模電第二章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

1第二章

半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路

2023/2/422.1半導(dǎo)體基本知識

2.2半導(dǎo)體二極管2.3整流電路2.4濾波電路2.5倍壓整流電路2.6應(yīng)用電路介紹2023/2/43半導(dǎo)體(semiconductor)器件是在20世紀(jì)50年代初發(fā)展起來的器件，由于具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、計(jì)算機(jī)及工控技術(shù)等眾多領(lǐng)域，被人們視為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。這一章的任務(wù)就是讓學(xué)習(xí)者在了解半導(dǎo)體的特殊性能、PN結(jié)(PN

junction)的形成及其單向?qū)щ娦缘幕A(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管這些半導(dǎo)體器件。通過對這些半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及特性參數(shù)等方面的剖析，掌握二極管、三極管等半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理；在技術(shù)能力上掌握正確測試半導(dǎo)體器件的好壞及極性的判別方法，并能看懂由這些半導(dǎo)體器件作為核心元件構(gòu)成的簡單電子線路圖，初步掌握一些EWB電路仿真技能。

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2.1

半導(dǎo)體基本知識

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但是卻能夠引起人們的極大興趣，這與半導(dǎo)體材料本身存在的一些獨(dú)特性能是分不開的。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力受各種因素影響：

1.熱敏特性溫度升高，大多數(shù)半導(dǎo)體的電阻率下降。由于半導(dǎo)體的電阻率對溫度特別靈敏，利用這種特性就可以做成各種熱敏元件。

2.光敏特性許多半導(dǎo)體受到光照輻射，電阻率下降。利用這種特性可制成各種光電元件。

3.摻雜特性在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的某種雜質(zhì)后，它的導(dǎo)電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。利用這種特性就可制成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管晶閘管、場效應(yīng)管等。2023/2/452.1.1

本征半導(dǎo)體在半導(dǎo)體物質(zhì)中，目前用得最多的材料是硅和鍺。在硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)中，最外層電子的數(shù)目都是4個(gè)，因此被成為四價(jià)元素，如圖2-1所示。

天然的硅和鍺材料是不能制成半導(dǎo)體器件的，必須經(jīng)過高度提純工藝將它們提煉成純凈的單晶體。單晶體的晶格結(jié)構(gòu)是完全對稱，原子排列得非常整齊，故常稱為晶體，就是我們所說的本征半導(dǎo)體其平面示意圖如圖2-2所示。

共價(jià)鍵圖2-1

圖2-2

2023/2/46當(dāng)溫度上升或受光照時(shí)，共價(jià)鍵中的一些價(jià)電子以熱運(yùn)動的形式不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價(jià)電子因獲得的能量較大，而掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)在原來的共價(jià)鍵的相應(yīng)位置上留下一個(gè)空位，叫空穴。如圖2-3所示。如圖所示的A處為空穴，B處為自由電子，顯然，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)殡娮印昭▽Α０言诠饣驘岬淖饔孟?，本征半?dǎo)體中產(chǎn)生電子—空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。在本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。

圖2-3

2023/2/472.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體

在四價(jià)元素晶體中摻入微量的五價(jià)元素，由于這種雜質(zhì)原子能放出電子，因此稱為“施主雜質(zhì)”。顯然摻入的雜質(zhì)越多，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能越好，這種摻雜所產(chǎn)生的自由電子濃度遠(yuǎn)大于本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子—空穴對的濃度，所以雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)超過本征半導(dǎo)體。

在四價(jià)晶體中摻入微量的三價(jià)元素，三價(jià)原子在與四價(jià)原子組成共價(jià)鍵時(shí)，因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空穴。由于這種雜質(zhì)原子能吸收電子，因此稱為“受主雜質(zhì)”。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，空穴為多子，自由電子為少子。因?yàn)檫@種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要依靠空穴，而空穴帶正電荷，所以稱其為P型半導(dǎo)體（P-typesemiconductor）或空穴型半導(dǎo)體。2.P型半導(dǎo)體2023/2/48需要指出的是：不論是N型還是P型半導(dǎo)體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但多出的載流子數(shù)目與雜質(zhì)離子所帶的電荷數(shù)目始終相平衡，即整塊雜質(zhì)半導(dǎo)體既沒有失去電子，也沒有得到電子，整個(gè)晶體仍然呈中性。

