晶體二極管和二極管整流電路

1、第 1 章 晶體二極管和二極管整流電路教學(xué)重點(diǎn)1了解半導(dǎo)體的基本知識(shí)：本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體；掌握pn結(jié)的基本特性。2理解半導(dǎo)體二極管的伏安特性和主要參數(shù)。3了解幾種常用的二極管：硅穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、光電二極管 等。4掌握單相半波、橋式全波整流電路的電路組成、工作原理與性能特點(diǎn)；了解電容 濾波電路的工作原理。5了解硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性及穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。教學(xué)難點(diǎn)1pn結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴?整流電路和濾波電路的工作原理。3硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過(guò)程。學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi)容學(xué)時(shí)1晶體二極管22晶體二極管整流電路23濾波器和穩(wěn)壓器34實(shí)驗(yàn)二 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的測(cè)繪25本章小結(jié)與習(xí)題6

2、本章總學(xué)時(shí)9晶體二極管1.1.1 晶體二極管的單向?qū)щ娞匦栽弘娮?(r)、電容 (c)、電感 (l)、變壓器 (t) 等 器件：晶體二極管、晶 體三極管等1晶體二極管(1) 外形如圖 所示，晶體二極管由密封的管體和兩條正、負(fù)電極引線所組成。管體外 殼的標(biāo)記通常表示正極。圖 1.1.1 晶體二極管的外形和符號(hào)(2) 圖形、文字符號(hào)如圖 所示，晶體二極管的圖形由三角 形和豎杠所組成。其中，三角形表示正極，豎杠表 示負(fù)極。 v 為晶體二極管的文字符號(hào)。2晶體二極管的單向?qū)щ娦詣?dòng)畫 晶體二極管的單向?qū)щ娦?1) 正極電位負(fù)極電位，二極管導(dǎo)通；(2) 正極電位負(fù)極電位，二極管截止。極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

3、即二極管正偏導(dǎo)通，反偏截止。這一導(dǎo)電特性稱為二h2 兩個(gè)指示燈，哪一個(gè)可能發(fā)光 例 圖所示電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān) s 閉合后， h1、解 由電路圖可知，開(kāi)關(guān) s 閉合后，只有二極管 v1正極電位高于負(fù)極電位，即處于正向?qū)顟B(tài)，所以h1指示燈發(fā)光。1.1.2 pn結(jié)二極管由半導(dǎo)體材料制成。動(dòng)畫 pn 結(jié)1半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種物質(zhì)。如硅（si） 或鍺 （ge）半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中，能夠運(yùn)載電荷的的粒子有兩種：自由電子：帶負(fù)電空穴：帶與自由電子等 量的正電均可運(yùn)載電荷 載流子載流子：在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)的自由電子和空穴，統(tǒng)稱載流子。如圖 1.1.4 所示。2本征半導(dǎo)體不加雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體

4、晶體。如本征硅或本征鍺。本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率低，為提高導(dǎo)電性能，需摻雜，圖 1.1.4 半導(dǎo)體的兩種載流形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。3雜質(zhì)半導(dǎo)體為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，在本征半導(dǎo)體 （4 價(jià) ）中摻入硼或磷等雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜的物質(zhì)不同，可分兩種：（1） p 型半導(dǎo)體：本征硅 （或鍺）中摻入少量硼元素 （3 價(jià)） 所形成的半導(dǎo)體，如 p型硅。其中，多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。（2） n 型半導(dǎo)體：本征硅 （或鍺） 中摻入少量磷元素 （5 價(jià)） 所 形成的半導(dǎo)體，如 n 型硅。其中，多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流 子為空穴。圖 1.1.5 pn 結(jié)結(jié)。4 pn結(jié)n型和 p 型半導(dǎo)體之間的特殊薄層

5、叫做pn結(jié)。pn結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的核心。如圖1.1.5 所示。pn結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。即：p 區(qū)接電源正極， n 區(qū)接電源負(fù)極， pn結(jié)導(dǎo)通；反之， pn結(jié)截止。晶體二極管之所以具有單向?qū)щ娦裕湓蚴莾?nèi) 部具有 pn結(jié)。其正、負(fù)極對(duì)應(yīng)于 pn結(jié)的 p型和 n 型 半導(dǎo)體，如圖 1.1.5 所示。1.1.3 二極管的伏安特性動(dòng)畫 二極管的伏安特性1定義二極管兩端的電壓和流過(guò)的電流之間的關(guān)系曲 線叫作二極管的伏安特性。2測(cè)試電路：如圖 1.1.6 所示。3伏安特性曲線：如圖 1.1.7 所示。圖 1.1.6 測(cè)試二極管伏安特性電4特點(diǎn)(1)正向特性正向電壓 vf 小于門坎電壓vt時(shí)，二極管v截

