硬件基礎（5）：（3）二極管的應用

文章目錄

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1. 整流電路
功能：
工作原理：
應用實例：
電路組成：
整流過程：
電路的應用：

2. 穩壓電路
功能：
工作原理：
應用實例：
電路組成及功能：
工作原理：

3. 信號檢波（整流）
功能：
工作原理：
應用實例：

4. 開關電路
功能：
工作原理：
應用實例：
主要元件與功能：
電路工作原理：
應用場景：

5. 發光二極管（LED）應用
功能：
工作原理：
應用實例：

6. 瞬態電壓抑制（TVS）保護
功能：
工作原理：
應用實例：

7. 光電傳感器與光電二極管應用
功能：
工作原理：
應用實例：

8. 保護電路
功能：
工作原理：
應用實例：

1. 整流電路

功能：

將交流電轉換為直流電，這是二極管最常見的應用。二極管的單向導電特性使其能夠在交流電（AC）輸入時，允許電流僅在一個方向流動，從而將交變電流轉換為單向電流。

工作原理：

在正半周時，二極管導通，電流通過；
在負半周時，二極管截止，電流不通過。

通過這樣的方式，交流電被轉換為脈動直流電，后續還需濾波器進行平滑。

應用實例：

在這里插入圖片描述

這個電路是一個橋式整流電路，常用于將交流電（AC）**轉換為**直流電（DC）。下面是對電路的詳細分析：

電路組成：

AC 輸入：
- 電路的輸入是交流電源（AC 85-265V），這種電源范圍適用于不同的交流電壓輸入，例如家庭電源或工業電源。
保險絲（F1）：
- 保險絲用于保護電路和負載免受過電流的影響。它會在電流過大時熔斷，從而防止其他元器件損壞。
NTC 熱敏電阻（RT1）：
- 熱敏電阻（NTC）在電流啟動時具有較低的阻值，可以限制初始的浪涌電流。當電路穩定后，熱敏電阻的阻值上升，提供較小的電流限制作用。
MOV（壓敏電阻，MOV1）：
- MOV（Metal Oxide Varistor）用于過壓保護，它可以在電壓超過某個閾值時快速導通，吸收高壓浪涌，保護電路中的其他元件免受過電壓的損害。
電容（CX1）：
- 電容（0.1μF）用于濾波和去噪聲，減少輸入信號中的高頻噪聲，幫助穩定輸出電壓。
變壓器（L2）：
- 變壓器用于降低高電壓的交流電壓，轉換成適合整流電路使用的低電壓。
橋式整流二極管組（D1）：
- D1 為橋式整流電路，由4個二極管（IN4007 和 D0-41）組成。它可以將交流電的正負半周都轉化為直流電。每當交流電的電壓波形發生變化時，相應的二極管會導通，將電流引導到負載端，從而完成整流過程。
直流濾波電容（C5）：
- 電容C5（22μF/400V）用于平滑直流輸出，減少因整流過程產生的脈動直流信號（紋波）。它通過儲存電荷并釋放，確保輸出直流電的穩定性。

整流過程：

輸入交流信號：
- 輸入是交流電源，其電壓隨時間呈正弦波形波動，電流在正負半周之間變化。
橋式整流：
- 橋式整流電路的四個二極管（IN4007 和 D0-41）根據輸入的交流電波形自動導通，并將電流僅允許流向一個方向。這樣，正負半周的交流電都被轉化為正向電流。
輸出直流信號：
- 整流后，輸出電流為脈動直流，這個脈動直流信號需要進一步通過濾波器平滑。
濾波電容：
- 電容C5起到平滑直流信號的作用，減少脈動和噪聲，提供較為平穩的直流電輸出。

電路的應用：

這個橋式整流電路用于將交流電轉換為直流電，并通過濾波電容平滑輸出，常用于電源供應系統，例如適配器、電源模塊等。

這個電路的主要功能是將輸入的交流電信號轉化為穩定的直流電源，通過橋式整流和濾波技術，確保輸出電壓的穩定性和可靠性。電路中還有過壓保護和初始浪涌電流抑制的設計，以確保電路長期穩定運行。

2. 穩壓電路

功能：

穩定電壓：穩壓二極管（齊納二極管）用于提供穩定的參考電壓，常用于電壓穩定器、過電壓保護電路中。

工作原理：

在反向偏置下，齊納二極管的反向擊穿電壓非常穩定，當反向電壓達到齊納電壓時，二極管導通并穩定電壓，阻止電壓繼續升高。

應用實例：

在這里插入圖片描述

這個電路圖展示的是一個防反接電路，旨在防止電源反向連接時損壞電路。以下是對電路的詳細分析：

電路組成及功能：

電源輸入（VIN）：
- 這是電路的輸入端，通常連接到電源（例如直流電池或適配器）。電源電壓會傳入電路。
MOSFET（U8，AO3415A）：
- 該電路使用了MOSFET作為開關元件，具體型號為AO3415A。它起到了控制電流流動的作用，根據電源電壓的極性來決定是否導通。
- MOSFET的功能是：當電源接反時，它會阻止電流流動，從而保護電路中的元件。
二極管（D5，NC/LM37ZV5T1G）：
- 穩壓二級管D5限制NMOS管的Vgs電壓最大值為5.1V，避免VIN輸入電壓過大，導致Vgs電壓值過大損壞NMOS管。
電阻（R26、R29、R31）：
- R26：0Ω電阻。
- R29和R31：提供適當的偏置電阻，調節電路工作狀態，確保MOSFET和二極管正確工作。
電容（C35）：
- 電容C35用于去除高頻噪聲，穩定電源輸入，保證電源的穩定性，并減小電源波動對電路的影響。

