項(xiàng)目6 二極管與整流濾波電路

1、項(xiàng)目項(xiàng)目6二極管與整流濾波電路二極管與整流濾波電路項(xiàng)目項(xiàng)目6二極管與整流濾波電路二極管與整流濾波電路1掌握二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2掌握二極管的伏安特性。掌握二極管的伏安特性。3分析整流電路及參數(shù)計(jì)算。分析整流電路及參數(shù)計(jì)算。4分析濾波電路及參數(shù)計(jì)算。分析濾波電路及參數(shù)計(jì)算。任務(wù)目標(biāo)任務(wù)目標(biāo)任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性很多半導(dǎo)體對(duì)光十分敏感很多半導(dǎo)體對(duì)光十分敏感半導(dǎo)體最顯著、最突出的半導(dǎo)體最顯著、最突出的特性特性摻雜特性摻雜特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還與溫半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還與溫度有著密切的關(guān)系度有著密切的

2、關(guān)系任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體圖圖6-16-1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：電子濃度空穴濃度。本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：電子濃度空穴濃度。缺點(diǎn)：載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)缺點(diǎn)：載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差。定性差。任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元在本征半導(dǎo)體中摻入

3、某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。制備雜質(zhì)半導(dǎo)體時(shí)一般按百萬分制備雜質(zhì)半導(dǎo)體時(shí)一般按百萬分之一數(shù)量級(jí)的比例在本征半導(dǎo)體之一數(shù)量級(jí)的比例在本征半導(dǎo)體中摻雜。中摻雜。任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率的影響非常大，本征半導(dǎo)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率的影響非常大，本征半導(dǎo)體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，

4、一般可分為體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，一般可分為N N型半型半導(dǎo)體和導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體圖圖6-2N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.1認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的特性6.1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體圖圖6-3P型半導(dǎo)體的形成型半導(dǎo)體的形成任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.1PN結(jié)的形成結(jié)的形成圖圖6-4濃度差使載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度差使載流子發(fā)生擴(kuò)散

5、運(yùn)動(dòng)任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.1PN結(jié)的形成結(jié)的形成圖圖6-5內(nèi)電場(chǎng)的形成內(nèi)電場(chǎng)的形成任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦詧D圖6-6PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦匀蝿?wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.3PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性圖圖6-7PN結(jié)的伏安特性曲線結(jié)的伏安特性曲線任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析

6、PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.4PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性當(dāng)當(dāng)PN結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值結(jié)上加的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為時(shí)，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。結(jié)的反向擊穿。PN結(jié)出現(xiàn)擊穿時(shí)的反向電壓稱為反向擊穿結(jié)出現(xiàn)擊穿時(shí)的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用電壓，用VB表示。反向擊穿可分為雪崩擊表示。反向擊穿可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩類。穿和齊納擊穿兩類。任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)圖圖6-8勢(shì)壘電容示意圖勢(shì)壘電容示意圖(

7、1) 勢(shì)壘勢(shì)壘電容電容CB任務(wù)任務(wù)6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)6.1.2分析分析PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性6.1.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)圖圖6-9擴(kuò)散勢(shì)壘電容示意圖擴(kuò)散勢(shì)壘電容示意圖(2) 擴(kuò)散擴(kuò)散電容電容CD任務(wù)任務(wù)6.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管6.2.1認(rèn)識(shí)二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類認(rèn)識(shí)二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類(1) 二極管結(jié)構(gòu)。二極管結(jié)構(gòu)。晶體二極管為一個(gè)由晶體二極管為一個(gè)由P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型型半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其界面處兩側(cè)結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于當(dāng)不存在外加電

8、壓時(shí)，由于PN結(jié)兩結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)。任務(wù)任務(wù)6.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管6.2.1認(rèn)識(shí)二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類認(rèn)識(shí)二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類(2) 二極管的類型。二極管的類型。1) 整流二極管。整流二極管。2) 開關(guān)元件。開關(guān)元件。3) 限幅元件。限幅元件。5) 檢波二極管。檢波二極管。4) 繼流二極管。繼流二極管。6) 變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管。任務(wù)任務(wù)6.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管6.2.2分析二極管的伏安特性分析二極管的伏安特性圖圖6-10二極管的伏安特性二極管

9、的伏安特性任務(wù)任務(wù)6.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管6.2.2分析二極管的伏安特性分析二極管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿特性反向擊穿特性溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管伏安特性的影響任務(wù)任務(wù)6.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管6.2.2分析二極管的伏安特性分析二極管的伏安特性二極管的伏安二極管的伏安特性特點(diǎn)特性特點(diǎn)(3) 二極管的伏安二極管的伏安特性與溫度有關(guān)。特性與溫度有關(guān)。(2) 二極管的伏安二極管的伏安特性具有非線性。特性具有非線性。(1) 二極管具有二極管具有單向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴Ｈ蝿?wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.1分析整流電路及參數(shù)計(jì)算分析整流電路

10、及參數(shù)計(jì)算利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娹D(zhuǎn)化為直流電的利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的電路，稱為整流電路。電路，稱為整流電路。三相半波三相半波單相全波單相全波橋式整流電路橋式整流電路任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.1分析整流電路及參數(shù)計(jì)算分析整流電路及參數(shù)計(jì)算圖圖6-11單相橋式整流電路及波形單相橋式整流電路及波形任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.1分析整流電路及參數(shù)計(jì)算分析整流電路及參數(shù)計(jì)算整流過程如下整流過程如下當(dāng)當(dāng)u2為正半周時(shí)，即為正半周時(shí)，即a端為正，端為正，b端為負(fù)。這時(shí)端為負(fù)。這時(shí)VD1、VD3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2、VD4截止，電流

