单片机外围电路设计之四：二极管

单片机外围电路设计之四：二极管

 

在单片机外围电路中，二极管的应用也非常广泛，而且二极管根据其应用不同，种类非常繁多，下面我们主要谈谈发光二极管、续流二极管、整流二极管、限幅二极管等。

1概述

二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

二极管（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。

大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能。

早期的二极管包含“猫须晶体（"Cat's Whisker" Crystals）”以及真空管(英国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。

正向性

外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值Vth，内电场很快被削弱，电流迅速增长，二极管正向导通。Vth叫做门坎电压或阈值电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V，锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V。

反向性

外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反响饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数截流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。

2二极管的应用

二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：

点接触型二极管

点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。

面接触型二极管

面接触型或称面积型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频率电路中。

键型二极管

键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。

合金型二极管

在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。

扩散型二极管

在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。

台面型二极管

PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。

平面型二极管

在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。

合金扩散型二极管

它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。

外延型二极管

用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。

肖特基二极管

基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间trr特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。

3发光二极管

发光二极管是学习单片机的入门器件，因为其亮灭状态能够清晰的体现出单片机关键的电平状态。当然，作为指示电路，LED也是必不可少的。

LED的基本架构如上图，只要在LED的两个管脚上添加正确的电压，LED就可以发光，那么应该在LED管脚上添加多少伏电压呢？

有的网友可能已经使用过多种LED了吧，不过，不知道你是否知道LED的工作电压？不同颜色的LED，由于使用的材料不同，其工作电压是不同的。一般来说红色、黄色的LED，其工作电压在2V左右；而蓝色、绿色和白色的LED，其工作电压在3V左右。如果设计的产品的专门的LED发光类的产品（LED护栏管、LED照明灯等），应该保证LED的工作电压在其正常工作的电压范围，具体的LED灯的工作电压可以通过LED厂家提供的LED参数确定。同时，如果要让LED正常工作，一般其工作电流在20mA左右。当然，如果我们使用的LED是用来作为指示用，那么并不需要LED发太亮的光，在这种情况下，一般认为LED的工作电压在2V左右，工作电流4mA即可，如果需要调节亮度，可以通过改变限流电阻确定。

上图是最简单的LED应用电路，在这个电路中需要注意的是限流电阻R1的选择。如果该电路用于指示用，而且单片机的I/O端口可以输出4mA左右的电流，则可以直接通过单片机端口控制，则R1的计算公式如下：

R1 = （VCC - Vled ）/ 4mA

但是，如果这个电路用作照明用，显然是单片机的I/O端口是无法输出这么大电流的，这是，我们可以考虑用三级管或FET来开关控制。当然，如果作为一般指示电路使用时，如果单片机无法输出4mA的电流时，也可用于使用三极管货FET来驱动LED。

4续流二极管

我们通常所说的“续流二极管”由于在电路中起到续流的作用而得名，一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”，它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。

续流二极管经常和储能元件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用。在开关电源中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路与变压器原边并联。当开关管关断时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管就可以了，用来把线圈产生的反向电势通过电流的形式消耗掉，可见“续流二极管”并不是一个实质的元件，它只不过在电路中起到的作用称做“续流”。

例如：下面的继电器开关电路

当开关的负载为继电器或电动机等电感性负载时，在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态）会产生反向电动势。这时产生的电压非常大。当这种电压超过晶体管的集电极-基极间、集电极-发射机间电压的最大额定值Vcbo、Vceo时，晶体管将会被击穿。

并联续流二极管后，而与二极管与继电器形成闭合回路，可以放掉继电器线圈产生的高达140V的反向电压，从而保证集电极电位不高于电源电压的0.6V，而防止晶体管被击穿。

5整流二极管

一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有正极和负极两个端子。

整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。

选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。

普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。

开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。还有一种肖特基整流二极管。

整流二极管一般应用在电源电路中，常见的有交流变直流时的电桥。防止电源接反时的，保护二极管等等。对于这类二极管，主要应用的是其单向导电性。在实际的应用中，比较常用的系列是1N系列。

半波整流

全波整流

6稳压二极管

稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。

这类二极管往往应用在对电压有一定的特殊要求的地方，高于稳压二极管的电压将会被二极管吃掉，从而起到稳压的作用，当然也可也到限幅的作用。这种二极管一般在单片机电路中，常用用于对输入高电压的信号进行处理，以整输入电压在一个合理的范围，确保不对单片机的I/O端口进行破坏。

 

 

本文纯属学习记录，摘自张飞实战电子，大家可以去张飞实战电子学习提高，一起加油！！！！