二极管基本知识及其应用

第一章二极管及其应用第一章二极管及其应用1.1晶体二极管的特性、结构与分类1.2整流电路及应用1.3滤波电路类型及应用1.4直流稳压电源本章知识目标•了解二极管器件的外形和电路符号。•掌握二极管的单向导电性和主要参数，了解伏安特性。•了解硅稳压管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等特殊二极管的外形特征、功能和实际应用。•了解整流电路的作用及工作原理。•了解滤波电路及输出电压的估算。本章技能目标•会使用万用表检测二极管好坏和判别极性。•会用万用表、示波器测量和观察整流滤波电路输出波形。•会查阅半导体手册，能按要求选用二极管。1.1晶体二极管的特性、结构与分类半导体器件是现代电子技术发展必不可少的重要组成部分。由于它具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。随着科学技术的发展，我们生活中的很多电子产品如电话、收音机、电视机、计算机、手机MP3/MP4等，都用到了半导体器件，下面我们一起来学习常用的半导体器件中的二极管及其应用。•【PN结】人们按照物质导电性能，通常将各种材料分为导体、绝缘体和半导体三大类。导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，例如硅(Si)、锗(Ge)等都是半导体。纯净的不含任何杂质的半导体叫做本征半导体，它其中有两种等量的导电粒子（即载流子）：电子和空穴。本征半导体的导电能力差，为增强导电性，通常在其中掺入某种微量元素。如果在本征半导体（如硅）中掺入微量三价元素（如硼），就形成P型半导体。P型半导体中空穴占多数，称为多数载流子，电子相对少，称为少数载流子。如果在本征半导体（如硅）中掺入微量五价元素（如磷），就形成N型半导体。N型半导体中电子占多数，称为多数载流子，空穴相对少，称为少数载流子。如果通过一定的生产工艺，将一块半导体的P型区和N型区结合在一起，则在它们的交界处就形成了一个具有单向导电性的薄层，称为PN结。以PN结为管芯，在P型区和N型区的两侧接上电极引线，就制成了半导体二极管，简称二极管。•利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，现在已研制出种类繁多、功能用途各异的二极管，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。1.1.1晶体二极管的结构及符号【二极管的结构】二极管是由一个PN结构成的，从P区引出的电极为二极管正极，N区引出的电极为二极管负极，用管壳封装起来即成二极管。根据管芯结构的不同，二极管可分为点接触型和面接触型，如图1-4所示。a）点接触型b)面接触型图1-4二极管常见结构点接触型二极管：PN结面积很小，极间电容很小，适用于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用作小电流整流。面接触型二极管：PN结面积大，极间电容也大，适用于较大电流的整流，而不宜用于高频电路中。【电路符号与实物图】二极管的电路符号如图1-5a）所示，用VD表示，。图中箭头所指方向是二极管正向电流方向，二极管有两个引脚，箭头的一边代表正极（或阳极），另一边代表负极（或阴极）。a）二极管电路符号b）二极管实物图图1-5二极管符号与实物图课堂实验一二极管单向导电性测试【实验目的】（1）了解二极管的导电特性。（2）会肉眼识别实物图的二极管正极。（3）会画电路原理图。（1）识别二极管正负极，靠近银色色环的一端为负极。（2）按图1-6a）所示连接电路，即将二极管正极与电源高电位相接，二极管负极与电源低电位相接，即二极管两端加正向电压。观察指示灯的变化情况，将观察的现象记入表1-1。再按图1-6b）接电路，即将二极管两端对调，观察记录现象。【实验内容】（3）在图1-7中填入二极管的符号，使a）图灯亮。表1-1实验数据表【实验结论】二极管具有外加正向电压导通，外加反向电压截止的导电特性，即二极管具有单向导电性。1.1.2晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系，由此得到的曲线，称为二极管的伏安特性曲线，如图1-9所示（图中实线为硅二极管，虚线为锗二极管）。