1半導(dǎo)體二極管及單相半波整流、濾波電路

課內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目操作分析單班級(jí)__08電工07電子―姓名—學(xué)號(hào)編制部門： 編制人： 編制日期:項(xiàng)目編號(hào)1項(xiàng)目名稱半導(dǎo)體二極管及單相半波整流、濾波電路訓(xùn)練對(duì)象課程名稱《電工電子技術(shù)》教材 《電工技術(shù)》 學(xué)時(shí)教材 《電子技術(shù)基礎(chǔ)》 學(xué)時(shí)試驗(yàn)?zāi)康闹R(shí)目標(biāo)：1、 了解半導(dǎo)體PN結(jié)的形成，掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?、 掌握二極管的伏安特性及其主要參數(shù)3、 熟悉單相半波整流、濾波電路的工作原理與參數(shù)計(jì)算技能目標(biāo)：1、 學(xué)會(huì)各種二極管的識(shí)別。2、 學(xué)會(huì)二極管性能好壞以及極性的測(cè)試。3、 學(xué)會(huì)用示波器觀察單相半波整流、濾波電路電壓波形并比較整波與濾波前后的波形一、儀器設(shè)備:模電實(shí)驗(yàn)箱、雙蹤示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、萬用表、串聯(lián)穩(wěn)壓集成穩(wěn)壓實(shí)驗(yàn)板、各種類型二極管若干二、 注意事項(xiàng)：1、 萬用表檔位的正確選擇和使用。2、 雙蹤示波器外接觸頭在電路中正確連接。3、 接線正確后才能通電測(cè)試。三、 試驗(yàn)原理和電路圖項(xiàng)目一、半導(dǎo)體二極管特性的試驗(yàn)V v（1）電路圖 目 kj \I/E土 EL-0-e土 EL?a）正偏導(dǎo)通 b）反偏截止（2） 操作步驟 圖3—2半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦宰屆拷M學(xué)生按照?qǐng)D3-2進(jìn)行接線觀察電路中燈亮與燈滅時(shí)二極管所加的電壓的情況，將結(jié)果填入表3-1中。（3） 試驗(yàn)結(jié)果表3—1二極管所加電壓的偏置情況燈的情況分析結(jié)果項(xiàng)目二：二極管極性的識(shí)別和性能的判斷（1） 試驗(yàn)內(nèi)容普通二極管借助萬用表的歐姆檔作簡(jiǎn)單判別。指針式萬用表正端（+）紅筆接表內(nèi)電池的負(fù)極，而負(fù)端（一）黑筆接表內(nèi)電池的正極。根據(jù)PN結(jié)正向?qū)娮柚敌?、反向截止電阻值大的原理來?jiǎn)單確定二極管好壞和極性。具體做法是：萬用表歐姆檔置“RX100”或“RX1K”處，將紅、黑兩表筆接觸二極管兩端，表頭有一指示：將紅、黑兩表筆反過來再次接觸二極管兩端，表頭又將有一指示。若兩次指示的阻值相差很大，說明該二極管單向?qū)щ娦院茫⑶易柚荡螅◣装偾W以上）的那次紅筆所接為二極管陽極；若兩次指示的阻值相差很小，說明該二極管已失去單向?qū)щ娦裕蝗魞纱沃甘镜淖柚稻艽?，說明該二極管已經(jīng)開路。發(fā)光二極管發(fā)光二極管通常是用砷化鎵、磷化鎵等制成的一種新型器件。它具有工作電壓低、耗電少、響應(yīng)速度快、抗沖擊、耐振動(dòng)、性能好以及輕而小的特點(diǎn)。發(fā)光二極管和普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦裕驅(qū)〞r(shí)才能發(fā)光。發(fā)光二極管發(fā)光顏色有多種，例如紅、綠、黃等，形狀有圓型和長(zhǎng)方形等。發(fā)光二極管在出廠時(shí)，一根引線做得比另一根引線長(zhǎng)，通常，較長(zhǎng)引線表示陽極（+），另一根為陰極（一）。發(fā)光二極管正向工作電壓一般在1.5V?3V，允許通過的電流為2-20mA，電流的大小決定發(fā)光的亮度。電壓、電流的大小依器件型號(hào)不同而稍有差異。若與TTL組件相連接使用時(shí)，一般需串接一個(gè)470歐的降壓電阻，以防止器件的損壞。（2） 操作步驟拿出普通二極管，使用萬用表的RX1K檔先測(cè)一下它的電阻，然后再反過來測(cè)一下它的電阻值，判斷出你拿到的二極管正偏電阻是多少？反偏電阻是多少？并填入表3—2中拿出發(fā)光二極管，使用萬用表的RX1K檔先測(cè)一下它的電阻，然后再反過來測(cè)一下它的電阻值，判斷出你拿到的二極管正偏電阻是多少？反偏電阻是多少？并填入表3—2中根據(jù)正偏電阻和反偏電阻來判斷這個(gè)二極管的好壞。（3） 試驗(yàn)結(jié)果