11、的通路是截止，電流的通路是aVD1RLVD3b，如圖中實(shí)線箭頭所示。，如圖中實(shí)線箭頭所示。當(dāng)當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，為負(fù)半周時(shí)，VD2、VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1、VD3截止，電截止，電流的通路是流的通路是bVD2RLVD4a，如圖中虛線箭頭所，如圖中虛線箭頭所示。示。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.2分析濾波電路分析濾波電路圖圖6-12波形關(guān)系圖波形關(guān)系圖任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.2分析濾波電路分析濾波電路圖圖6-13橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.1分析整流電路及參數(shù)計(jì)算分析整流電路及參數(shù)計(jì)算圖圖6

12、-14電容濾波電路輸出電壓波形圖電容濾波電路輸出電壓波形圖任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖圖6-15穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖圖6-16穩(wěn)壓二極管符號(hào)及伏安特性穩(wěn)壓二極管符號(hào)及伏安特性任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ，穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時(shí)，穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時(shí)，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓值。這個(gè)數(shù)值隨工作電流和溫穩(wěn)壓二極管兩端

13、的電壓值。這個(gè)數(shù)值隨工作電流和溫度的不同略有改變。穩(wěn)壓管，即使是同一型號(hào)的穩(wěn)壓度的不同略有改變。穩(wěn)壓管，即使是同一型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也有一定的分散性，例如二極管，穩(wěn)定電壓值也有一定的分散性，例如2CW14硅穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為硅穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為67.5V。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路耗散功率耗散功率PM反向電流通過穩(wěn)壓二極管的反向電流通過穩(wěn)壓二極管的PN結(jié)時(shí)，要產(chǎn)生一定的結(jié)時(shí)，要產(chǎn)生一定的功率損耗，功率損耗，PN結(jié)的溫度也將升高。根據(jù)允許的結(jié)的溫度也將升高。根據(jù)允許的PN結(jié)結(jié)工作溫度決定出管子的耗散功率。通常小功率管

14、約為工作溫度決定出管子的耗散功率。通常小功率管約為幾百毫瓦至幾瓦。幾百毫瓦至幾瓦。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最大耗散功率最大耗散功率P PZMZM穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)，條件。反向工作時(shí)，PN結(jié)的功率損耗為結(jié)的功率損耗為 ，由，由PZM和和VZ可以決定可以決定IZmax。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的反向電流；工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的反向電流；最小穩(wěn)定

15、電流最小穩(wěn)定電流Izmix穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時(shí)所需的最小反向電流；穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時(shí)所需的最小反向電流；最大穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流Izmax穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電流。穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電流。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻RZ其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。RZ越小，越小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性越陡。反映穩(wěn)壓管的擊穿特性越陡。RZ=VZ/IZ任務(wù)任務(wù)6.3整

16、流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)溫度的變化將使溫度的變化將使UZ改變，在穩(wěn)壓管中，當(dāng)改變，在穩(wěn)壓管中，當(dāng)|UZ|7V時(shí)，時(shí)，UZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)|UZ|4V時(shí)，時(shí)，UZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)當(dāng)4V|UZ|7V時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析

17、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖圖6-17穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路使用穩(wěn)壓管的注意事項(xiàng)：使用穩(wěn)壓管的注意事項(xiàng)：(1) 穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿狀態(tài)穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿狀態(tài)(利用正向特性穩(wěn)壓利用正向特性穩(wěn)壓除外除外)。(2) 穩(wěn)壓管工作時(shí)的電流應(yīng)在穩(wěn)定電流和允許的最大工穩(wěn)壓管工作時(shí)的電流應(yīng)在穩(wěn)定電流和允許的最大工作電流之間。為了使電流不超過反向擊穿電流，電路作電流之間。為了使電流不超過反向擊穿電流，電路中必須串接限流電阻。中必須串接限流電阻。(3) 穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各管穩(wěn)壓穩(wěn)壓管

18、可以串聯(lián)使用，串聯(lián)后的穩(wěn)壓值為各管穩(wěn)壓值之和，但不能并聯(lián)使用，以免因穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的差值之和，但不能并聯(lián)使用，以免因穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的差異造成各管電流分配不均勻，引起管子過載損壞。異造成各管電流分配不均勻，引起管子過載損壞。任務(wù)任務(wù)6.3整流和濾波電路整流和濾波電路6.3.3分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：(1) 當(dāng)負(fù)載電阻不變而交流電網(wǎng)電壓增加時(shí)，穩(wěn)壓過當(dāng)負(fù)載電阻不變而交流電網(wǎng)電壓增加時(shí)，穩(wěn)壓過程如下：程如下：UUoUZIZIRUR=RIRUo(2) 當(dāng)電網(wǎng)電壓不變而負(fù)載電阻當(dāng)電網(wǎng)電壓不變而負(fù)載電阻RL減小時(shí)，穩(wěn)壓過程減小時(shí)，穩(wěn)壓過程如下：如下：RLILIRURUZ(Uo)IZIRURUo任務(wù)任務(wù)6.4特殊二極管特殊二極管6.4.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，常簡(jiǎn)寫為把電能轉(zhuǎn)化成光能，