為突出雜質(zhì)半導(dǎo)體的主要特征，在畫P型或N型半導(dǎo)體時(shí)，常常只畫多子和離子成對出現(xiàn)，如圖2-4所示。一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1000倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將強(qiáng)上幾十萬倍。圖2-42023/2/492.1.3

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦栽陔娮蛹夹g(shù)中，PN結(jié)是一切半導(dǎo)體器件的“元概念”和技術(shù)起始點(diǎn)。1.PN結(jié)的形成半導(dǎo)體中有電子和空穴這兩種載流子，當(dāng)這些載流子作定向運(yùn)動時(shí)就形成電流。半導(dǎo)體中的載流子運(yùn)動有漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動兩種方式，相應(yīng)地也就有漂移電流和擴(kuò)散電流這兩種電流。

在PN結(jié)形成的過程中，多子的擴(kuò)散和少子的漂移既相互聯(lián)系、又相互矛盾。初始階段，擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢，隨后擴(kuò)散運(yùn)動的減弱顯然伴隨著漂移運(yùn)動的不斷加強(qiáng)。最后，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，將形成一個(gè)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這個(gè)相對穩(wěn)定的空間電荷區(qū)就叫做PN結(jié)。2023/2/410若在PN結(jié)兩端接上外加電源，也就是PN結(jié)被偏置了。由于偏置電壓的作用，動態(tài)平衡遭到破壞。PN結(jié)將顯示出其單向?qū)щ姷男阅?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，是?gòu)成半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。2.PN結(jié)的正向?qū)?/p>

正向偏置的意思是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。此時(shí)，外部電場的方向是從P區(qū)指向N區(qū)，顯然與內(nèi)電場的方向相反，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱。內(nèi)電場的削弱使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動得以增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（有多子的定向移動形成，即所謂常稱的電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場越強(qiáng)，正向電流越大，PN結(jié)對正向電流呈低電阻狀態(tài)，這種情況就稱為PN結(jié)正向?qū)āN結(jié)的正向?qū)ㄗ饔迷韴D如圖2-6所示。圖2-6

2023/2/4113.PN結(jié)的反向截止

反向偏置的意思是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。此時(shí)，外部電場的方向與內(nèi)電場的方向一致，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場繼續(xù)增強(qiáng)，造成多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行，同時(shí)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。但由于常溫下少數(shù)載流子恒定且數(shù)量不多，故反向電流極小，而電流小說明PN結(jié)的反向電阻很高，通常可以認(rèn)為反向偏置的PN結(jié)不導(dǎo)電，基本處于截止?fàn)顟B(tài)，這種情況就稱為PN結(jié)反向阻斷。PN結(jié)的反向阻斷作用原理圖如圖2-7所示。

當(dāng)外加的反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化。這是因?yàn)榉聪螂娏魇怯缮僮悠菩纬傻摹Ｖ灰獪囟炔话l(fā)生變化，少數(shù)載流子的濃度就不變，即使反向電壓在允許的范圍內(nèi)再增加再多，也無法使少子的數(shù)量增加，這時(shí)反向電流趨于恒定，因此反向電流又稱為反向飽和電流。

PN結(jié)的上述“正向?qū)?，反響阻斷”作用，說明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。圖2-7

2023/2/4122.1.4

PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結(jié)的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿。

反向擊穿又分為熱擊穿和電擊穿。熱擊穿由于電壓很高、電流很大，消耗在PN結(jié)上的功率相應(yīng)很大，極易使PN結(jié)過熱而燒毀，即熱擊穿過程不可逆。

電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿，對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓大于7V時(shí)為雪崩擊穿，小于4V時(shí)為齊納擊穿。在4V余7V之間，兩種擊穿都有。

雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊穿，兩者均屬于電擊穿。電擊穿過程通常是可逆過程，當(dāng)加在PN結(jié)兩端的反向電壓降低后，PN結(jié)仍可恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而不會造成永久損壞。

2023/2/4132.2

半導(dǎo)體二極管2.2.1二極管的結(jié)構(gòu)與類型

將ＰＮ結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，二極管有點(diǎn)接觸型和面接觸型、平面型等