图1-9二极管伏安特性曲线【正向特性】二极管正极接高电位，负极接低电位，称为二极管正偏。二极管加正向电压时伏安特性分为正向死区和正向导通区。（1）正向死区：对应曲线OA段，此时所加正偏电压较小，流过二极管的电流很小，二极管仍处于截止状态。当加给二极管的正向电压增加到某一值时流过二极管的电流迅速增大，把这一正向电压的值称为死区电压压，用Uth表示。在常温下，硅管的Uth为0.5V，锗管的Uth为0.1V。（2）正向导通区：对应曲线AB段，当加给二极管的正向电压超过死区电压后，二极管完全导通，此时二极管电流变化范围很大，电压变化范围很小。一般硅管0.6～0.7V，锗管0.2～0.3V，称为导通电压，二极管充分导通时，可认为电压基本保持不变，统一取硅管的导通电压为0.7V,锗管的导通电压为0.3V。【反向特性】二极管正极接低电位，负极接高电位，称为二极管反偏。二极管加反偏电压时，伏安特性分为反向截止区和反向击穿区。（1）反向截止区：对应曲线的OC段，二极管处于截止状态。此时反向电流很小，且基本保持不变，称为二极管的反向饱和电流IR，其值随温度的升高而加大。（2）反向击穿区：对应曲线的CD段，当反向电压加大到某一值时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，该现象称为反向击穿，所加反向电压称为反向击穿电压UBR。稳压二极管就是利用该特性制成，但普通二极管不允许进入击穿区，因为普通二极管会因反向电流过大而损坏。1.1.3晶体二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM：最大整流电流IFM指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，使用中电流超过此值，管子会因过热而永久损坏。（2）最高反向工作电压URM：二极管正常工作时允许承受的最高反向电压，一般为反向击穿电压UBR的一半左右。（3）反向电流IRM：指二极管未击穿时的反向电流，其值愈小，则二极管的单向导电性愈好。（4）最高工作频率：最高工作频率指保证二极管正常工作的最高频率。否则会使二极管失去单向导电性。1.1.4其他特殊二极管下面介绍一些具有特殊功能的二极管，详见表1-2。表1-2特殊二极管【稳压二极管】稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触硅材料二极管，它具有稳定电压的功能，在稳压设备和一些电子电路中经常使用，故把这种类型的二极管称为稳压管。常用稳压二极管的外形与普通二极管相似，有塑料外壳、金属外壳等封装形式。它在反向击穿前的导电特性与普通二极管相似，在击穿电压下，只要限制其通过的电流就可以安全工作在反向击穿状态下，其管子两端电压基本保持不变，起到稳压的作用。如图1-12所示。图1-12稳压二极管伏安特性曲线【光敏二极管】光敏二极管又称为光电二极管，其PN结工作在反向偏置状态。目前使用最多的是硅（Si）光敏二极管。它常作为光电传感元器件，能把接收到得光转变成电流。光电二极管在光线照射下，管子的反向电流将随光照的强度的改变而改变，其顶端有能射入光线的窗口，光线可通过该窗口照射到管芯上。当制成大面积光电二极管时，可作为一种能源，称为光电池。【变容二极管】变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高值以适用。【发光二极管】发光二极管(简称LED)是一种光发射元器件，当发光二极管的PN结加上正向电压时，会产生发光现象。它是一种新型冷光源，具有功耗低、体积小、寿命长、工作可靠等特点，因此，常用来作为显示器。发光二极管的颜色主要取决于制造所用的材料。比较常见的有红色、绿色和红外光单色发光二极管，双向变色发光二极管、三色发光二极管等。其外形有圆形、方形、三角形及组合型。常见的发光二极管是红外发光二极管，它发出的是红外光，主要用在各种红外遥控器中作为遥控发射器件。a）交通灯b）数字显示器c）户外显示屏图1-14二极管用途技能训练一二极管的识别及检测【训练目标】1.识别二极管正负引脚。2.