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硬件基础（5）：（3）二极管的应用

news 来源：原创 2025/7/23 6:34:59

文章目录

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1. 整流电路
功能：
工作原理：
应用实例：
电路组成：
整流过程：
电路的应用：

2. 稳压电路
功能：
工作原理：
应用实例：
电路组成及功能：
工作原理：

3. 信号检波（整流）
功能：
工作原理：
应用实例：

4. 开关电路
功能：
工作原理：
应用实例：
主要元件与功能：
电路工作原理：
应用场景：

5. 发光二极管（LED）应用
功能：
工作原理：
应用实例：

6. 瞬态电压抑制（TVS）保护
功能：
工作原理：
应用实例：

7. 光电传感器与光电二极管应用
功能：
工作原理：
应用实例：

8. 保护电路
功能：
工作原理：
应用实例：

1. 整流电路

功能：

将交流电转换为直流电，这是二极管最常见的应用。二极管的单向导电特性使其能够在交流电（AC）输入时，允许电流仅在一个方向流动，从而将交变电流转换为单向电流。

工作原理：

在正半周时，二极管导通，电流通过；
在负半周时，二极管截止，电流不通过。

通过这样的方式，交流电被转换为脉动直流电，后续还需滤波器进行平滑。

应用实例：

在这里插入图片描述

这个电路是一个桥式整流电路，常用于将交流电（AC）**转换为**直流电（DC）。下面是对电路的详细分析：

电路组成：

AC 输入：
- 电路的输入是交流电源（AC 85-265V），这种电源范围适用于不同的交流电压输入，例如家庭电源或工业电源。
保险丝（F1）：
- 保险丝用于保护电路和负载免受过电流的影响。它会在电流过大时熔断，从而防止其他元器件损坏。
NTC 热敏电阻（RT1）：
- 热敏电阻（NTC）在电流启动时具有较低的阻值，可以限制初始的浪涌电流。当电路稳定后，热敏电阻的阻值上升，提供较小的电流限制作用。
MOV（压敏电阻，MOV1）：
- MOV（Metal Oxide Varistor）用于过压保护，它可以在电压超过某个阈值时快速导通，吸收高压浪涌，保护电路中的其他元件免受过电压的损害。
电容（CX1）：
- 电容（0.1µF）用于滤波和去噪声，减少输入信号中的高频噪声，帮助稳定输出电压。
变压器（L2）：
- 变压器用于降低高电压的交流电压，转换成适合整流电路使用的低电压。
桥式整流二极管组（D1）：
- D1 为桥式整流电路，由4个二极管（IN4007 和 D0-41）组成。它可以将交流电的正负半周都转化为直流电。每当交流电的电压波形发生变化时，相应的二极管会导通，将电流引导到负载端，从而完成整流过程。
直流滤波电容（C5）：
- 电容C5（22µF/400V）用于平滑直流输出，减少因整流过程产生的脉动直流信号（纹波）。它通过储存电荷并释放，确保输出直流电的稳定性。

整流过程：

输入交流信号：
- 输入是交流电源，其电压随时间呈正弦波形波动，电流在正负半周之间变化。
桥式整流：
- 桥式整流电路的四个二极管（IN4007 和 D0-41）根据输入的交流电波形自动导通，并将电流仅允许流向一个方向。这样，正负半周的交流电都被转化为正向电流。
输出直流信号：
- 整流后，输出电流为脉动直流，这个脉动直流信号需要进一步通过滤波器平滑。
滤波电容：
- 电容C5起到平滑直流信号的作用，减少脉动和噪声，提供较为平稳的直流电输出。

电路的应用：

这个桥式整流电路用于将交流电转换为直流电，并通过滤波电容平滑输出，常用于电源供应系统，例如适配器、电源模块等。

这个电路的主要功能是将输入的交流电信号转化为稳定的直流电源，通过桥式整流和滤波技术，确保输出电压的稳定性和可靠性。电路中还有过压保护和初始浪涌电流抑制的设计，以确保电路长期稳定运行。

