二极管说明

了解二极管的工作原理，以及为什么和在哪里使用它们。

什么是二极管

二极管示例

二极管看起来像上图所示，大小不一。它们通常有一个黑色的圆柱形主体，一端有一条条纹，还有一些引出的导线，可以让我们把它连接到电路中。这一端被称为阳极，这一端是阴极，我们将在后面的视频中看到这意味着什么。

你也可以得到其他的形式，比如齐纳二极管，甚至是发光二极管的LED，但是我们不会在本文中讨论这些。

其他二极管示例

二极管只允许电流朝一个方向流动。

如果我们想象一个装有旋启阀的水管。当水流过管道时，它会推开旋启式闸门并继续流过。但是，如果水改变方向，水会推动闸门关闭，阻止水流。所以水只能朝一个方向流动。

水管示意图

这很像二极管，我们用它们来控制电路中的电流方向。

现在我们用电子流来制作动画，电子流就是电子从负向正流动的地方。然而，在电子工程中，传统上采用由正到负的常规流动。传统的电流可能更容易理解，你可以使用它不是真的重要，但只要知道这两个和我们使用的是哪一个。

LED示例

因此，如果我们将一个二极管连接到一个简单的LED电路中，必须注意，只有二极管安装正确时，LED才会亮起。它只允许电流朝一个方向流动。因此，根据安装方式的不同，它可以充当导体或绝缘体。

条纹端连接到负极，黑色端连接到正极，以便充当导体。我们称之为向前流动。如果我们翻转二极管，它将起到绝缘体的作用，电流就不能流动了。我们称之为反向偏差。

正向偏置和反向偏置

二极管是怎么工作的？

如你所知，电是原子间自由电子的流动。我们使用铜线是因为铜有很多自由电子，这使得电流很容易通过。我们用橡胶把铜线绝缘，以保护我们的安全，因为橡胶是一种绝缘体，这意味着它的电子被紧紧地抓住，因此不能在原子之间移动。

如果我们看一个金属导体原子的基本模型，我们的核心是原子核，原子核被许多轨道壳层包围着，这些壳层容纳着电子。每一个壳层都有最大数量的电子，一个电子必须有一定的能量才能被每个壳层接受。离原子核最远的电子具有最大的能量。最外层的壳层叫做价壳层，导体的价壳层中有1到3个电子。

电子被原子核固定。但还有另一种外壳叫做导带。如果一个电子能到达这个位置，那么它就可以从原子中挣脱出来，移动到另一个原子上。对于铜这样的金属原子，导带和价壳层重叠，所以电子很容易移动。

有了绝缘体，最外层的外壳就被包装起来了。电子几乎没有空间加入。原子核紧紧地抓住了电子，而且导带离我们很远，所以电子无法到达这个位置逃逸。因此电不能流过这种材料。

然而，还有另一种材料叫做半导体。硅是半导体的一个例子。对于这种材料，最外层的电子太多，它不可能成为导体，所以它的行为就像一个绝缘体。但必须注意；因为导带很近；如果我们提供一些外部能量，一些电子将获得足够的能量，使之从帷幔跃迁进入导带而变得自由。因此，这种材料既可以作为绝缘体，也可以作为导体。

纯硅几乎没有自由电子，所以工程师要做的就是在硅中掺杂少量其他材料来改变其电性能。

绝缘体、导体、半导体示例

我们称之为P型和N型掺杂。我们将这些掺杂的材料结合起来形成二极管。

在二极管内部，我们有两个引线，阳极和阴极，它们连接到一些薄板上。在这些极板之间，阳极侧有一层P型掺杂硅，阴极侧有一层N型掺杂硅。整个装置被包裹在一种树脂中，以绝缘和保护材料。

二极管示例

让我们想象一下，这种材料还没有掺杂，所以里面只有纯硅。每个硅原子被另外4个硅原子包围。每个原子的价壳层中都需要8个电子，但是硅原子的价壳层中只有4个电子，因此它们偷偷地与相邻的原子共享一个电子，以获得它们想要的8个电子。这就是共价键。

共价键合

当我们加入磷等N型物质时，它会占据一些硅原子的位置。磷原子的价壳层中有5个电子。所以当硅原子共享电子来得到他们想要的8时，他们不需要这个额外的电子，所以现在材料中有额外的电子，因此这些电子可以自由移动。

加磷

在P型掺杂的情况下，我们加入了一种材料，如铝，。这个原子的价壳层中只有3个电子，所以它不能为它的4个邻居提供一个共享的电子，所以其中一个必须没有。因此，有一个空穴，电子可以坐在那里占据。

