开关二极管基础知识：工作原理、类型和电路分析

开关二极管是半导体二极管的一种。它们是专门为电路上的“开”和“关”而设计和制造的。顾名思义，它指的是具有开关功能的二极管。开关二极管现货供应商中芯巨能将为您介绍什么是开关二极管、开关二极管工作原理、开关二极管的工作特性、开关二极管的种类、开关二极管典型应用电路分析、如何测试开关二极管及常见问题解答。

一、开关二极管简介

开关二极管是半导体二极管 的一种  。它们是专门为电路上的“开”和“关”而设计和制造的。顾名思义，它指的是具有开关功能的二极管。该二极管具有在正向施加电压时使电流通过（ON）、在反向施加电压时阻止（OFF）电流的性能。与其他 二极管相比，反向恢复时间（trr）短，即 开关二极管 从导通状态到完全截止状态所需的时间短。常见的 开关二极管 有2AK、2DK等系列，主要应用于电子计算机、脉冲、开关电路中。

二、开关二极管工作原理

当半导体二极管导通时，相当于开关闭合（电路导通）。当其关闭时，相当于开关被打开（电路被关闭）。由于半导体二极管的单向导电特性，PN结在正偏压下导通，导通时的电阻很小，约为数十至数百欧姆；在反向偏压下，它处于截止状态，其电阻很大。一般硅二极管在10MΩ以上，锗管也有几万欧姆到几十万欧姆。利用这一特性，二极管将在电路中起到控制电流通断的作用，使其成为理想的电子开关。

开关二极管结构

上述描述适用于任何普通二极管或二极管本身的原理。但对于开关二极管来说，最重要的特性是高频下的性能。在高频条件下，二极管的势垒电容表现出极低的阻抗，并与二极管并联。当该势垒电容的电容量达到一定程度时，将严重影响二极管的开关性能。在极端条件下，二极管会发生短路。高频电流不再通过二极管，而是直接旁路势垒电容，二极管失效。开关二极管的势垒电容 一般很小，相当于阻断了势垒电容的通路，达到了在高频下保持良好单向导电的效果。

开关二极管原理图

三、开关二极管的工作特性

开关二极管从关断（高阻态）到导通（低阻态）的时间 称为开通时间。从导通到结束的时间称为反向恢复时间。两个时间之和称为切换时间。一般反向恢复时间大于开通时间，因此开关二极管的工作参数中只给出了反向恢复时间。开关二极管的开关速度 相当快。硅开关二极管的反向恢复时间 仅为几纳秒。即使是锗开关二极管，其反向恢复时间也只有几百纳秒。

开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高的特点。广泛应用于电子设备的开关电路、检测电路、高频和脉冲整流电路、自动控制电路等。

当开关管两极施加正向电压时，二极管处于导通状态，相当于开关管的导通状态。当给开关二极管施加反向电压时，二极管处于截止状态，相当于开关管的截止状态。开关二极管 利用这一特性，可以实现更好的开关特性、更快的开关速度、PN结的结电容更小、导通时内阻更小、截止时电阻更大。

(1) 开启时间。开关二极管 从截止到导通需要一定的时间，称为导通时间。这个时间越短越好。

(2)反向恢复时间。开关二极管导通后 ，正向电压被去除。二极管从导通到截止所需的时间称为反向恢复时间。这个时间越短越好。

(3)切换时间。导通时间和反向恢复时间之和称为开关时间。这个时间越短越好。

四、开关二极管的种类

开关二极管 分为普通开关二极管、高速开关二极管、超高速开关二极管、低功耗开关二极管、高反压开关二极管、硅电压开关二极管巫术二极管等。开关二极管的封装形式 包括塑料封装和表面封装。 开关二极管形状

开关二极管形状

1 普通开关二极管

常用的通用开关二极管 是2AK系列锗开关二极管。下表为2AK系列开关二极管的主要参数。

2AK系列开关二极管主要参数

2 高速开关二极管

高速开关二极管比一般开关二极管 具有更短的反向恢复时间，并且具有更快的 开关频率。常用的国产高速开关二极管 有2CK系列、1N系列、1S系列、1SS系列（有引线塑料封装）、RLS系列（表面贴装）。

 高速二极管模型参数

3 超高速开关二极管

常用的超高速二极管有1SS系列（有引线塑料封装）和RLS系列（表面封装）。

超高速开关二极管模型参数

4 小功率开关二极管

低功耗开关二极管的功耗较低，但其零偏电容和反向恢复时间值均 低于高速开关二极管。常用的小功率开关二极管 有RLS系列（表面封装）和1SS系列（有引线塑料封装）。

小功率开关二极管参数

5 高反压开关二极管

高反向电压开关二极管的反向击穿电压在220V以上，但其零偏电容和反向恢复时间 值较大。常用的高背压开关二极管有RLS 系列（表面封装）和1SS系列（引线塑料封装）。