6、止，正向電流 i f =0；其中，門檻電壓 vt 00.52 vv(si)(ge) vfvt時(shí)，v 導(dǎo)通， i f急劇增大。導(dǎo)通后兩端電壓基本恒定： 導(dǎo)通電壓 von0.7v (si)0.3v (ge)圖 二極管伏安特性曲線結(jié)論：正偏時(shí)電阻小，具有非線性。(2) 反向特性反向電壓 vrvrm(反向擊穿電壓 )時(shí)，反向電流 i r很小，且近似為常數(shù)，稱為反向飽和電流。vrvrm時(shí)， i r劇增，此現(xiàn)象稱為反向電擊穿。對(duì)應(yīng)的電壓vrm稱為反向擊穿電壓。結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。1.1.4 二極管的簡(jiǎn)單測(cè)試圖 1.1.8 萬(wàn)用表檢測(cè)二極管用萬(wàn)用表檢測(cè)二極管如圖 所示。1判別正負(fù)極性萬(wàn)用 表

7、測(cè) 試條件 ： r 100r 1 k ；將紅、 黑表筆分別接二極管兩端。 所測(cè)電 時(shí)，黑表筆接觸處為正極，紅表筆接觸處為負(fù)極。2判別好壞 萬(wàn)用表測(cè)試條件： r 1 k 。(1) 若正反向電阻均為零，二極管短路；(2) 若正反向電阻非常大，二極管開(kāi)路。(3) 若正向電阻約幾千歐姆，反向電阻非常大，二極管正常。1.1.5 二極管的分類、型號(hào)和參數(shù)1分類(1) 按材料分：硅管、鍺管；(2) 按 pn結(jié)面積：點(diǎn)接觸型 ( 電流小，高頻應(yīng)用 ) 、面接觸型 ( 電流大，用于整流 ) ；例如利用單向?qū)щ娦园呀涣麟娮兂芍眻D 1.1.9 二極管圖形符號(hào)流電的整流二極管；利用反向擊穿特性進(jìn)行 穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管；

8、利用反向偏壓改變 pn 結(jié)電容量的變?nèi)荻O管；利用磷化鎵把電能 轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光二極管；將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號(hào)的光電二極管。2型號(hào)舉例如下整流二極管 2cz82b穩(wěn)壓二極管 2cw50變?nèi)荻O管 2ac1等等。3主要參數(shù)(1) 普通整流二極管 最大整流電流 i fm：二極管允許通過(guò)的最大正向工作電流平均值。 最高反向工作電壓 vrm：二極管允許承受的反向工作電壓峰值。 反向漏電流 i r：規(guī)定的反向電壓和環(huán)境溫度下，二極管反向電流值。(2) 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓 vz、穩(wěn)定電流 i z、最大工作電流 i zm、最大耗散功率 pzm、動(dòng)態(tài)電阻 rz等。晶體二極管整流電路整流：把交流電變成

9、直流電的過(guò)程。二極管單相整流電路：把單相交流電變成直流電的電路。整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔涣麟娮兂擅}動(dòng)的直流電。半波整流單相整流電路種類全波整流變壓器中心抽頭式橋式倍壓整流1.2.1 單相半波整流電路動(dòng)畫 單相半波整流電路1 電路如圖 1.2.1(a) 所示。v：整流二極管，把交流電變成脈動(dòng)直流電；t：電源變壓器，把 v1 變成整流電路所需的電壓 v2。 2 工作原理設(shè) v2 為正弦波，波形如圖 1.2.1(b) 所示。(1) v2 正半周時(shí)， a點(diǎn)電位高于 b點(diǎn)電位，二極管 v 正偏導(dǎo)通，則 vlv2；(2) v2 負(fù)半周時(shí)， a點(diǎn)電位低于 b點(diǎn)電位，二極管 v圖 1.2.1

