第-1-章-晶体二极管和二极管整流电路

第1章晶体二极管和二极管整流电路本章学习目标1.1晶体二极管1.2晶体二极管整流电路1.3滤波器和硅稳压管稳压电路本章小结本章学习目标1.理解半导体的基本常识，掌握PN结的单向导电性。2.熟悉晶体二极管的外形、图形符号、文字符号。3.掌握晶体二极管的伏安特性和参数，会用万用表检测二极管。4.理解整流的含义，清楚典型的整流电路类型，能分析其工作原理，能进行相应的计算。5.理解滤波的概念，能清楚整流滤波器件和常用的滤波方式，掌握滤波的电路形式，理解电容滤波及电感滤波的工作原理，了解选择滤波电容的选择要求。6.熟悉稳压二极管的工作特性和参数，理解硅稳压二极管稳压电路的工作原理。1.1晶体二极管1.1.1晶体二极管的单向导电特性1.1.2PN结1.1.3二极管的伏安特性1.1.4二极管的简单测试1.1.5二极管的分类、型号和参数工程应用1.1.1晶体二极管的单向导电特性(1)外形：由密封的管体和两条正、负电极引线所组成。管体外壳的标记通常表示正极。如图所示；(2)符号：三角形——正极，竖杠——负极，V——二极管的文字符号。体三极管等器件：晶体二极管、晶）等）、变压器（）、电感（）、电容（元件：电阻（电子元器件TLCR1．晶体二极管2．晶体二极管的单向导电性：动画PN结的单向导电性(1)正极电位＞负极电位，二极管导通；(2)正极电位＜负极电位，二极管截止。即二极管正偏导通，反偏截止。这一导电特性称为二极管的单向导电性。[例1.1.1]如图所示电路中，当开关S闭合后，H1、H2两个指示灯，哪一个可能发光？解由电路图可知，开关S闭合后，只有二极管V1正极电位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以H1指示灯发光。1.1.2PN结PN结的形成二极管由半导体材料制成。1．半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。如硅(Si)或锗(Ge)半导体。半导体中，能够运载电荷的的粒子有两种：自由电子：带负电空穴：带与自由电子等量的正电均可运载电荷——载流子载流子：在电场的作用下定向移动的自由电子和空穴，统称载流子，如图所示。半导体的两种载流子动画两种载流子2．本征半导体：不加杂质的纯净半导体晶体。如本征硅或本征锗。本征半导体电导率低，为提高导电性能，需掺杂，形成杂质半导体。3．杂质半导体：为了提高半导体的导电性能，在本征半导体(4价)中掺入硼或磷等杂质所形成的半导体。根据掺杂的物质不同，可分两种：(1)P型半导体：本征硅(或锗)中掺入少量硼元素(3价)所形成的半导体，如P型硅。多数载流子为空穴，少数载流子为电子。(2)N型半导体：在本征硅(或锗)中掺入少量磷元素(5价)所形成的半导体，如N型硅。其中，多数载流子为电子，少数载流子为空穴。将P型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一起，形成PN结。4．PN结：N型和P型半导体之间的特殊薄层称为PN结。PN结是各种半导体器件的核心。如图所示。PN结晶体二极管之所以具有单向导电性，其原因是内部具有一个PN结。其正、负极对应于PN结的P型和N型半导体。P区接电源正极，N区接电源负极，PN结导通；反之，PN结截止。PN结具有单向导电特性。即：动画PN结的形成1.1.3二极管的伏安特性测试二极管伏安特性电路1．定义：二极管两端的电压和流过的电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性。2．测试电路：如图所示。3．伏安特性曲线：如图所示。4．特点：)()(GeV0.2SiV5.0TV)()(导通电压GeV0.3SiV7.0onV结论：正偏时电阻小，具有非线性。导通后V两端电压基本恒定：②VF＞VT时，V导通，IF急剧增大。①正向电压VF小于门坎电压VT时，二极管V截止，正向电流IF=0；其中，门坎电压(1)正向特性(2)反向特性VR＞VRM时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压VRM称为反向击穿电压。