VD2和VD3导通之后，集成电路A1的①脚上的直流和交流电压之和是2.1V，这一电压通过电阻R1加到VT1基极，这也是VT1最高的基极电压，这时的基极电流也是VT1最大的基极电流。
（5）由于集成电路A1的①脚和②脚外电路一样，所以其外电路中的限幅保护电路工作原理一样，分析电路时只要分析一个电路即可。
（6）根据串联电路特性可知，串联电路中的电流处处相等，这样可以知道VD1、VD2和VD3三只串联二极管导通时同时导通，否则同时截止，绝不会出现串联电路中的某只二极管导通而某几只二极管截止的现象。
4．故障检测方法和电路故障分析
对这一电路中的二极管故障检测主要采用万用表欧姆档在路测量其正向和反向电阻大小，因为这一电路中的二极管不工作在直流电路中，所以采用测量二极管两端直流电压降的方法不合适。
这一电路中二极管出现故障的可能性较小，因为它们工作在小信号状态下。
如果电路中有一只二极管出现开路故障时，电路就没有限幅作用，将会影响后级电路的正常工作。
二极管7种应用电路详解之五
9.4.5二极管开关电路及故障处理
开关电路是一种常用的功能电路，例如家庭中的照明电路中的开关，各种民用电器中的电源开关等。
在开关电路中有两大类的开关：
（1）机械式的开关，采用机械式的开关件作为开关电路中的元器件。
（2）电子开关，所谓的电子开关，不用机械式的开关件，而是采用二极管、三极管这类器件构成开关电路。
1．开关二极管开关特性说明
开关二极管同普通的二极管一样，也是一个PN结的结构，不同之处是要求这种二极管的开关特性要好。
当给开关二极管加上正向电压时，二极管处于导通状态，相当于开关的通态；当给开关二极管加上反向电压时，二极管处于截止状态，相当于开关的断态。
二极管的导通和截止状态完成开与关功能。
开关二极管就是利用这种特性，且通过制造工艺，开关特性更好，即开关速度更快，PN结的结电容更小，导通时的内阻更小，截止时的电阻很大。
如表9-41所示是开关时间概念说明。
表6.19开关时间概念说明
名词
说明
开通时间
开关二极管从截止到加上正向电压后的导通要有一段时间，这一时间称为开通时间。
要求这一时间愈短愈好
反向恢复时间
开关二极管在导通后，去掉正向电压，二极管从导通转为截止所需要的时间称为反向恢复时间。
要求这一时间愈短愈好
开关时间
开通时间和反向恢复时间之和，称为开关时间。
要求这一时间愈短愈好
2．典型二极管开关电路工作原理
二极管构成的电子开关电路形式多种多样，如图9-46所示是一种常见的二极管开关电路。
图9-46二极管开关电路
通过观察这一电路，可以熟悉下列几个方面的问题，以利于对电路工作原理的分析：
（1）了解这个单元电路功能是第一步。
从图8-14所示电路中可以看出，电感L1和电容C1并联，这显然是一个LC并联谐振电路，是这个单元电路的基本功能，明确这一点后可以知道，电路中的其他元器件应该是围绕这个基本功能的辅助元器件，是对电路基本功能的扩展或补充等，以此思路可以方便地分析电路中的元器件作用。
（2）C2和VD1构成串联电路，然后再与C1并联，从这种电路结构可以得出一个判断结果：
C2和VD1这个支路的作用是通过该支路来改变与电容C1并联后的总容量大小，这样判断的理由是：
C2和VD1支路与C1上并联后总电容量改变了，与L1构成的LC并联谐振电路其振荡频率改变了。
所以，这是一个改变LC并联谐振电路频率的电路。
关于二极管电子开关电路分析思路说明如下几点：
（1）电路中，C2和VD1串联，根据串联电路特性可知，C2和VD1要么同时
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