高背压开关二极管模型参数

6 硅电压开关二极管

硅电压开关二极管是一种 新型半导体器件，分为单向电压开关二极管 和双向电压开关二极管。它们主要应用于触发器、过压保护电路、脉冲发生器以及高压输出、延时、电子开关等电路。

单向电压开关二极管外形图及电路图形符号

单向电压开关二极管也 称为转向二极管。它们由具有 PnPN 四层结构的硅半导体材料组成。正方向为负阻开关（指当外加电压上升到正转电压值时，开关二极管由 截止状态变为导通状态，即由高阻变为低阻） ，反之为稳定特性。双向耐压二极管由NPnPN五层硅半导体材料组成，其正向和反向具有相同的负阻开关特性。

双向电压开关二极管外形图及电路图形符号

五、开关二极管典型应用电路分析

1. 下图所示为典型的二极管开关电路。电路中的VD1为开关二极管，L1和电容器C1组成LC并联谐振电路。

 开关二极管电路图

(1)当开关S1断开时，直流电压+V不能加到VD1的正极。此时VD1截止，正极与负极之间的电阻很大。因此，由于VD1开路，C2不能接入电路。L1与C1并联构成LC并联谐振电路。

(2)当开关S1导通时，直流电压+V通过S1、R1加到VD1的正极，使VD1导通。正极和负极之间的电阻很小，相当于VD1的正极和负极之间的连接。这样，C2就接入电路并与电容C1并联。L1与C1、C2组成LC并联谐振电路。

在上述两种状态下，由于LC并联谐振电路中的电容不同，一种情况是只有C1，另一种情况是C1和C2并联。当电容不同时，LC并联谐振电路的谐振频率不同。因此，VD1所在电路的真正作用是控制LC并联谐振电路的谐振频率。

当电路中存在开关时，电路的分析以开关接通和关断的情况为例来分析电路的工作状态。因此，当电路中出现开关元件时，可以为电路分析提供思路。LC并联谐振电路中的信号通过C2加到VD1的正极。但由于谐振电路中的信号幅值较小，加在VD1正极上的正半周信号幅值很小，不会使VD1导通。

2、 类似电路工作原理分析

如图所示，电路中的VD1是开关二极管，控制电压通过R1加到VD1的正极。控制电压为矩形脉冲电压，波形如图所示。

当控制电压为0V时，VD1不能导通。这相当于开路。此时，不影响L1和C1、L2和C2电路。当控制电压为高时，控制电压导通开关二极管 VD1。电路中A点交流信号通过导通的VD1和电容C3接地，相当于电路中A点交流接地，使L2和C2电路不起作用。从上面的分析可以看出，电路中的二极管VD1相当于一个开关，控制电路中A点交流信号是否接地。

六、如何测试开关二极管？

1. 测试极性

将万用表切换到R×100或R×1k量程。两根表笔分别连接到二极管的两个电极上。第一次测试后，将两根测试线对调，再次测试。两次测试的结果中，一个电阻值较大（反向电阻），另一个电阻值较小（正向电阻）。小电阻测试时，黑表笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极。

2、单负极导电性能的检测及好坏的判断

一般情况下，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300Ω左右。硅材料二极管的电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为  ∞ （无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正向和反向电阻值相差越大，二极管的单向导电性越好。如果测得的二极管正向、反向电阻值接近0或阻值较小，则说明该二极管已击穿短路或损坏。如果测得二极管正、负电阻值均为无穷大，则说明二极管已开路损坏。 

七、开关二极管常见问题解答

1.二极管如何充当开关？

每当超过指定电压时，二极管电阻就会增加，使二极管反向偏置，并充当开路开关。每当施加的电压低于参考电压时，二极管电阻就会减小，使二极管正向偏置，并且它充当闭合开关。

2.哪种二极管用于快速开关？

根据应用的不同，开关二极管还可以用作简单的整流二极管、瞬态电压抑制器或检测二极管。它的特点是非常快的操作速率（以纳秒为单位测量，而对于更高的电压 - 微秒）。

3.二极管可以装反吗？

如果没有二极管半导体，这种反冲电压会损坏控制设备。正确安装后，二极管可将反冲电压保持在锁上。反向安装二极管以防止雷击可能会导致云节点或门禁控制器重新启动。

4.开关二极管用在什么地方？

开关二极管适合切换高达 100 mA 的小信号，充当整流器。相反，整流二极管用于交流线路整流（从交流电到直流电）。开关二极管设计用于处理低于几十伏的电压。

5.两个二极管可以并联吗？

如果负载电流大于单个二极管的额定电流，则可以并联两个或多个二极管（见图 1）以获得更高的正向电流额定值。由于不同的正向偏置特性，并联的二极管不能均等地共享电流。