表3—2普通二極管發(fā)光二極管正偏電阻(Q)反偏電阻(Q)項(xiàng)目三：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐?1)電路圖：操作步驟選擇U「9V,f=1KHZ,Rl=510Q。按項(xiàng)目三電路圖接線，并檢查接線是否正確打開電源，用示波器同時(shí)觀察U2和uo的波形，并記錄表3—3中試驗(yàn)結(jié)果表3—3U2波形Uo波形項(xiàng)目四：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ鳛V波電路圖(1)電路圖：(2)操作步驟選擇U「9V,f=1KHZ,Rl=510Q,C=100uf、470uf。在原項(xiàng)目三的電路基礎(chǔ)上再在負(fù)載上并上一個(gè)電容(如項(xiàng)目三電路圖所示)，C分別等于100uf和470uf。打開電源，用示波器分別觀察C=100uf、470uf時(shí)uo的波形，并記錄表3—4中(3)試驗(yàn)結(jié)果表3—4C=100uf時(shí)Uo的波形C=470uf時(shí)U。的波形四、結(jié)果與分析⑴項(xiàng)目一：半導(dǎo)體二極管特性的試驗(yàn)經(jīng)過試驗(yàn)可得出半導(dǎo)體二極管具有什么特性?⑵項(xiàng)目二：二極管極性的識(shí)別和性能的判斷根據(jù)兩次測(cè)得的阻值判斷出二極管的正偏電阻和反偏電阻，根據(jù)兩次測(cè)得電阻值來判斷二極管性能的好壞。普通二極管：發(fā)光二極管：⑶項(xiàng)目三：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐犯鶕?jù)表3—2中U2和Uo波形進(jìn)行比較分析U2和Uo的關(guān)系式為：⑷項(xiàng)目四：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ鳛V波電路根據(jù)表3—2中Uo波形，表3—3中C=100uf時(shí)的Uo波形和C=470uf時(shí)的U。波形進(jìn)行比較分析，回答下列問題：與項(xiàng)目三相比較，項(xiàng)目四中多了一個(gè)電容C，請(qǐng)問該電容有什么樣的作用呢？在C=100uf時(shí)，其余不變，用示波器觀察uo波形，與項(xiàng)目三中的uo波形相比較后進(jìn)行原因分析。②在C=470uf，其余不變，用示波器觀察uo波形，與C=100uf時(shí)的uo波形相比較后進(jìn)行原因分析。④試寫出U2和uo的關(guān)系式。五、評(píng)分1、操作規(guī)范(40%)2、試驗(yàn)結(jié)果(30%)總分:3、問題分析(30%)課題1:半導(dǎo)體二極管及單相半波整流、濾波電路課型：講練結(jié)合教學(xué)目的：知識(shí)目標(biāo)：1、 了解半導(dǎo)體PN結(jié)的形成，掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?、 掌握二極管的伏安特性及其主要參數(shù)3、 掌握單相半波整流、濾波電路的工作原理與參數(shù)計(jì)算技能目標(biāo)：1、 學(xué)會(huì)各種二極管的認(rèn)知。2、 學(xué)會(huì)二極管性能好壞以及極性的測(cè)試。3、 學(xué)會(huì)用示波器觀察單相半波整流、濾波電路電壓波形并比較整流與濾波前后的波形教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：重點(diǎn)：1、二極管的伏安特性2、單相半波整流、濾波電路的工作原理與參數(shù)計(jì)算難點(diǎn)：理解單相半波整流、濾波電路的工作原理復(fù)習(xí)與提問：1、自然界中按物質(zhì)的導(dǎo)電能力分，可分為哪幾類？教學(xué)過程：引子：前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了《電工技術(shù)》直流電路和交流電路的知識(shí)，是我們對(duì)各種電路進(jìn)行分析的的基礎(chǔ)知識(shí)。那么從今天開始我們要涉及電子線路方面的知識(shí)。我們會(huì)看到電腦主板上有很多小的元器件，那么它們是什么呢？具體有什么作用呢？這些元件主要是半導(dǎo)體元件，是電子線路的核心元件，只有掌握半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)、性能、工作原理和特點(diǎn)，才能正確分析電子電路工作原理、才能正確選擇和合理使用半導(dǎo)體元件。那么半導(dǎo)體器件都有哪些呢?讓每組學(xué)生拿出各種類型的半導(dǎo)體二極管進(jìn)行認(rèn)識(shí)?？赐旰筇岢鰡栴}：半導(dǎo)體二極管有什么特性呢？它的結(jié)構(gòu)是如何形成的呢？（引出今天的課題）一、半導(dǎo)體二極管由試驗(yàn)項(xiàng)目一分析可得：如圖3—2a所示，二極管的正極接電源的正端，二極管的負(fù)極接電源的負(fù)端（這種接法稱二極管外加正偏電壓），可以觀察到此時(shí)燈亮。