二极管整流器基础知识和电路类型概述

2022-03-30

二极管整流器基础知识和电路类型概述

在电子电路中，它的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能好。一般来说，它可以由半导体锗或硅等材料制成。此外，高压大功率整流二极管采用高纯单晶硅（掺杂较多时容易反向击穿）。这类器件结面积大，可以通过大电流（可达数千安培），但工作频率不高，一般在几十KHz以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路。

整流二极管利用PN结的单向导电性将交流电转换成脉动直流电。整流二极管漏电流较大，多为采用表面贴装材料封装的二极管。整流二极管的参数包括最大整流电流，是指整流二极管长期工作所允许的最大电流值。它是整流二极管的主要参数，也是选择整流二极管的主要依据。除此以外，这里介绍其他重要参数。
(1) 最大平均整流电流IF：是指在长期工作时允许通过二极管的最大正向平均电流。电流由PN结面积和散热条件决定。需要注意的是流过二极管的平均电流不能大于这个值，并且有散热。
(2) 最大反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。如果大于这个值，反向电流（IR）会急剧增加，破坏二极管的单向导电性，造成反向击穿。通常取反向击穿电压VB的一半作为VR。
(3) 最大反向电流IR：是在最高反向工作电压下允许流过二极管的反向电流。该参数反映了二极管单向导电性的好坏。因此，电流值越小，二极管质量越好。
(4)击穿电压VB：指二极管反向伏安特性曲线急弯点处的电压值。当反向为软特性时，是指在给定反向漏电流条件下的电压值。
(5)最高工作频率fm：是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容和扩散电容决定。如果工作频率超过fm，二极管的单向导电性就不能很好的体现出来。
(6) 反向恢复时间trr：指在规定负载、正向电流和最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。
(7) 零偏电容CO：是指二极管两端电压为零时扩散电容与结电容的电容之和。值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型的二极管，其参数也存在较大的离散性。手册中给出的参数通常在一个范围内。如果测试条件发生变化，相应的参数也会发生变化。例如1N5200系列硅塑整流二极管在25℃时IR小于10uA，100℃时IR变为小于500uA。

Ⅱ 整流二极管选择

整流二极管一般为平面硅二极管，用于各种功率整流电路。选择整流二极管时，主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率和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。最大整流电流和最大反向工作电流的整流二极管应满足电路的要求。
用于开关稳压电源整流电路和脉冲整流电路的整流二极管应为工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等） .) 或选择快恢复二极管，或肖特基整流二极管。

三、整流器常见故障

(1)防雷保护不足，过电压保护不良。整流装置不设防雷、过压保护装置。或设备日常维护不足。
(2)运行条件差。在间接驱动发电机组中，由于速比计算不正确或两个皮带轮的直径比不符合速比要求，发电机长时间高速运转，所以整流器长时间处于较高电压。它加速了整流器老化，并因过早击穿而损坏。
（三）经营管理不善。负载故障或二极管击穿未及时修复。
(4)设备安装或制造工艺不良。发电机组长期在大振动下运行，影响整流管运行。同时，由于发电机组转速不稳定，整流管的工作电压也会波动，大大加速了整流管的老化和损坏。
(5)整流管规格型号不符。更换新的整流管时，错误更换工作参数不符合要求或接线错误的管子，导致整流管击穿损坏。
(6)整流管的安全裕度太小。整流管的过压过流安全裕度太小，使整流管无法承受发电机励磁回路中发生的过压或过流暂态过程的峰值而损坏。

图 1. 二极管作为整流器符号

Ⅳ 整流二极管检测

这是一个更通用和简单的方法。拆下电路中的所有整流二极管，用万用表的100×R或1000×R欧姆档测量整流二极管的两根引线（调整并测试两次）。如果两次测得的电阻值相差很大，比如电阻值高达几百kΩ到无穷大，或者电阻值只有几百Ω以下，说明二极管是好的（特殊情况下除外）情况）。如果两次测得的电阻值几乎一样，而且电阻值很小，说明二极管已经击穿，不能使用。另外，如果两次测得的电阻值都是无穷大，说明二极管内部已经断开，不能使用。

Ⅴ 整流二极管更换 

5.1 替换规则

整流二极管损坏后，应更换同型号或相同参数的其它型号。
一般高耐压（反向电压）的整流二极管可以用低耐压的整流二极管代替，而低耐压的整流二极管不能用高耐压的整流二极管代替。整流电流值大的二极管可以用整流电流值小的二极管代替，而整流电流值小的二极管不能用整流电流值大的二极管代替。

5.2 常用整流器型号一览

材料	模型	反向电压操作 （顶峰）	平均整流电流_ _
硅整流二极管	1N4001	50V	1A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)
	1N4002	100V	1A
	1N4003	200V	1A
	1N4004	400V	1A
	1N4005	600V	1A
	1N4006	800V	1A
	1N4007	1000V	1A
	1N4148	75V	4PF, Ir=25nA,Vf=1V
	1N5391	50V	1.5A (Ir=10uA,Vf=1.4V,Ifs=50A)
	1N5392	100V	1.5A
	1N5393	200V	1.5A
	1N5394	300V	1.5A
	1N5395	400V	1.5A
	1N5396	500V	1.5A
	1N5397	600V	1.5A
	1N5398	800V	1.5A
	1N5399	1000V	1.5A
	1N5400	50V	3A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A)
	1N5401	100V	3A
	1N5402	200V	3A
	1N5403	300V	3A
	1N5404	400V	3A
	1N5405	500V	3A
	1N5406	600V	3A
	1N5407	800V	1A (Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)
	1N5408	1000V	1A