反向电压VR＜VRM(反向击穿电压)时，反向电流IR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。1.1.4二极管的简单测试万用表检测二极管将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时，黑表笔接触处为正极，红表笔接触处为负极。1．判别正负极性用万用表检测二极管如图所示。万用表测试条件：R×100或R×1k挡；2．判别好坏万用表检测二极管万用表测试条件：R1k。(3)若正向电阻约几千欧，反向电阻非常大，二极管正常。(2)若正反向电阻非常大，二极管开路。(1)若正反向电阻均为零，二极管短路；1.1.5二极管的分类、型号和参数1．分类(1)按材料分：硅管、锗管(2)按PN结面积：点接触型(电流小，高频应用)、面接触型(电流大，用于整流)(3)按用途：如图所示。二极管图形符号①整流二极管：利用单向导电性把交流电变成直流电的二极管。②稳压二极管：利用反向击穿特性进行稳压的二极管。③发光二极管：利用磷化镓把电能转变成光能的二极管。④光电二极管：将光信号转变为电信号的二极管。⑤变容二极管：利用反向偏压改变PN结电容量的二极管2．型号举例如下：整流二极管——2CZ82B稳压二极管——2CW50变容二极管——2AC1等等。3．主要参数主要参数：稳定电压VZ、稳定电流IZ、最大工作电流IZM、最大耗散功率PZM、动态电阻rZ等。(2)稳压二极管③反向漏电流IR：规定的反向电压和环境温度下，二极管反向电流值。②最高反向工作电压VRM：二极管允许承受的反向工作电压峰值。①最大整流电流IFM：二极管允许通过的最大正向工作电流平均值。(1)普通整流二极管工程应用发光二极管和光电二极管的检测1.发光二极管的检测与普通二极管的检测方法基本相似，但由于发光二极管的正向导通电压一般在1.5V以上，故检测时必须用万用表的R10k挡，正向电阻小于50k，反相电阻大于200k时发光二极管为正常。2.由于光电二极管工作时应加反向电压，故检测时着重观察反向电阻在有无光照时的变化，用万用表的R1k挡，当有光照时，反向电阻小，无光照时，反向电阻大为正常，当无光照时电阻差别很小，表明光电二极管的质量不好。1.2晶体二极管整流电路1.2.1单相半波整流电路1.2.2单相桥式整流电路1.2晶体二极管整流电路整流：把交流电变成直流电的过程。整流原理：二极管的单向导电特性二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。半波整流桥式整流倍压整流单相整流电路种类1.2.1单相半波整流电路1．电路如图(a)所示V：整流二极管，把交流电变成脉动直流电；T：电源变压器，把v1变成整流电路所需的电压值v2。2.工作原理设v2为正弦波，波形如前页图(b)所示。(1)v2正半周时，A点电位高于B点电位，二极管V正偏导通，则vLv2；(2)v2负半周时，A点电位低于B点电位，二极管V反偏截止，则vL0。由波形可见，v2一周期内，负载只用单方向的半个波形，这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。上述过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电v2变成脉动直流电vL。由于电路仅利用v2的半个波形，故称为半波整流电路。3．负载和整流二极管上的电压和电流(1)负载电压VLVL=0.45V2(1.2.1)L2LLL45.0RVRVI(2)负载电流IL(1.2.2)L2LV45.0RVII(3)二极管正向电流IV和负载电流IZ(1.2.3)(4)二极管反向峰值电压VRM(1.2.4)22RM41.12VVV选管条件(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；(2)二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。电路缺点：电源利用率低，纹波成分大。解决办法：全波整流。1.2.2单相桥式整流电路1．电路如图V1~V4为整流二极管，电路为桥式结构(2)v2负半周时，如图(b)所示，A点电位低于B点电位，则V2、V4导通(V1、V3截止)，i2自上而下流过负载RL。桥式整流电路工作过程2．