用万用表辅助判断二极管质量的好坏。【训练材料】1.二极管（2AP9，2CW104，2CZ11，1N4148，1N4007）若干。2.万用笔1只。【训练内容及步骤】1．二极管正负极引脚外观识别方法二极管实物上两个引脚的正、负极性是通过二极管外形标记来表示的。二极管外形标记有以下几种方法：a）负极用一条色环表示b)正极上标有一个色点c)外壳上印有二极管的电路符号d)两个引脚，较长的为正极，较短的为负极2．二极管实物引脚识别通过外形标记识别以下各支二极管引脚的正、负极，将结果记入表1-3。表1-3二极管识别表3．二极管极性及质量好坏的判别方法（1）万用表欧姆挡置于R×100或R×1K挡。（2）测任意两脚间的电阻。（3）交换红、黑表笔再测一次，如图1-17所示。（4）测量的电阻值较小时（为正向电阻），黑表笔所接的是二极管的正极，红表笔所接的是负极。（5）二极管质量判别见表1-4。表1-4二极管好坏判别表a)测正向电阻b)测反向电阻图1-17二极管的测量4.用万用表检测二极管质量的好坏与极性检测以下5只不同型号的二极管，将检测结果记入表1-5中。表1-5二极管检测表1.2整流电路及应用在一般的电子产品中，如手机、手电筒、MP3/MP4、小型扩音器等，通常使用电池供电。但在大量电器设备中，如日常生活中常用的电视机、手机充电器、家庭影院等，往往利用交流220V电转换成直流稳压电源来供电，如图1-18所示。a)电视机b）手机充电器c)家庭影院图1-18应用整流电路的常见家用电子设备1.2.1整流电路作用及工作原理直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等组成，其组成框图如图1-19所示。电源变压器：是将输入的交流220V或380V电压变换为所需的低压交流电；整流电路：是将低压交流电转换成脉动直流电；滤波电路：能减小电压的脉动，使输出电压平滑；稳压电路：能使输出的直流电压基本不受电网波动及负载变动的影响。整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换成直流电的电路。它在直流稳压电源中是不可缺少的一部分。图1-19直流稳压电源组成框图常见的几种整流电路有半波、桥式整流电路。1.2.2半波整流电路及元件选用【半波整流电路的结构】半波整流电路如图1-20所示。它是最简单的一种整流电路，通过电源变压器T将初级的单相交流电压U1所需要的次级电压U2，VD是整流二极管元件，RL是负载电阻。图1-20半波整流电路【半波整流电路的工作原理】半波整流电路的工作原理如图1-22a)所示。a）电路b)波形图图1-22半波整流电路工作原理（1）当电压U2为正半周时，二极管正向导通（理想情况下二极管的正向压降为零），负载电阻RL上的电压U0=U2，流过负载的电流I0=U0/RL。它们的波形如图1-22b）所示。（2）当电压U2为负半周时，二极管反向截止，此时U0=0，I0=0。因此，负载电阻RL上得到的是一个半波整流电压，该电压方向不变(极性不变)，但大小变化，我们称之为脉动直流电压。【半波整流电路的基本参数】（1）整流输出电压平均值（2）负载的电流（3）二极管的正向电流（4）二极管承受的反向峰值电压2o(AV)45.0UUL2Lo(AV)o(AV)45.0RURUIo(AV)D(AV)II2RM2UU综上分析，半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。半波整流电路的输出电压不到输入电压的一半，交流分量大，效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。【半波整流电路二极管的选用】当整流电路的变压器二次电压有效值和负载电阻值确定后，电路对二极管参数的要求也就确定了。一般应根据流过二极管电流和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。半波整流二极管应满足：额定电压URM不低于22U，额定电流IFM不低于负载电流I0。1.2.3桥式整流电路及元件选用为了克服半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用全波整流电路，最常用的全波整