2. 稳压电路

功能：

稳定电压：稳压二极管（齐纳二极管）用于提供稳定的参考电压，常用于电压稳定器、过电压保护电路中。

工作原理：

在反向偏置下，齐纳二极管的反向击穿电压非常稳定，当反向电压达到齐纳电压时，二极管导通并稳定电压，阻止电压继续升高。

应用实例：

在这里插入图片描述

这个电路图展示的是一个防反接电路，旨在防止电源反向连接时损坏电路。以下是对电路的详细分析：

电路组成及功能：

电源输入（VIN）：
- 这是电路的输入端，通常连接到电源（例如直流电池或适配器）。电源电压会传入电路。
MOSFET（U8，AO3415A）：
- 该电路使用了MOSFET作为开关元件，具体型号为AO3415A。它起到了控制电流流动的作用，根据电源电压的极性来决定是否导通。
- MOSFET的功能是：当电源接反时，它会阻止电流流动，从而保护电路中的元件。
二极管（D5，NC/LM37ZV5T1G）：
- 稳压二级管D5限制NMOS管的Vgs电压最大值为5.1V，避免VIN输入电压过大，导致Vgs电压值过大损坏NMOS管。
电阻（R26、R29、R31）：
- R26：0Ω电阻。
- R29和R31：提供适当的偏置电阻，调节电路工作状态，确保MOSFET和二极管正确工作。
电容（C35）：
- 电容C35用于去除高频噪声，稳定电源输入，保证电源的稳定性，并减小电源波动对电路的影响。

工作原理：

正常接入电源：
- 当电源连接正确（即正负极连接正确）时，MOSFET保持导通状态，电流正常流向电路，二极管不导通，电路工作正常。
反接电源：
- 当电源接反时，MOSFET会切断电流路径（MOSFET的反向偏置使其截止）。与此同时，二极管（D5）将导通，提供电流的回路，将反向电流分流到地，从而避免电流通过电路的敏感部分。
- 通过这种方式，二极管有效地保护电路不被反向电流损坏。

这个电路设计的主要功能是防止电源接反，使用MOSFET和二极管相结合的方式实现保护。MOSFET控制电流的流动，而二极管则在反接电源时快速导通，保护电路不受反向电流的影响。电容和电阻的加入有助于稳定电压和调节电路参数，从而保证电路在不同电源条件下的可靠运行。

3. 信号检波（整流）

功能：

信号检波：二极管用于从调制信号中提取原始信号，如在无线电和通信中进行信号解调。

工作原理：

在调频和调幅的广播信号中，二极管能检测出其中的包络线，进而恢复原始的音频信号。

应用实例：

AM / FM 收音机：二极管用于将接收到的调幅（AM）信号或调频（FM）信号解调，从而恢复音频信号并驱动扬声器。
无线电通信：用于无线电设备中，将无线信号转化为可用的信息信号。

4. 开关电路

功能：

开关功能：二极管广泛用于开关电路中，控制电流的流动。通过控制二极管的正向或反向偏置，可以打开或关闭电流通路。

工作原理：

在开关电路中，二极管可以通过控制电流的流动来实现开关功能。比如在续流二极管中，二极管能够防止开关器件（如晶体管）损坏，并确保电流持续流动。

应用实例：

MCU复位电路：在继电器电路中，使用二极管来保护继电器开关元件，避免电流反向时对电路造成损坏。

在这里插入图片描述

这个电路是一个用于低电平复位电路的设计，常见于微控制器（MCU）中。其作用是当电源快速恢复时，开关二极管提供电容C1的快速放电回路，让MCU进行可靠复位，确保在电源断电后，MCU能够正常重新启动并工作。

主要元件与功能：

D1（BAS316）二极管：
- 该二极管是一个小信号快速恢复二极管，用于低电平信号的快速整流，BAS316 主要用于提供电容C1的快速放电回路。
R1（10kΩ 电阻）：
- 电阻用于为电路提供必要的限流，确保电容C1充放电的速率适当。它与C1配合使用来控制复位时间常数。
C1（0.1µF 电容）：
- 电容与电阻一起形成RC时间常数，用于控制复位信号的延时。它提供一个短暂的低电平信号给NRST（复位引脚），以保证MCU能够在电源恢复时完成复位。
NRST（复位引脚）：
- 这是微控制器的复位引脚。在电源恢复时，C1和R1通过给该引脚施加一个低电平脉冲来触发MCU的复位。

电路工作原理：

电源恢复时
- 电源恢复后，电容C1充电，产生一个短暂的低电平脉冲，该脉冲被传递到NRST引脚。
- NRST引脚接收到低电平信号后，MCU执行复位操作，重新开始工作。
电源恢复前
- 在电源未恢复时，电容C1处于放电状态，电路保持不变，不会触发复位信号。

