什么是二极管？

第一个二极管是用于从调制射频信号中提取音频的猫须。 然后是二极管真空管，它们执行相同的功能，但更稳定。 今天，我们几乎总是在谈论基于硅的半导体器件。 这些在我们的电子世界及其他地方非常普遍，从简单的儿童玩具到国际空间站。 二极管可以是分立的电子器件或集成电路（IC）或微芯片的众多组成部分。

首先，通过概览，我们将了解二极管的使用方式并讨论它们的一些电气特性，包括如何测试它们以及故障原因。 然后，我们将看看二极管如何在亚原子水平上工作。 当然，这些密封封装的小型器件无法打开和修复，但了解其内部工作原理非常值得，因为这可以深入了解二极管在电子电路中的功能，并且这种了解也为理解更复杂的半导体奠定了基础，例如如晶体管、MOSFET 和 IC。

最后，我们将了解二极管在电气设备中的作用，并讨论在维修电机驱动器、电源和控制面板时可能遇到的一些故障排除技术和故障模式。

大多数二极管很容易识别。 它们通常是带有两条引线的小管状物品，每端一根。 外观类似于电阻器，但不是多个颜色代码带，您会看到包装上印有一个小的二极管原理图，说明电流并以此方式识别引线。 或者可能有一个单一的带表示阴极。 旨在处理高功率水平的较大二极管可能具有带有突出散热片的散热器。

在电气方面，二极管的行为非常简单。 在直流电路中，二极管在一个方向导通，而在另一个方向不导通。 它类似于水系统中的止回阀。 但是，当止回阀受到背压时，隔膜被压在阀座上，阻止水流。 二极管的工作方式不同。 正如我们将看到的，反向偏压将电荷载流子从结处吸引开，因此没有电荷载流子的亚微观层会阻止电流流动。

要测试二极管，请将万用表设置为欧姆功能并将探头接触到引线。 然后，反转连接。 一种方式，电阻会读高； 另一种方式，如果二极管是好的，它会读低。 对于此测试，精确的欧姆值通常不相关。 我们正在寻找的是两种读数之间的实质性差异。 如果二极管出现故障，它通常会开路或内部短路——这将是灾难性的。 （这与电容器相反，它可能会逐渐失去电容。）使欧姆表测试工作的原因是仪表的内部电源，旨在促进电阻测量，向二极管施加大约 XNUMX 伏的偏置。 当正极探头接正极，负极探头接负极时，二极管导通。 当这些连接反向时，二极管不会导通。 通常，在执行这种简单的通过、不通过测试时，您不必担心引线的极性。 只要确定两个连接之间是否有很大不同的读数。 在大多数情况下，这将揭示二极管的状态。 为了完全了解正在发生的事情，您必须意识到大多数仪表制造商都会为探头通电，以便红色为正。 但由于情况并非总是如此，您可能需要使用已知良好的二极管检查仪表并相应地标记探头。

欧姆表测试可以使用小型干电池或直流电源和毫安表进行模拟。 但是，串联电路中总是需要插入LED、电阻或其他负载来限制电流，以免二极管和毫安表被大电流瞬间损坏。

如果您的万用表包含二极管检查功能，请使用该功能而不是欧姆表功能，因为它测量的是结上的电压降而不是电阻，尽管这对于大多数用途来说已经足够了，但实际上是伪读数，因为该值取决于仪表电源提供的偏置。 使用二极管测试功能，获取两个独立的读数，每个方向一个。 与欧姆功能一样，仪表会偏置二极管。 当探头没有连接到二极管并且没有相互接触时，您可以通过查看显示屏来找到偏置量。 当二极管反向偏置时，将显示该量。 如果该值较小，则存在反向偏置泄漏，如果显着，则应更换二极管。 在正向偏置连接中，寻找 0.6 伏降。

当然，在欧姆或二极管测试模式下使用万用表进行二极管测试必须在设备断电的情况下进行。 一些欧姆表可以防止意外连接到带电端子，但充其量，这种保护并不确定。 许多类型的电气设备都包含与二极管非常接近（电气上）的电容器。 需要注意，因为电容器在断电并与电源断开连接后很长一段时间内仍会保留电荷。 这是因为电容器，尤其是电解电容器，正在做它们应该做的事情。 此外，还有分布电容的现象，顾名思义，它是可以出乎意料的。 除了电击外，还有可能发生弧光伤害。 电视显像管和光伏系统在这方面可能特别危险。

许多技术人员通过绝缘螺丝刀或电线将这种电能分流到地面，但总是有可能滑倒。 此外，高压尖峰会刺穿电容器的薄介电层并破坏附近的二极管和其他半导体。 最好在两端连接一个功率电阻或其他适当的负载 the source 储存的能量，让它以合理的速度流失。 使用带橡胶套的鳄鱼夹并远离接地表面。 除非您了解所涉及的风险并知道如何减轻风险，否则请勿在此类设备上工作。 不要被愚弄。 即使是数码相机也可能在电池取出后很长时间内产生致命的电压。