。

1.點(diǎn)接觸型二極管特點(diǎn)是ＰＮ結(jié)面積小，不能通過較大電流，但高頻性能好。2.面接觸型二極管結(jié)面積較大，故可允許通過較大電流，但其工作頻率低。3.平面型二極管平面型二極管的質(zhì)量最好。平面型二極管結(jié)面積較小的適合作高頻管或高速開關(guān)，結(jié)面積較大的則作大功率調(diào)整管。2023/2/4142.2.2二極管的伏安特性二極管最主要的特性就是單向?qū)щ娦?，可以用伏安特性曲線來說明。所謂伏安特性曲線就是電壓與電流的關(guān)系曲線，如圖2-9所示。圖2-9

2023/2/4151.正向特性（forwardcharacteristics）當(dāng)二極管的正向電壓很小時(shí)，幾乎沒有電流通過二極管。正向電壓超過某數(shù)值后，才有正向電流流過二極管，這一電壓值稱為死區(qū)電壓。

2.反向特性（reversecharacteristics）當(dāng)二極管加上反向電壓時(shí)，只有極小的反向電流流過二極管。二極管的反向電流具有兩個(gè)特點(diǎn):第一個(gè)特點(diǎn)是它隨溫度上升而增長很快，另一個(gè)特點(diǎn)是只要外加的反向電壓在一定范圍之內(nèi)，反向電流基本不隨反向電壓變化。3.反向擊穿（reversebreakdown）特性當(dāng)反向電壓高到一定數(shù)值時(shí)，反向電流將突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕@種現(xiàn)象稱為電擊穿。如果二極管的反向電壓超過這個(gè)數(shù)值，而沒有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?，會因電流大，電壓高，將使管子過熱而造成永久性的損壞，這就是熱擊穿。

二極管的正向電壓大于死區(qū)電壓后，有較大的正向電流通過二極管，稱為二極管導(dǎo)通。2023/2/4164.溫度對特性的影響由于半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)，所以二極管的特性對溫度很敏感，溫度升高時(shí)二極管正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動，如圖2-10所示。變化的規(guī)律：在室溫附近，溫度每升高1℃，正向電壓減小2～2.5mV，即溫度系數(shù)約為-2.3mV/℃；溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。擊穿電壓也下降較多。圖2-10

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4）最高工作頻率

主要由ＰＮ結(jié)結(jié)電容的大小決定。信號頻率超過此值時(shí)，結(jié)電容的容抗變得很小，使二極管反偏時(shí)的等效阻抗變得很小，反向電流很大。于是，二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?）二極管使用注意事項(xiàng)①加在二極管上的電流、電壓、功率以及環(huán)境溫度等都不應(yīng)超過規(guī)范表所允許的極限值。②整流二極管不應(yīng)直接串聯(lián)或并聯(lián)使用。如需串聯(lián)，每個(gè)二極管應(yīng)并聯(lián)一個(gè)均壓電阻。若需并聯(lián)，每個(gè)二極管應(yīng)串聯(lián)均流電阻。

③二極管在容性負(fù)載線路中工作時(shí)，額定整流電流值應(yīng)降低20%使用。④二極管在三相線路中使用時(shí)，所加的交流電壓須比相應(yīng)的單相線路中降低15%。⑤在焊接二極管時(shí)最好用45W以下的電烙鐵進(jìn)行，并用鑷子夾住引線根部，以免燙壞管芯。⑥二極管的引線彎曲處應(yīng)大于外殼端面5mm，以免引線折斷或外殼破裂。⑦對于功率較大，需要附加散熱器時(shí)，應(yīng)按要求加裝散熱器并使之良好接觸。⑧在安裝時(shí)，二極管元件應(yīng)盡量避免靠近發(fā)熱元件。3.二極管的直流電阻和交流電阻1）直流電阻指加在二極管上的直流電壓與流過管子的直流電流之比，即與點(diǎn)有關(guān)。在工程計(jì)算中用處不大，但可用來說明二極管的單向?qū)щ娦缘暮脡模綍r(shí)用萬用表測出的就是直流電阻。圖2-11