如果二極管換一個(gè)方向連接，如圖3—2b所示，可以觀察到此時(shí)燈不亮，可見半導(dǎo)體二極管只讓一個(gè)方向的電流流過。得出結(jié)論：半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?、 半導(dǎo)體二極管的特性：半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ?、 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)⑴、二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管也具有單向?qū)щ娦?。⑵、符?hào) 爵鄰W （b）二板宜的繡構(gòu)和符號(hào)問：那么什么叫PN結(jié)呢？它是如何形成的呢？接下去我們來看一下半導(dǎo)體的分類和特性。⑶、PN結(jié)的形成和特性常用半導(dǎo)體的材料：硅和錯(cuò)本征半導(dǎo)體的特性：完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴的數(shù)量是相同的。溫度越高，電子空穴對(duì)越多。電子空穴對(duì)的熱運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的，就整體而言，對(duì)外不顯電性。只有在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴運(yùn)動(dòng)才具有方向性。N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的5價(jià)元素，如磷（P）、砷（As），它與周圍4個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)多余一個(gè)電子。這個(gè)電子不受共價(jià)鍵的束縛，而只受自身原子核的吸引。這種束縛力比較微弱，在室溫下即可成為自由電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（電子型）。N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（B），當(dāng)它和周圍的硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，由于缺少一個(gè)電子而形成空穴，這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴型）。p型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)p型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子注：N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體對(duì)外都不顯電性。PN結(jié)的形成形成：如果把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就形成了PN結(jié)。由于交界兩側(cè)半導(dǎo)體類型不同，存在電子和空穴的濃度差，這樣，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)電子和空穴相遇時(shí)，將發(fā)生復(fù)合而消失。于是，在接觸面兩側(cè)就形成了一個(gè)不能移動(dòng)的正、負(fù)離子層。N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到電子產(chǎn)生負(fù)離子。通常這個(gè)正、負(fù)離子層，稱為PN結(jié)。

二報(bào)管的伏克律性3、半導(dǎo)體二極管的伏安特性⑴、伏安特性二報(bào)管的伏克律性①正向特性當(dāng)二極管承受正向電壓很低時(shí)，還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的阻擋作用，這一區(qū)段二極管正向電流If很小，稱為死區(qū)。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V,錯(cuò)材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓值時(shí)，外電場(chǎng)抵消了內(nèi)電場(chǎng)，正向電流if隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管正向?qū)▔航礥f，一般硅管Uf為0.7V,錯(cuò)管的Uf為0.3V。②反向特性當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏電流Ir極小，一般硅管的Ir為微安以下，錯(cuò)管較大，幾十到幾百微安，這是反向截止特性。