Ⅵ 整流二极管电路类型

电网为用户提供交流电，各种用电设备都需要直流电。整流是将交流电转换为直流电的过程。利用具有单向导电性的装置，可以将交变方向和大小的电流转换成直流电。下面介绍由晶体二极管组成的三种主要整流电路。 

6.1 半波整流电路

图 2. 半波整流器电路

该图显示了最简单的整流电路。它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz组成。变压器将电压转换为所需的交流电压 e2，然后 D 将交流电转换为脉动直流电。
变压器阈值电压e2是一个正弦波电压，其方向和大小随时间变化，其波形如图(a)所示。在0~K时间，e2为正半周，即变压器上端为正，下端为负。此时二极管正向导通，e2通过它加到负载电阻Rfz上。在π~2π内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。此时D承受反向电压不导通，Rfz上无电压。在π~2π的时间里，重复0~π时间的过程，在3π~4π的时间里，π~2π时间的过程……经过Rfz的半个周期，得到单个右向电压在 Rfz 上（正向上和负向下），如图（b）所示，达到整改的目的。但负载电压Usc，负载电流也随时间变化，所以通常称为脉动直流。

图 3. 半波整流器波

这种去掉前半周，留下半周的整改方法称为半波整改。不难看出，半波整流是以消耗电路中一半的交流电为代价的，电流利用率很低。据介绍，半波整流二极管常用于高压小电流场合，一般无线电设备中很少使用。

6.2 全波整流电路

图 4. 全波整流器电路

如果对整流电路的结构做一些调整，就可以得到一个全波整流电路。上图是全波整流电路的电气原理图。
全波整流电路可以看成是两个半波整流电路的组合。需要在变压器的次级线圈中间画一个抽头，将次级线圈分成两个对称的绕组，从而得到两个大小相等但极性相反的电压e2a和e2b，形成两个通电电路。
全波整流电路的工作原理可以用波形图来说明。在0和π之间，e2a为Dl的正电压，D1导通，在Rfz上得到一个上正下负电压。e2b 为 D2 的反向电压，D2 不导通（见图（b））。在π-2π时刻，e2b对D2为正电压，D2导通，Rfz上得到的电压仍为上正下负电压，故e2a为D1反向电压，D1不导通（见图（c）。

图 5. 全波整流器电路波形

如此反复，由于两个整流元件D1和D2依次导电，结果是负载电阻Rfz在正负半周电流方向相同，如图(b)所示。这就是全波整流，不仅利用了正半周，还巧妙地利用了负半周。全波整流器大大提高了整流效率。

图 6. 全波整流器电路

这种电路要求变压器有一个次级中心抽头，使两端对称，给生产带来了很大的麻烦。此外，在该电路中，每个整流二极管所能承受的最大反向电压是变压器次级电压最大值的两倍，因此二极管应能承受更高的电压。 

6.3 桥式整流电路

图 7. 桥式整流电路

桥式整流电路是最常用的整流电路。它具有全波整流电路的优点，只要将两个二极管端口连接起来形成桥式结构，在一定程度上克服了它的缺点。
桥式整流电路如下：

图 8. 桥式整流电路 (a)

e2为正半周时，D1、D3和方向电压、D1、D3导通；D2、D4 被施加反向电压，它们被关闭。E2、D1、Rfz 和 D3 在电路中的回路中通电。在 Rfz 上，形成正负半波洗涤电压。当e2为负半周时，对D2和D4施加正电压，使它们导通；对 D1 和 D3 施加反向电压，它们被切断。E2、D2Rfz、D4在电路中通电一个回路，另外一个半波整流电压也在Rfz上形成。

图 9. 桥式整流电路 (b)

如果重复，则在 Rfz 处产生全波整流电压。波形图与全波整流器相同。从图中不难看出，桥式电路中各二极管的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波清洗电路小一半。

Ⅶ 高频整流二极管

开关电源中的整流二极管必须具有正向降压低、恢复快的特点，还应有足够的输出功率。可以使用以下三种高频二极管：快恢复整流器、超快恢复整流器和肖特基二极管整流器。
快恢复和超快恢复整流二极管具有中等和较高的正向压降，范围从0.8到1.2V。这两类整流二极管也有较高的截止电压参数。因此，它们特别适用于输出电压在12V左右的小功率辅助电源电路中。
与一般整流二极管相比，快恢复整流二极管和超快恢复整流二极管的反向恢复时间差降低到纳秒级，从而大大提高了电源的效率。根据经验，在选择快恢复整流二极管时，其反向恢复时间至少应为开关管上升时间的1/3。这两种整流二极管也降低了开关电压尖峰，因为它会影响输出直流电压的纹波。
开关电源中使用的快恢复整流二极管和超快恢复整流二极管是否需要散热片，这取决于电路的最大功率。在正常情况下，制造时允许的结温为 175°C。制造商有一个技术参数提供给设计者计算最大输出工作电流、电压和外壳温度。即使在大正向电流的作用下，肖特基整流二极管的正向压降也很低，只有0.4V左右。此外，随着结温升高，其正向压降减小。因此，肖特基整流二极管特别适用于5V左右的低压输出电路。它的反向恢复时间可以忽略不计，因为该器件是具有多数载流子的半导体器件。
肖特基整流二极管有两大缺点：一是反向截止电压容限低，100V左右；其次，反向漏电流大，使得该器件比其他类型的整流器件更容易发生热击穿。当然，这些缺点也可以通过增加瞬态过压保护电路和适当控制结温来克服。