所以我们现在有两块掺杂硅，一块电子太多，另一块电子不足。

这两种材料结合在一起形成了P-N结。在这个交界处我们得到了一个被称为耗尽区的区域。在这个区域，来自N型侧的一些多余电子将移动到P型侧的空穴中。这种迁移将形成一个势垒，电子和空穴在相反的一侧堆积起来。电子带负电，因此空穴被认为是带正电荷的。所以堆积会产生一个带负电荷的区域和一个带轻微正电荷的区域。这就产生了一个电场，阻止更多的电子穿过。在典型的二极管中，这个区域的电位差约为0.7V。

损耗示例

当我们在二极管上连接一个电压源，阳极（P型）连接到正极，阴极（N）连接到负极，这将产生正向偏压并允许电流流动。电压源必须大于0.7V的势垒，否则电子不能跨接。

电压源必须大于隔离栅

当我们反转电源时，正极连接到N型阴极，负极连接到P型阳极。空穴被拉向负极，电子被拉向正极，这导致势垒膨胀，因此二极管充当导体，阻止电流流动。

技术细节

符号示例

二极管在工程图纸中用与上图类似的符号表示。主体上的条纹在符号上用一条垂直线表示，箭头指向常规电流的方向。

当我们看二极管的时候，我们会看到这些数字和字母。这些识别二极管，所以你可以在网上找到技术细节。

I-V图

二极管的I-V图如上图所示。此图描绘了二极管的电流和电压特性，并绘制成一条曲线。这一边是它作为导体时的表现，这一边是作为绝缘体时的表现。

你可以看到二极管只能起到绝缘体的作用，达到一定的电压差，如果超过这个值，它就会变成导体，允许电流流动。这会破坏二极管，可能还会破坏电路，所以您需要确保二极管的尺寸适合应用场合。

同样，二极管只能处理正向偏压中的特定电压或电流。每个二极管的值是不同的，您需要查找这些数据以找到详细信息。

二极管需要一定的电压水平才能打开并允许电流在正向偏压中流动。大多数都在0.6伏左右。如果我们施加的电压小于这个值，它将不会打开，允许电流流动。但是，当我们超过这一点时，可以流动的电流将迅速增加。

二极管电压示例

二极管还将为电路提供电压降。例如，当我把这个二极管加到一个简单的LED电路板上时，我得到的电压降读数是0.71V。

我们为什么要用它们

如前所述，我们使用二极管来控制电路中电流的方向。这对保护我们的电路是很有用的，如果电源是前后连接的。二极管可以阻断电流，保护我们的元件安全。

我们也可以用它们把交流电转换成直流电。正如你可能知道的，交流或交流电流使电子前后移动，产生正弦波和负半波，但是直流电或直流电只朝一个方向移动电子，在正区域形成一条平坦的线。

如果我们把变压器的一次侧连接到交流电源上，然后把二次侧连接到一个二极管上，二极管只允许一半的波通过，它会阻挡相反方向的电流。所以电路只经历了半个周期，所以现在它是一个非常粗糙的直流电路，虽然电流有脉动，但我们可以改进它。

主要示例

一种方法是，如果我们把四个二极管连接到二次侧，我们就形成了一个全波整流器。二极管通过阻断或允许交流电通过，来控制交流电流可以沿着哪条路径流动。正如我们刚才看到的，正弦波的正半部分被允许通过，但是这次负的一半也被允许通过，尽管这已经被颠倒，把它变成了正的一半。这给了我们一个更好的直流电源，因为脉动大大减少了。但我们还可以进一步改进，我们只需添加一些电容器来消除纹波，最终使其成为一条平滑的线路，以接近直流电。

连接四个二极管

我们在上一篇文章中详细介绍了电容器的工作原理，请检查一下酒店雇员和饭馆雇员 .

如何测试二极管

为了测试二极管，我们需要一个带有二极管测试设置的万用表，符号如下所示。我们强烈建议您在工具箱中配备一个好的万用表，以帮助您学习和诊断问题。

所以我们用二极管和万用表。我们用一根线把黑线连接到二极管的末端。然后我们把红线接到另一端。当我们这样做的时候，我们应该在屏幕上看到读数。

例如，1N4001型二极管的读数为0.516V。这是打开二极管以允许电流流动所需的最小电压。

如果我们现在反向连接到二极管的引线，我们会在屏幕上看到OL，这意味着超出限制。这告诉我们它不能测量，这是件好事，因为它不能完成电路的测量，所以二极管在做它的工作。

如果我们在两种配置上都得到了一个读数，那么这个组件就是有问题的，不应该使用。

故障部件

为了测试电路中二极管的电压降，我们只需将万用表移到直流电压功能，然后将黑色表笔放在条纹端，红色表笔放在黑色端。这将给出一个读数，例如0.71V，即电压降。