工作原理：

正常接入電源：
- 當電源連接正確（即正負極連接正確）時，MOSFET保持導通狀態，電流正常流向電路，二極管不導通，電路工作正常。
反接電源：
- 當電源接反時，MOSFET會切斷電流路徑（MOSFET的反向偏置使其截止）。與此同時，二極管（D5）將導通，提供電流的回路，將反向電流分流到地，從而避免電流通過電路的敏感部分。
- 通過這種方式，二極管有效地保護電路不被反向電流損壞。

這個電路設計的主要功能是防止電源接反，使用MOSFET和二極管相結合的方式實現保護。MOSFET控制電流的流動，而二極管則在反接電源時快速導通，保護電路不受反向電流的影響。電容和電阻的加入有助于穩定電壓和調節電路參數，從而保證電路在不同電源條件下的可靠運行。

3. 信號檢波（整流）

功能：

信號檢波：二極管用于從調制信號中提取原始信號，如在無線電和通信中進行信號解調。

工作原理：

在調頻和調幅的廣播信號中，二極管能檢測出其中的包絡線，進而恢復原始的音頻信號。

應用實例：

AM / FM 收音機：二極管用于將接收到的調幅（AM）信號或調頻（FM）信號解調，從而恢復音頻信號并驅動揚聲器。
無線電通信：用于無線電設備中，將無線信號轉化為可用的信息信號。

4. 開關電路

功能：

開關功能：二極管廣泛用于開關電路中，控制電流的流動。通過控制二極管的正向或反向偏置，可以打開或關閉電流通路。

工作原理：

在開關電路中，二極管可以通過控制電流的流動來實現開關功能。比如在續流二極管中，二極管能夠防止開關器件（如晶體管）損壞，并確保電流持續流動。

應用實例：

MCU復位電路：在繼電器電路中，使用二極管來保護繼電器開關元件，避免電流反向時對電路造成損壞。

在這里插入圖片描述

這個電路是一個用于低電平復位電路的設計，常見于微控制器（MCU）中。其作用是當電源快速恢復時，開關二極管提供電容C1的快速放電回路，讓MCU進行可靠復位，確保在電源斷電后，MCU能夠正常重新啟動并工作。

主要元件與功能：

D1（BAS316）二極管：
- 該二極管是一個小信號快速恢復二極管，用于低電平信號的快速整流，BAS316 主要用于提供電容C1的快速放電回路。
R1（10kΩ 電阻）：
- 電阻用于為電路提供必要的限流，確保電容C1充放電的速率適當。它與C1配合使用來控制復位時間常數。
C1（0.1μF 電容）：
- 電容與電阻一起形成RC時間常數，用于控制復位信號的延時。它提供一個短暫的低電平信號給NRST（復位引腳），以保證MCU能夠在電源恢復時完成復位。
NRST（復位引腳）：
- 這是微控制器的復位引腳。在電源恢復時，C1和R1通過給該引腳施加一個低電平脈沖來觸發MCU的復位。

電路工作原理：

電源恢復時
- 電源恢復后，電容C1充電，產生一個短暫的低電平脈沖，該脈沖被傳遞到NRST引腳。
- NRST引腳接收到低電平信號后，MCU執行復位操作，重新開始工作。
電源恢復前
- 在電源未恢復時，電容C1處于放電狀態，電路保持不變，不會觸發復位信號。

這個電路特別適用于電源快速恢復時，確保MCU能夠正確復位并繼續運行。它常見于低電壓監控和電源管理電路中，能夠有效避免由于電源不穩定導致的MCU工作異常。

應用場景：

繼電器保護電路：在繼電器電路中，使用二極管來保護繼電器開關元件，避免電流反向時對電路造成損壞。

5. 發光二極管（LED）應用

功能：

發光顯示與照明：LED二極管利用電流通過時發光的特性，廣泛應用于各種顯示、照明等場合。

工作原理：

當電流通過LED時，電子與空穴復合，釋放出能量以光的形式出現，這就是發光現象。
發光二極管的正向壓降大致在1.5V至3.3V，紅色的1.6V到1.8V；綠色的2V到2.4V;藍色/白色的3V至3.3V，小功率的發光二極管電流一般最大為20mA，使用的時候需要串聯電阻限流。

應用實例：

發光二極管的應用

V_Sys 和 V_5V

這是電路中的兩路電壓。圖中可以看到，R65（0 Ω） 將 V_Sys 與 V_5V 短接或“跳線”在一起（也可能是為了在不同板型或不同設計階段保留切換/測試的靈活性）。在有些設計中，0 Ω 電阻用于“占位”，方便日后改進或做不同版本。

R67（10 kΩ）

這個電阻串接在紅色 LED 的前級，用于限流和設定 LED 的電流大小，電流I = (5V-1.6V)/10k=0.34mA。
10 kΩ 對于常見的 5 V 或 3.3 V 系統來說算比較大的限流電阻，因此通過 LED 的電流會比較小，亮度也相對較暗。這樣做通常是為了降低功耗，同時在指示燈上仍能看出是否上電。