10、單相半波整流電路反偏截止，則 vl。由波形可見(jiàn)， v2 一周期內(nèi)，負(fù)載只有單方向的半個(gè)波形， 這種大小波動(dòng)、方向不變的電壓或電流稱為脈動(dòng)直流電。上述 過(guò)程說(shuō)明， 利用二極管單向?qū)щ娦钥砂呀涣麟?v2 變成脈動(dòng)直流 電 vl。由于電路僅利用 v2 的半個(gè)波形，故稱為半波整流電路。3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流圖 1.2.2 變壓器中心抽頭式全波整流電路(1.2.1)(2) 負(fù)載電流vl 0.45v2 ill rlrl(3) 二極管正向電流和負(fù)載電流(1.2.2)il0.45v2rl(1.2.3)(4) 二極管反向峰值電壓vrm2v2 1.41v2(1.2.4)選管條件：(1) 二極管允許的最大

11、反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓；(2) 二極管允許的最大整流電流應(yīng)大于流過(guò)二極管的實(shí)際工作電流。電路缺點(diǎn)：電源利用率低，紋波成分大。解決辦法：全波整流。1.2.2 單相全波整流電路全波整流變壓器中心抽頭式橋式、變壓器中心抽頭式單相全波整流電路1電路圖變壓器中心抽頭式單相全波整流電路如圖 所示。 v1、v2 為性能相同的整流二極 管； t為電源變壓器，作用是產(chǎn)生大小相等而相位相反的v2a和 v2b。2工作原理圖 1.2.3 橋式整流電路(1) v1正半周時(shí)， t 次級(jí) a點(diǎn)電位高于 b點(diǎn)電位，在 v2a作用下， v1導(dǎo)通(v2截止)，i v1自上而下流過(guò) rl；v2b的作用下， v2導(dǎo)通 (v

12、1截止) ， i v2自上而下流過(guò) rl；可見(jiàn)，在 v1一周期內(nèi)，流過(guò)二極管的電流i v1、 i v2疊加形成全波脈動(dòng)直流電流 i l，是 rl 兩端產(chǎn)生全波脈動(dòng)直流電壓vl。故電路稱為全波整流電路。3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負(fù)載電壓vl 0.9v2(1.2.5)vl0.9v2rlrl(1.2.6)(2) 負(fù)載電流圖 1.2.5 橋式整流電路工作波形圖v4為整流二極管，電路為橋式結(jié)構(gòu)。(3) 二極管的平均電流1iv 2 il (4) 二極管承受反向峰值電壓vrm 2 2v2 缺點(diǎn)：?jiǎn)喂艹惺艿姆聪蚍逯祲罕劝氩ㄕ鞲?倍，變壓器 t 需中心抽頭。二、單相橋式全波整流電路動(dòng)畫 橋式全波

13、整流電路1電路圖單相橋式全波整流電路如圖 所示。 v12工作原理(1) v2正半周時(shí)，如圖 所示， a點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位，則 v1、 v3導(dǎo)通(v2、v4截止 ) ，i 1自上而下流過(guò)負(fù)載 rl；(2) v2負(fù)半周時(shí)，如圖 所示， a點(diǎn)電位低于 b 點(diǎn)電位，則 v2、 v4導(dǎo)通(v1、v3截止 ) ，i 2自上而下流過(guò)負(fù)載 rl；由波形圖 可見(jiàn)， v2 一周期內(nèi)，兩組整流二極管輪流導(dǎo)通產(chǎn)生的單方向電流i 1 和i 2 疊加形成了 i l。于是負(fù)載得到全波脈動(dòng)直流電壓 vl。3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負(fù)載電壓vl 0.9v2(2) 負(fù)載電流i vl 0.9v2il rl rl(

14、3) 二極管的平均電流iv 1 il2(4) 如圖 所示，二極管承受反向峰值電壓為vrm2v2優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高，紋波小， vrm較低，應(yīng)用廣泛。橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法如圖圖 橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法所示。圖 橋式整流二極管承受的反向峰值電壓例1.2.1 有一直流負(fù)載，需要直流電壓 vl60 v，直流電流 i l4 a。若采用橋式整流電路，求電源變壓器次級(jí)電壓v2，并選擇整流二極管。解 因?yàn)?vl0.9v2所以 v2vl60v66.7vl 2 20.90.9流過(guò)二極管的平均電流11i vi l4a 2a22二極管承受的反向峰值電壓vrm2v2 1.41 66.7 94v查晶體管手冊(cè)， 可選用整流電流為