工作原理(1)v2正半周时，如图(a)所示，A点电位高于B点电位，则V1、V3导通(V2、V4截止)，i1自上而下流过负载RL；由波形图可见，v2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流i1和i2叠加形成了iL。于是负载得到全波脉动直流电压vL。桥式整流电路工作波形图3．负载和整流二极管上的电压和电流2L9.0VV(1)负载电压VL(1.2.9)L2LLL9.0RVRVI(2)负载电流IL(1.2.10)LV21II(3)二极管的平均电流IV(1.2.11)2RM2VV(4)二极管承受反向峰值电压VRM(1.2.12)优点：输出电压高，纹波小，VRM较低，应用广泛。4．桥式稳流电路的简化画法[例1.2.1]有一直流负载，需要直流电压VL=60V，直流电流IL=4A。若采用桥式整流电路，求电源变压器二次电压V2选择整流二极管。解因为VL=0.9V2所以V7.669.0V609.0L2VV流过二极管的平均电流A2A42121LVII二极管承受的反向峰值电压V947.6641.122RMVV查晶体管手册，可选用整流电流为3安培，额定反向工作电压为100V的整流二极管2CZ12A(3A/100V)4只。半桥和全桥整流堆整流元件组合件称为整流堆，常见的有：(1)半桥：2CQ型，如图(a)所示；(2)全桥：QL型，如图(b)所示。优点：电路组成简单、可靠。1.3滤波器和稳压器1.3.1滤波器1.3.2硅稳压二极管稳压电路1.3.1滤波器特点：电容器与负载并联。作用：滤除脉动直流电中脉动成分。种类：电容滤波器、电感滤波器、复式滤波器1．电路一、电容滤波器2．工作原理：利用电容器两端电压不能突变原理平滑输出电压。在0~t1期间，因v2的作用，V正偏导通，电容C充电，波形如图(b)中OA所示；在t1~t2期间，因v2vC，V反偏截止，电容C通过负载放电，波形如图(b)中AB所示；在t2~t3期间，因vCv2，V正偏导通，电容再次充电，波形如图(b)中BC。具有电容滤波器的半波整流电路重复上述过程，可得近于平滑波形。这说明，通过电容的充放电，输出直流电压中的脉动成分大为减小。全波整流电容滤波输出波形如图所示。工作原理与半波整流电路相同，不同点是：v2正、负半周内，V1、V2轮流导通，对电容C充电两次，缩短了电容C向负载的放电时间，从而使输出电压更加平滑。输出电压估算公式为VL1.2V2应用：小功率电源。全波整流电路电容滤波输出波形工程应用一、电容滤波的直流电压输出及整流管与滤波电容的选择电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择22V22V222V½IL1.2V2V2桥式整流电路ILV2V2半波整流电路通过的电流最大反向电压带负载时的电压(估算值)负载开路时的电压二极管的电压与电流整流电路的输出电压输入交流电压(有效值)整流电路的类型22V1．电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择2.滤波电容的选择电容的选择从电容耐压和容量两个方面考虑：(1)耐压：在电路中电容耐压值要大于负载开路时整流电路的输出电压。(2)电容容量：滤波电容器C的容量选择与电路中的负载电流IL有关，当负载电流加大后，要相应的增加电容量。表列出的数据供选用时参考滤波电容容量表输出电流IL/A210.5~10.1~0.50.05~0.140.05以下电容器容量C/F400020001000500200~500100注：此为全波整流电容滤波在VL=12~36V时的参考值。缺点：体积大、重量大。带电感滤波器二、电感滤波器1．电路特点：电感与负载串联2．工作原理利用流过电感电流不能突变原理平滑输出电流。当电路电流增加时，电感存储能量；当电流减小时，电感释放能量。使负载电流比较平滑，从而得到比较平滑的直流电压。应用：较大功率电源。三、复式滤波器(3)应用：较大功率电源中。结构特点：电容与负载并联，电感与负载串联。性能特点：滤波效果好。1．L型滤波器(1)电路：(2)原理：整流输出的脉动直流经过电感L，交流成分被削弱，再经过电容C滤波，就可在负载上获得更加平滑的直流电压。L型滤波器桥式整流电路2．型滤波器型滤波器桥式整流电路(3