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時(shí)，反向電流將隨反向電壓增加急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿.除穩(wěn)壓二極管外，反向擊穿都將使二極管損壞。4、半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF超過If二極管的PN結(jié)將過熱而燒斷。最高反向工作電壓urm.:是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓。二極管一旦過壓擊穿損壞，就失去了單向?qū)щ娦浴Ｄ敲慈绾闻袛喽O管的好壞及它的極性呢？這就用到了我們上面剛剛講到的半導(dǎo)體二極管的伏安特性。我們知道二極管在正向?qū)〞r(shí)其電阻值很小，而在反向偏置時(shí)其電阻值很大。（理論上認(rèn)為一個(gè)是零，一個(gè)是無窮大。）那么我們就可以利用這一特性，用萬用表進(jìn)行測(cè)量。5、二極管極性的識(shí)別和性能的判斷使用萬用表的RX1K檔先測(cè)一下它的電阻，黑紅表筆分別搭在二極管的兩端，若阻值很小，說明黑表筆搭著的是正端。如果測(cè)的電阻不管表筆如何搭都是無窮，說明二極管已損壞。（進(jìn)行項(xiàng)目二的測(cè)試）6、不同用途的二極管按PN結(jié)的接觸面大小，二極管可分為點(diǎn)接觸型和面接型。按制造所用的半導(dǎo)體材料，二極管可分為硅管和錯(cuò)管。按不同的用途，二極管可分為普通管、光電管、檢波管、整流管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管等。今天我們主要講解整流二極管的整流作用，那么它是如何實(shí)現(xiàn)整流的呢？整流后的效果又是怎么樣的呢？接下去我們來學(xué)習(xí)單相半波整流電路的特性。二、單相半波整流、濾波電路1、單相半波整流電路⑴電路圖a）半波整流電路圖3—4單相半波整流電路：從圖3—4a可以看出單相半波整流電路由變壓器、整流二極管和負(fù)載三部分組成。（進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目三）從試驗(yàn)結(jié)果我們看出正弦波的下半波被截了，只剩下上半個(gè)波形，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢?我們具體來分析下它的原理.⑵工作原理由課內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目三得出工作原理為：①u2正半周（即A端為正，B端為負(fù)）時(shí)，二極管V正偏導(dǎo)通，導(dǎo)電路徑為：A端一V-Rl-B端，有電流iL流過RL，產(chǎn)生電壓uL。若忽略變壓器線圈電阻和二極管正向電阻，則uL瞬時(shí)值就是u2，故uL的波形近似為u2的正半周波形.。

②當(dāng)U2負(fù)半周（即A端為負(fù)，B端為正）時(shí)，二極管V反偏截止，無電流流過RL，Rl上無電壓。因此，整流后再講解參數(shù)估算負(fù)載rl上得到的是半個(gè)正弦波，即是脈動(dòng)的直流電壓再講解參數(shù)估算負(fù)載rl上得到的是半個(gè)正弦波，即是脈動(dòng)的直流電壓UL。工作波形:2、單相半波整流濾波電路⑴電路圖（在單相半波整流電路的基礎(chǔ)上再在負(fù)載兩端并上一個(gè)電容）（進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目四）我們看到，在原來電路的上，并聯(lián)上一個(gè)電容,我們看到的半波就基本變成了一條直線,為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?我們來分析一下它的原理.⑵工作原理由試驗(yàn)項(xiàng)目四得出其工作原理當(dāng)U2正半周（即A端為正，B端為負(fù)）時(shí)，若U>Uc（電容器C兩端電壓），二極管V正偏導(dǎo)通，電容器C被充電，由于充電回路電阻很小，所以充電很快。當(dāng)3t=n/2時(shí)，U2過了峰值，電容器C兩端電壓也近似充至同2。生過了峰值就開始下降，而電容器C兩端電壓仍近似為應(yīng)2值，這時(shí)就出現(xiàn)Uc>U2現(xiàn)象，二極管V因反偏而截止，二極管V截止后，電容器C經(jīng)Rl放電。由于放電回路電阻較大，放電的速度很慢。當(dāng)U2負(fù)半周（即A端為負(fù)，B端為正）時(shí)，二極管V仍處于截止?fàn)顟B(tài)，電容器C繼續(xù)放電，端電壓UC=氣也逐漸下降。當(dāng)U的第二個(gè)周期的正半周來到時(shí)，C仍在放電，直到U2>Uc時(shí)，二極管V又因正偏而導(dǎo)通，電容器C又再次被充電。這樣不斷地重復(fù)第一周期的過程，負(fù)載上的電壓就會(huì)出現(xiàn)如圖所示的電路，與