15、 3a，額定反向工作電壓為 100 v的整流二極管 2cz12a(3a/100v) 四只。圖 1.2.8 半橋和全橋整流整流元件組合件稱為整流堆，常見(jiàn)的有半橋2cq型，如圖 1.2.8(a) 所示；全橋 ql 型，如圖所示。優(yōu)點(diǎn)：電路組成簡(jiǎn)單、可靠。濾波器和穩(wěn)壓器濾波器作用：濾除脈動(dòng)直流電中脈動(dòng)成分。種類：電容濾波器、電感濾波器、復(fù)式濾波器一、電容濾波器動(dòng)畫 電容濾波電路1電路特點(diǎn)：電容器與負(fù)載并聯(lián)。圖 1.3.1 電容濾波電路2工作原理利用電容器兩端電壓不能突變?cè)砥交敵鲭妷?。充電，波形如圖1.3.1(b)中 oa所示；在t1t 2 期間，因 v2vc，v反偏截止，電容c通過(guò)負(fù)載放電，波形

16、如圖1.3.1(b)中 ab所示；在t2t 3 期間，因 vcv2，v正偏導(dǎo)通，電容在 0 t 1期間，因 v2的作用， v 正偏導(dǎo)通，電容 c再次充電，波形如圖 1.3.1(b) 中 bc。圖 1.3.2 電容濾波輸出波圖 1.3.3 帶電感濾波重復(fù)上述過(guò)程，可得近于平滑波形。這說(shuō)明，通過(guò)電容的 充放電，輸出直流電壓中的脈動(dòng)成分大為減小。全波整流電容濾波輸出波形如圖 所示。工作原理與半波整流電路相同，不同點(diǎn)是：v2 正、負(fù)半周內(nèi)， v1、 v2輪流導(dǎo)通，對(duì)電容 c充電兩次，縮短了電容 c 向負(fù) 載的放電時(shí)間，從而使輸出電壓更加平滑。輸出電壓的估算公式為vl應(yīng)用：小功率電源。二、電感濾波器1電

17、路電感濾波器如圖 所示。特點(diǎn)：電感與負(fù)載串聯(lián)。2工作原理利用流過(guò)電感電流不能突變?cè)砥交敵鲭娏?。?dāng)電路電流增加時(shí)，電感存儲(chǔ)能量；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放能量。使負(fù)載電流比較平滑，從而得到比較平滑的直流電壓。應(yīng)用：較大功率電源。缺點(diǎn)：體積大、重量大。三、復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電容與負(fù)載并聯(lián)，電感與負(fù)載串聯(lián)。 性能特點(diǎn)：濾波效果好。1 l型濾波器(1) 電路如圖 所示。(2) 原理：整流輸出的脈動(dòng)直流經(jīng)過(guò)電感l(wèi)，交流成分被削弱，再經(jīng)過(guò)電容 c 濾波，就可在負(fù)載上獲得更加平滑的直流電壓。(3) 應(yīng)用：較大功率電源中。圖 1.3.4 帶 l 型濾波器的橋式整流電路圖 型濾波器橋式整流電路2型濾波器(1)

18、 電路如圖 所示。(2) 原理：整流輸出的脈動(dòng)直流經(jīng)過(guò)電容 c1濾波后，再經(jīng)電感 l 和電容 c2濾波，使脈 動(dòng)成分大大降低，在負(fù)載上可獲得平滑的直流電壓。(3) 應(yīng)用：小功率電源中。1.3.2 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)如圖 所示。濾波電路：將脈動(dòng)的直流電變成平滑的直流電。穩(wěn)壓電路：抑制電網(wǎng)電壓和整流電路負(fù)載的變化引起的輸出電壓變化，將平滑的直流電變成穩(wěn)定的直流電。1硅穩(wěn)壓二極管的特性(1) 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。(2) 當(dāng)工作電流 i z 滿足 i a i z i b條件時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓 vz 幾乎不變。2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓 vz 穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓。圖 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)(2) 穩(wěn)定電流 i z穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。(3) 最大穩(wěn)定電流 i zmax穩(wěn)壓管允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大反向電流。(4) 動(dòng) 態(tài)電 阻 rz穩(wěn)壓管兩端 電壓 變化量與電流變化量的比值，即rzvz/ i z。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理(1) 電路圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖 所示。 v為穩(wěn)壓管， 起電流調(diào)整作用； r 為限流電阻， 起電壓調(diào)整作用。(2) 電路的穩(wěn)壓過(guò)程：vo i z i r vr vo(3) 應(yīng)用：小功率場(chǎng)合。本章小結(jié)圖 硅穩(wěn)壓管整流穩(wěn)壓電路1半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴。n型半導(dǎo)體中電子是多