可以在电路中测试二极管还是必须将其移除？ 答案是一个强调“有时！” 您必须查看是否存在会干扰读数的并行电流路径。 这应该很容易通过视觉或参考原理图来确定。 如有疑问，请暂时断开一根导线。

二极管的内部亚原子机制简单易懂。 像其他半导体一样，今天的大多数二极管都是由硅制成的，硅是地球上最丰富的元素之一，也是石英和普通沙滩的主要成分。 它是一种原子序数为 14 的元素，在元素周期表中被硼、碳、氮、铝、磷、镓、锗和砷包围，所有这些都有一个重要的性质，这是本次讨论的关键。 它们在外层或价轨道中的电子数少于最大值，而多于最小值，这是与外界相互作用的作用所在。

我们的太阳系由行星和其他围绕太阳运行的天体组成。 这些轨道都位于同一平面上，而围绕原子核运行的电子并不占据同一平面，而是以各种可能的倾角四处奔波。 最好将轨道可视化为壳。 由于硅在其外（价）壳中有四个电子，因此单个原子能够与四个相邻的硅原子紧密结合。 以这种方式组织的纯硅形成非常稳定的晶格，当碳原子共享价电子以形成晶格时，类似于金刚石。 如此配置，没有自由电子，因此材料不导电。 但是，当引入微量的某些其他物质时，情况会发生巨大变化。 具体来说，如果晶体硅暴露在磷或砷中，这两者的价壳中都有五个电子，额外的电子不会束缚在晶格中，而是在硅原子之间的空隙中游荡，极大地改变了晶体的电特性。 现在硅更导电。 将晶体硅暴露于这些杂质的过程称为掺杂，所得材料称为 N 型硅，因为自由电子带有负电荷。

相比之下，当晶体硅存在硼或镓时，两者都只有三个价电子，自由电子不足。 由此产生的实体并不是像质子那样真正带正电的粒子，而是它们的缺失。 它们的功能就像带正电的无质量物体在硅原子之间相对广阔的空间中移动。 结果，该P型硅也变得导电。 P型硅中的虚拟粒子称为空穴。 N型硅中的电子和P型硅中的空穴都是电荷载流子，这就是它们存在的原因； 这就是使半导体在我们的电子世界中有用的原因。 N 型和 P 型硅本身并没有多大作用。 与纯晶体硅不同，这些材料具有导电性，但它们不像铜那样具有高导电性和延展性，因此可以被拉伸以形成导体。

为了制造二极管，将小块超纯 N 型和 P 型硅粘合在一起，并将引线固定到远端。 由此产生的器件被称为二极管，它们与更复杂的半导体器件（如晶体管）一起改变了我们的世界。

半导体之所以如此命名，并不是因为它们像碳或绕线电阻器一样具有部分导电性，而是因为在某些条件下它们会导电，而在某些其他条件下它们不导电。 这与它们如何偏置有关，即哪个极性连接到哪个引线。 连接到 P 型材料的引线称为阳极，连接到 N 型材料的引线称为阴极。 众所周知，在电荷方面，异物相吸，异物相斥。 可视化连接到二极管的直流电源，并串联一盏灯。 （如果使用电流表进行此实验，还必须串联插入适当的负载以限制电流，以免立即损坏二极管和电流表。

如果正极接阳极，负极接阴极，N型硅中的负电子和P型硅中的空穴都会被排斥。 这些电荷载流子将从两侧向交界处聚集。 二极管将导通。 另一种情况是电源的负极接二极管的正极，正极接负极。 现在电荷载流子被吸引到电源的两极。 在两侧，它们从交界处迁移，现在可以将其视为枯竭区。 由于该区域没有电荷载流子，二极管不会导通。

二极管将导通或不导通取决于它的偏置方式，即取决于施加电压的极性。 可以配置磁继电器或真空管来做同样的事情，但固态二极管更便宜、更可靠，最重要的是，动作更快，也就是说它能够提供更好的频率响应。

由于能够充当单向电动阀，二极管具有多种应用：

• 如果电池反向安装到其支架中，则与电池串联的阻塞二极管将阻止电流流动，从而保护贵重设备免受反极性损坏。 当应用反极性时，许多直流发电机用作电动机。 直流风力涡轮机在电池组和发电机之间串联插入二极管，因此电池不会通过发电机放电，在没有微风时旋转涡轮机。 太阳能光伏系统也受到类似的保护。
• 齐纳二极管用于调节电压。 正如我们提到的，二极管在反向偏置时不导通。 但是，如果反向偏置电压增加到高于某个称为击穿电压的水平，二极管会突然导通，从而损坏器件。 齐纳二极管经过精心设计，可以承受这种反向偏置击穿电压而不会损坏，这使它们可用作稳压器，在电源中很常见，在各种电气设备中都可以看到。
• 雪崩二极管同样​​可以保护电路免受高压浪涌的影响。
• 变容二极管用于电子调谐无线电电路。
• 隧道二极管和耿氏二极管在高频应用中用作振荡器。
• 发光二极管已被用作多种电子设备中的指示灯，最近效率的提高使其适用于高性能手电筒、公共建筑中可靠的出口灯甚至通用照明。 用于电视、空调和类似设备的手持遥控器使用 LED 产生红外光束。 LED 也用于字母数字读数。

