淺析二極管在通用技術電路教學中的應用

黃勇

【摘要】 二極管是高中通用技術教學中最早接觸的一種電子器件，在各種電子電路中有很廣泛的應用。由于高中學生電學知識的限制，我們重點討論其在理想工作狀態（即具有理想的單向導電性）下的簡單應用。

【關鍵詞】 二極管 通用技術 應用

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2017）10-137-02

二極管是一種基本的半導體器件，具有單向導電性，高中涉及的應用范圍包括基本的數字電路、整流電路和多種邏輯門電路等。我們在學習這部分內容時，一方面要理解好二極管的基本結構和工作特性，據此對基本的數字電路進行簡單分析；同時要抓住二極管導通和截止的條件，從而判斷電路的實際狀態，進一步推理在其它電路中的應用。

一、二極管的基本結構和特性

1. 二極管的基本結構

將一塊半導體材料的一側擴散成P型半導體（參與導電的主要是帶正電的空穴），另一側擴散成N型半導體（參與導電的主要是帶負電的電子），則在他們的交界面上會形成一個PN結。在結的兩端各引出一個電極，并將整塊半導體材料封裝在管殼內，就構成了一個二極管。

2. 二極管的特性

二極管最主要的特性就是單方向導電性，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。

（1）正向特性：在電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式稱為正向偏置。當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”，鍺二極管約為0.2V，硅二極管約為0.6V）以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺二極管約為0.3V，硅二極管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

（2）反向特性：在電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態，這種連接方式稱反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當普通二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單向導電性，二極管會反向擊穿而損壞。

高中學生由于受所學知識的限制，一般考慮其理想的工作狀態，即：二極管兩端加正向電壓導通，相當于短路，電阻很小甚至為零；而加反向電壓截止，相當于斷路，電阻很大。

二、二極管在電路中的應用

1. 單向導電性的基本應用

根據二極管的單向導電性，我們可以對一些簡單電路進行分析。

例題：黑箱中有一個二極管，還有兩個阻值均為1kΩ的電阻，它們與黑箱的接線柱1、2、3接成電路，用多用電表的電阻擋對這三個接線柱間的電阻進行測量，得到的數據如表1所示，那么黑箱中的線路是圖2中的。

解析：根據二極管的單向導電性，表頭讀數為零，二極管反接這一點可判斷B是錯誤的；根據讀數為0.5kΩ，二極管正接電阻為零，兩個電阻應是并聯，可判斷A錯；再根據讀數為2kΩ可判斷D錯；只有C滿足三次測量，故選C.

2. 在整流電路中的應用

利用二極管的單向導電性可以對交流電整流，主要有半波整流電路和全波整流電路。

（1）半波整流電路

如下左圖所示，當輸入電壓處于交流電壓的正半周時，二極管D導通，此時負載上有電流通過，方向從上向下。這時二極管有很小的正向降壓（硅管約為0.6～0.8伏、鍺管約0.2～0.3伏），則負載Rl上得到的輸出電壓vo=vi-vd；當輸入電壓處于交流電壓的負半周時，二極管截止，負載上沒有電流通過，輸出電壓vo=0.該電路輸入和輸出電壓的波形如右圖所示。

利用二極管的單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電；由于在一個周期中，僅在半個周期內有電壓加在負載上，有電流通過負載，而下半周期中，負載上無電壓又無電流，因此稱這種電路為半波整流電路。

半波整流電路是最簡單的二極管整流電路，由于整流效率低，電流波動大，可用于整流要求不高的場所。

（2）全波整流電路

把兩個二極管并聯接入輸入端，就可以形成一個全波整流電路，如下所示。

當輸入電壓處于交流電壓的正半周時，二極管D1導通，D2截止，負載上有從上向下的電流通過，輸出電壓Vo=vi-VD1；當輸入電壓處于交流電壓的負半周時，二極管D2導通，D1截止，負載上也有同樣的電流通過，輸出電壓Vo=vi-VD2.不管是處在哪半個周期，在電路的輸出端始終是一個方向不變的脈動電流，因此稱為全波整流。

全波整流不僅利用了正半周期，而且還巧妙地利用了負半周期，從而大大地提高了整流效率。只不過我們要選擇能承受較高反向電壓的二極管。

（3）橋式整流電路

橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。只要增加兩只二極管連接成“橋”式結構，便具有全波整流電路的優點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。

橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成e2、Dl、Rfz和D3通電回路，在Rfz上形成上正下負的半波整流電壓；e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成e2、D2、Rfz和D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復下去，結果在Rfz上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。不難看出，橋式電路中有兩只二極管串聯，每只二極管承受的反向電壓比全波整流電路小一半，因此有更廣的應用。

3.在門電路中的應用endprint

門電路是數字電路的基礎。教材給我們分析了一個用晶體三極管構成的“非”門電路，這就是一種最基本的邏輯電路。除此之外，我們還可以利用二極管形成另外兩種基本邏輯門電路——“與”門和“或”門。

（1）二極管和“與”門電路

如左圖為二極管“與”門電路，A，B為輸入端，Y為輸出端，Vcc=5v，R1=3.9千歐。假設3v及以上代表高電平，0.7及以下代表低電平。下面根據圖中情況具體分析：

當Ua=Ub=0v即輸入都是低電平時，D1，D2正向偏置，兩個二極管均會導通，此時輸出端Y電位為0.7v（二極管導通之后，如果其陰極電位是不變的，那么就它的陽極電位固定在比陰極高0.7V的電位上，這也是二極管的一個特性），輸出為低電平。

當輸入電平Ua，Ub一高一低時，不妨假設Ua=3v，Ub=0v，這時不妨先從D2開始分析，D2會導通，導通后D2兩端電壓會被限制在0.7v，那么D1由于右邊是0.7v左邊是3v所以會反向偏置而截止，因此最后Y為0.7v輸出低電平；這里也可以從D1開始分析，如果D1導通，那么Uy應當為3.7v，此時D2將導通，那么D2導通，壓降又會變回0.7，最終狀態Y仍然是0.7v.輸出低電平，此時D1馬上截止。

當Va=Vb=3v輸入都是高電平，這個情況很好理解，D1，D2都會正偏，Y被限定在3.7V，輸出高電平。真值表如右上圖。

很明顯，只有輸入都為高電平的情況下，輸出才是高電平，這就是“與”門電路。

（2）二極管和“或”門電路

同理，二極管“或”門電路也可以做出如下分析：

①U=UB=0V時，D1、D2由于正偏而導通，UY=（0-0.7）=-0.7V

②UA=0V、UB=3V時，D2導通，D1反向偏置截止，UY=（3-0.7）=2.3V

③UA=3V、UB=0V時，D1導通，D2反向偏置截止，UY=（3-0.7）=2.3V

④UA=UB=3V時，D1、D2都正偏導通，UY=（3-0.7）=2.3V

即只要輸入端有高電平，輸出就是高電平，否則是低電平。

以上就是二極管在高中數字電路中的應用。通過分析，我們加深了對二極管結構和特性的掌握，拓展內容也符合中學生的認知，有助于培養學生的知識遷移能力和解決實際問題的能力，可以考慮在教學中加以應用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]付植桐主編.電子技術.高等教育出版社.

[2]電子控制技術.江蘇鳳凰教育出版社.

[3]浙江省普通高中通用技術學科教學指導意見浙江省教育廳教研室.endprint