这个电路特别适用于电源快速恢复时，确保MCU能够正确复位并继续运行。它常见于低电压监控和电源管理电路中，能够有效避免由于电源不稳定导致的MCU工作异常。

应用场景：

继电器保护电路：在继电器电路中，使用二极管来保护继电器开关元件，避免电流反向时对电路造成损坏。

5. 发光二极管（LED）应用

功能：

发光显示与照明：LED二极管利用电流通过时发光的特性，广泛应用于各种显示、照明等场合。

工作原理：

当电流通过LED时，电子与空穴复合，释放出能量以光的形式出现，这就是发光现象。
发光二极管的正向压降大致在1.5V至3.3V，红色的1.6V到1.8V；绿色的2V到2.4V;蓝色/白色的3V至3.3V，小功率的发光二极管电流一般最大为20mA，使用的时候需要串联电阻限流。

应用实例：

发光二极管的应用

V_Sys 和 V_5V

这是电路中的两路电压。图中可以看到，R65（0 Ω） 将 V_Sys 与 V_5V 短接或“跳线”在一起（也可能是为了在不同板型或不同设计阶段保留切换/测试的灵活性）。在有些设计中，0 Ω 电阻用于“占位”，方便日后改进或做不同版本。

R67（10 kΩ）

这个电阻串接在红色 LED 的前级，用于限流和设定 LED 的电流大小，电流I = (5V-1.6V)/10k=0.34mA。
10 kΩ 对于常见的 5 V 或 3.3 V 系统来说算比较大的限流电阻，因此通过 LED 的电流会比较小，亮度也相对较暗。这样做通常是为了降低功耗，同时在指示灯上仍能看出是否上电。

D15（Red LED）

这是一个红色发光二极管，和地（GND）相连，用来指示某个电压（此处是 V_Sys 也可能是 V_5V）是否存在。
当 V_Sys 上电时，经 R67 限流后的电流会使 LED 亮起，提示“系统电源已存在”或“电压正常”。

C76（0.1 µF）

这颗电容通常是去耦电容/旁路电容，用于滤除 V_Sys 线路上的高频噪声，稳定电压，防止对后续电路或其他模块产生干扰。

6. 瞬态电压抑制（TVS）保护

功能：

浪涌保护：TVS二极管用于保护敏感电路，防止高电压瞬态浪涌（如雷击、静电放电）对电路元件造成损坏。
肖特基二极管的结构及特点使其适合于在低压、高频、大电流，比如BUCK降压的续流二极管，BOOST升压的隔离二极管等。

工作原理：

TVS二极管在反向击穿时能快速吸收电流，将浪涌电压限制在安全范围内，保护后级电路免受损害。

应用实例：

TVS管的应用

此处如果使用单向TVS管，必须放置在防反接肖特基D12的后面，否则的话，电源反接，单向TVS管刚好正接，正向导通电流很大，将烧毁单向TVS管。

在这里插入图片描述

单向TVS管应用于抑制尖峰干扰电压，避免损坏GPRS模块。

在这里插入图片描述

肖特基应用于防反接与电源隔离中。

TVS在BUCK电路中

肖特基二极管D14,应用于BUCK拓扑的续流二极管，符合高频、低压、大电流场合

TVS管在续流

肖特基二极管D1，提供电机线圈电感的续流路径，符合高频、低压、大电流场合

7. 光电传感器与光电二极管应用

功能：

光电探测与传感：光敏二极管（光电二极管）根据光照的强弱变化产生电流，广泛应用于光电探测器、光开关等。

工作原理：

光照射在二极管表面时，光子与电子相互作用，产生光生电流，信号强度与光强度成正比。

应用实例：

光电开关：光电传感器用于检测物体的存在与否，广泛应用于自动化生产线、安防系统等。
光纤通信：在光纤通信系统中，光电二极管用于将光信号转换为电信号。

8. 保护电路

功能：

过电压、过电流保护：二极管常用在过电压保护电路中，防止电压过高时对电路元件造成损害。

工作原理：

二极管在反向偏置时阻止过电压，并在电压过高时导通，通过短路分流来保护电路。

应用实例：

电源保护：为电源输入端加入二极管，防止电源过电压对电路造成损坏。
电池充电保护：在充电电路中使用二极管，防止电池反向充电或过充。

文章目录

1. 整流电路

功能：

工作原理：

应用实例：

电路组成：

整流过程：

电路的应用：

2. 稳压电路

功能：

工作原理：

应用实例：

电路组成及功能：

工作原理：

3. 信号检波（整流）

功能：

工作原理：

应用实例：

4. 开关电路

功能：

工作原理：

应用实例：

主要元件与功能：

电路工作原理：

应用场景：

5. 发光二极管（LED）应用

功能：

工作原理：

应用实例：

6. 瞬态电压抑制（TVS）保护

功能：

工作原理：

应用实例：

7. 光电传感器与光电二极管应用

功能：

工作原理：

应用实例：

8. 保护电路

功能：

工作原理：

应用实例：

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