光伏系统中的太阳能电池是二极管。 如果任何物体受到太阳光等辐射能的撞击，未被反射和透射的能量将被吸收。 这种吸收的能量会导致更大的分子运动，但由于能量是随机的且极性相互抵消，因此无法提取有用的电能。 如果主体恰好是一个带有半导体结的二极管，并且如果引线固定在远离结的远端，则会出现电压，如果连接了负载，则会有电流流动。 为了捕捉这种能量，金属电极必须固定在 N 型和 P 型硅上。 在底部，这没有问题，但在顶部，这种实心板会阻挡进入的太阳能。 折衷是通过形成一个网格来实现的，这样电能就可以传输到导线而不完全阻挡阳光。 形成网格的细长导体的载流量有限，因此与底侧板相比有一些损失，但可以通过形成矩形截面的网格构件来优化该电极，长尺寸垂直于表面的细胞。

由于二极管仅在一个方向上导电，因此它们可用于对交流电进行整流，输出是脉动直流电，随后可以对其进行滤波以消除波动。 通过将二极管与交流电源串联，可以构建一个简单的整流器。 这称为半波整流器。 顾名思义，只有一半的波被整流，在输出中留下空白期，随之而来的是效率损失。 全波整流器效率更高，输出更平滑，因此需要的滤波更少。

二极管可以用作电压倍增器，例如通过将输入电压加倍。 各种配置可以使电压增加三倍，或者在级联使用时达到非常高的电压，用于实验和其他目的。

二极管用于两种电压的非线性混合。 这称为幅度调制。 高频载波由音频或视频信号修改。 远距离传输需要高频载波。 在接收端，解调发生。 调制和解调可以在同一个外壳中，在这种情况下，它被称为调制解调器。 通常这两种操作相距数百或数千英里，但无论在哪里进行调制，都会有解调，并且两种操作都需要二极管。

交流电机的速度、旋转方向和其他运行参数可以由变频驱动器 (VFD) 控制。 这是一款卓越的、用户友好的设备，它依赖于 12 个或更多大功率二极管的运行。 当 VFD 出现故障时，二极管短路或开路是常见的罪魁祸首。 随后的文章将详细讨论 VFD 故障排除和维修。 现在，我们将提到这样一个事实，即为了正常运行，直流总线应该传输没有谐波或噪声污染的纯直流电。 这最好通过查看示波器屏幕上显示的电压来确定。 直流母线前后的所有电容器和二极管都必须良好。 在电源断开并锁定的情况下进行这些测试，并且存储的电压完全放电。 即使采取了这些保护措施，也无需接触任何导电部件。 仅使用额定为系统电压的完全绝缘的工具和测试设备。

二极管是电子设备中每个电源的关键部件，需要将交流公用事业或现场产生的电力转换为直流电。 在寻找故障原因时，请查看大电流路径； 这通常是指电源或输出级和设备，例如扬声器。 如果系统死机，即在连接到电源时根本没有响应，则一个或多个二极管可能出现故障。 这些，连同电解电容器，经常下降。 一个常见的原因是短路，紧接着是大电流消耗，然后在故障消除后开路。 此外，线路浪涌和瞬变会损坏二极管。 如前所述测试它们并目视检查是否有损坏。

大功率二极管具有散热片以去除多余的热能。 在二极管与散热器接触的地方，应该涂上一层非常薄的导热油脂，不要过量。 材料填充配合金属表面的凹坑以改善传热。 它类似于电工在服务中应用于大型铝导体终端的腐蚀抑制剂。 切勿使用标准的多用途润滑脂。

由于尺寸、形状和电气参数如此之多，因此二极管部件替换可能会出现问题也就不足为奇了。 这就是制造商的数据表进入图片的地方。 这些可作为 PDF 下载免费获得。 在您的搜索引擎中，输入零件编号 + 数据表。 Fairchild Semiconductor 提供完整的、图解清楚的数据表，它们对于设计工作和任何您可能想要进行部件替换的维修来说都是必不可少的。

一些更重要的电气和热参数是：

• 最大重复反向电压
• 平均整流正向电流
• 直流正向电流
• 重复峰值正向电流
• 储存温度范围
• 工作结温
• 功耗
• 热阻，结到环境
• 击穿电压
• 正向电压
• 反向泄漏
• 总电容
• 反向恢复时间

此外，还有一些性能图表显示了各种电气参数，其中绘制了电流与电压的关系图以及各种温度下的功率降额曲线。 数据表还显示了描述阴极识别带和零件编号识别的图形表示。