二极管入门(01):二极管的性质¶
理想二极管¶
理想二极管的电路特性¶
我们现在来研究一种特殊的电路元件,称为二极管(Diode),它和我们上一节所研究的PN结之间有一些联系.不过我们现在先独立地来介绍这个电子元件.
如图所示是二极管的电路符号,它处于一个开路中.每一个二极管都有两个端子,一个称为阳极,另一个称为阴极,二极管的电路符号的三角形朝向总是从阳极指向阴极. 如何判断理想二极管的两极,需要先介绍理想二极管的I-V曲线.如下图所示.
如图所示,当理想二极管得以通过电流,并且自身不造成任何压降的情形,被称为加正向偏置.加正向偏置的理想二极管的电流从二极管的阳极流向阴极.此时我们就判断了二极管的两极.我们将这个状态称为二极管的导通态. 当我们将外加电压的极性调转,此时无论加多大的电压,二极管上都无电流.我们将这个状态叫做二极管的截止态. 可以这样认识到:二极管在加正向偏置的导通态表现为短路,在加反向偏置的截止态表现为短路,这种状态类似于开关,它是理想二极管的一个用途. 理想二极管的I-V曲线虽然不是线性的,但是假如我们将正向和反向区分开,此时每个单独考虑的分段都是线性的.我们叫这样的I-V曲线为分段线性的.
理想二极管的应用¶
我们现在来谈一谈理想二极管的一些应用.
整流电路¶
我们现在有如下的通交流电的电路:
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此时我们注意到,当交流正弦电压为正时,此时理想二极管表现为导通,即为导线,当为负时,二极管表现为截止.实际上,我们可以认为,\(v_{0}\)丢失了一半的波形(负半区),这是二极管的整流作用.如下图所示
丢失了一般波形的电路能有什么用呢,我们用Multisim绘制一个这样的电路图,你就明白了.
这是一个电吹风的风力调节装置的电路实现,当我们想要高档位时,我们就将SPDT开关打到无二极管的支路,输出的波形是完整的,电动机全功率运行.而当调至低档位的时候,我们就将开关打到含二极管的支路,从而只在正电压时刻输出波形,进而限制电动机的输出.
那怎么就整流 呢,什么是整流??
所谓的整流,就是对给定的交流信号进行一定地处理,从而输出直流信号,即交\(\to\)直.
在这里我们通过对负半周波形的整流,将原先的交流电转化成了脉动直流电,进而实现了交转直.
那么古尔丹,代价是什么呢?
我们损失了一半的波形,即我们的脉动直流电的频率只有原来的一半,我们也损失了一半的能量.而且,脉动直流还是不能用,得做滤波才能变成我们常用的直流(并一个电容/串一个电感,之后会说.)
二极管实现逻辑门*¶
之所以打星号,是因为A:逻辑门基本是数电研究的内容,这里只是介绍电路结构.B:数字电路逻辑门一般现在都用通用门(一般是NAND门)
现在我们来研究逻辑门,我们一般从布尔代数的角度来介绍逻辑门,这一点在数电的课程当中会更详细,我们目前只要知道,数字电路不在乎电压的大小,只区分电压的高低.
OR门¶
如图所示是一个三路或门的电路实现,我们假设三个二极管都是理想的二极管.注意到,我们输入的\(v_{a},v_{b},v_{c}\)只要有一路是高电平\(v_{H}\),那么就一定能使低电平\(v_{L}\)的支路上的理想二极管截止(因为此时加在这个管子上的电压\(v_{L}-v_{H}<0\)).进而使得\(v_{Y}\)输出高电平. 这个逻辑是有高则为高,所以这是或(OR)门. 换个角度思考,只要有一路是通的,那么我们就输出通.
AND 门¶
我们现在考虑这个模型, 假如给定的三个二极管,只要有一个低电平,那么低电平对应的二极管就会导通.那么我们自然就会得到输出端是0V+管压降(因为电阻要分压).所以此时输出的\(v_{y}\)是低电平. 因此,如果这个时候我们要输出高电平,则必须三个二极管都导通.
二极管不能实现通用逻辑门,这是因为我们不能用二极管实现反相,进而不能实现非门.
速通概括 (TL;DR 版)¶
认识一下理想二极管：一个理论上完美的电子“单向阀”。给它正向偏置（电压方向：阳极到阴极），它就装成一根导线（零压降，电流随便过）；给它反向偏置，它就装成一个断路（零电流，啥也过不去）。
这“单向”特性最经典的用途是整流：把上蹿下跳的交流电（AC）砍掉一半，变成方向一致但还在抖动的“脉动直流”（DC）。代价？能量损失，频率减半，而且这玩意儿还得加滤波才能用。
还能用它搭简单的逻辑门（OR、AND），区分高低电平。但别指望太多，它干不了“反相”这种精细活儿。总的来说，理想二极管就是个基础的“开关”，前提是你得接受它只存在于理论和简化分析中。