二極管的伏安特性、整流電路、濾波電路

一：二極管伏安特性

二極管的伏安特性是指其兩端電壓與通過電流之間的關系，這一特性是二極管實現各種功能的基礎，通過伏安特性曲線可以直觀地了解二極管的導電規律。

1. 正向特性

當二極管兩端加上正向電壓（即陽極接正，陰極接負）時，其導電性能呈現出明顯的階段性。在正向電壓較小時，由于外加電壓還不足以克服 PN 結內部的內電場，此時通過二極管的正向電流非常小，二極管處于截止狀態，這一區域被稱為 “死區”。不同類型的二極管，死區電壓有所不同，一般硅二極管的死區電壓約為 0.5V，鍺二極管約為 0.1V。當正向電壓超過死區電壓后，內電場被顯著削弱，正向電流隨電壓的升高而急劇增大，此時二極管進入導通狀態。在導通狀態下，二極管兩端的電壓基本保持不變，硅二極管導通電壓約為 0.7V，鍺二極管約為 0.3V，這一電壓被稱為正向導通電壓。

2. 反向特性

當二極管兩端加上反向電壓（即陽極接負，陰極接正）時，反向電流的大小表現出特定的規律。在反向電壓較小時，反向電流很小，并且隨著反向電壓的升高，反向電流基本保持不變，這一電流被稱為反向飽和電流。這是因為此時只有少數載流子在反向電壓作用下參與導電，其數量有限。然而，當反向電壓升高到某一特定值時，反向電流會突然急劇增大，這種現象稱為反向擊穿，此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓。反向擊穿后，若反向電流過大，會導致二極管因過熱而損壞，因此在實際應用中需避免二極管發生反向擊穿。

二：整流電路

整流電路的作用是將交流電轉換為直流電，利用二極管的單向導電性可以實現這一轉換，常見的整流電路有單向半波整流和全波整流兩種。

1. 單向半波整流

單向半波整流電路由變壓器、二極管和負載組成。在交流電壓的正半周，二極管因承受正向電壓而導通，電流通過二極管流向負載，在負載兩端產生一個與正半周交流電壓相對應的直流電壓；而在交流電壓的負半周，二極管承受反向電壓而截止，此時沒有電流通過負載，負載兩端電壓為零。因此，單向半波整流電路輸出的是單向脈動的直流電，其輸出電壓的平均值較低，僅為輸入交流電壓有效值的 0.45 倍，且脈動程度較大，效率也相對較低，但電路結構簡單，成本低廉，適用于對直流電源要求不高的場合，如小型充電器等。

2. 全波整流

全波整流電路能利用交流電壓的正負半周，從而提高整流效率。常見的全波整流電路有中心抽頭式全波整流電路和橋式全波整流電路。中心抽頭式全波整流電路需要一個帶有中心抽頭的變壓器，兩個二極管交替工作，在交流電壓的正半周，一個二極管導通，另一個截止，電流通過導通的二極管流向負載；負半周時，兩個二極管的工作狀態互換，使負載在正負半周都有電流通過，輸出的直流電壓平均值為輸入交流電壓有效值的 0.9 倍。橋式全波整流電路則由四個二極管組成橋式結構，無需中心抽頭的變壓器，在交流電壓的正負半周，兩組二極管分別導通，同樣能使負載獲得連續的單向電流，其性能與中心抽頭式全波整流電路相近，但具有更廣泛的適用性。

三：濾波電路

整流電路輸出的直流電是脈動的，含有較多的交流成分，濾波電路的作用就是濾除這些交流成分，使輸出電壓更加平滑穩定，常見的濾波電路有電容濾波和電感濾波。

1. 電容濾波

電容濾波電路是在整流電路的輸出端并聯一個電容器。當整流電路輸出電壓處于上升階段時，電容器被充電，儲存電能；當整流輸出電壓下降時，電容器放電，向負載提供電流，從而使負載兩端的電壓保持相對穩定，減少脈動程度。電容濾波電路結構簡單，濾波效果較好，適用于負載電流較小且變化不大的場合，如電子儀器、小型家電等。電容器的容量越大，濾波效果越好，但過大的電容會使整流二極管在接通電源瞬間承受較大的沖擊電流，因此需要合理選擇電容容量。

2. 電感濾波

電感濾波電路是在整流電路和負載之間串聯一個電感線圈。由于電感具有阻礙電流變化的特性，當整流輸出電流發生變化時，電感會產生感應電動勢，阻礙電流的變化，從而使負載電流和電壓的脈動程度減小。電感濾波適用于負載電流較大的場合，如大功率整流設備。與電容濾波相比，電感濾波的輸出電壓平均值較低，但帶負載能力強，對電流變化的抑制效果較好。在實際應用中，還可以將電容和電感組合起來構成復式濾波電路，以獲得更好的濾波效果。

綜上所述，二極管的伏安特性是其工作的核心依據，整流電路借助二極管的單向導電性實現，交流電到直流電的轉換，濾波電路進一步優化了直流輸出的質量。這三者相互配合，在眾多電子設備的電源系統中發揮著關鍵作用，從簡單的小型電器到復雜的工業設備，都離不開二極管及其相關電路的應用，深入理解這些基本概念，對于掌握電子技術有著重要的意義。