2023/2/4193.二極管的直流電阻和交流電阻指在工作點(diǎn)附近，電壓變化量與電流之比2）交流電阻（動態(tài)電阻）

與工作點(diǎn)有關(guān)，通常正向交流電阻為幾歐至幾十歐。注意只能用來計(jì)算變化量。的近似公式：

(當(dāng)時(shí))圖2-11

2.2.4二極管的分析方法由二極管組成的電路是非線性電路，它的分析方法有：圖解分析法和模型分析法等。1.理想模型在電路中相當(dāng)于一個(gè)理想開關(guān)，如圖2-13a)的伏安特性曲線所示。只要二極管外加正向電壓稍大于零，它就導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；如圖b)所示。當(dāng)反偏時(shí)，二極管截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖c)所示。圖2-12理想模型

a)U-I特性

b)、c)符號及等效模型2023/2/4212.恒壓降模型該模型由理想二極管與電壓源串聯(lián)構(gòu)成，它與理想模型的區(qū)別，僅在于它的正向壓降不再認(rèn)為是零，而是接近實(shí)際工作的某一定值，且不隨電流而變。不過，這只有當(dāng)流經(jīng)二極管的電流近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。顯然，這種模型較理想模型更接近實(shí)際二極管。如圖b)所示。

圖2-13小信號模型

a)U-I特性

b)電路符號2023/2/4223.小信號模型如果只研究電壓微變量與電流微變量之間的關(guān)系時(shí)，我們可以用特性曲線在該固定值處的切線來近似代替這一小段曲線，如圖2-14a)所示，該切線的斜率的倒數(shù)，即為二極管在該固定值處的動態(tài)（微變）電阻。所以，可用來近似代替二極管，稱為二極管的小信號模型（或微變模型），如圖b)所示。圖2-14圖2-14小信號模型

2023/2/423例2-3：

已知圖2-17(a)所示電路中，,，，二極管為硅管，試流過二極管的電流。切記：采用交直流疊加原理圖2-14圖2-172023/2/424解：

首先令，利用二極管的恒壓源模型，求出二極管的直流工作電流二極管的動態(tài)電阻

再令，利用二極管的微變模型，求出流過二極管的交流電流

所以，流過二極管的電流2023/2/425解：

首先令，利用二極管的恒壓源模型，求出二極管的直流工作電流二極管的動態(tài)電阻

再令，利用二極管的微變模型，求出流過二極管的交流電流

所以，流過二極管的電流2023/2/4262.2.5特殊二極管介紹1.硅穩(wěn)壓二極管

硅穩(wěn)壓管又簡稱穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的面結(jié)合型硅半導(dǎo)體二極管，與普通二極管不同的是，穩(wěn)壓管的工作區(qū)域是反向齊納擊穿去，故而也稱為齊納二極管，圖符號如圖2-18a)所示。

穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管相似，如圖2-18b)所示，由于穩(wěn)壓二極管的反向擊穿可逆，因此工作時(shí)不會發(fā)生“熱擊穿”，圖示穩(wěn)壓管的反向擊穿區(qū)比較陡直，說明其反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。描述穩(wěn)壓管特性的主要參數(shù)為穩(wěn)定電壓值和最大穩(wěn)定電流。圖2-182023/2/427穩(wěn)定電壓：是指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的額定電壓值。由于半導(dǎo)體生產(chǎn)的離散性，手冊中的往往給出的是一個(gè)電壓范圍值。

最大穩(wěn)定電流：是穩(wěn)壓管的最大允許工作電流。在使用時(shí)，實(shí)際工作電流不得超過該值，超過此值時(shí)，穩(wěn)壓管將出現(xiàn)熱擊穿而損壞。

穩(wěn)定電流：是指工作電壓等于時(shí)的穩(wěn)定工作電流值。

耗散功率：參數(shù)簡介：是指反向電流通過穩(wěn)壓二極管的PN結(jié)時(shí)，會產(chǎn)生一定的功率損耗使PN結(jié)的結(jié)溫升高。是穩(wěn)壓管正常工作時(shí)能夠耗散的最大功率。

動態(tài)電阻：是指穩(wěn)定管端電壓變化量與相應(yīng)電流變化量之比。穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻越小，則反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好。

2023/2/4282.光電二極管光電二極管也是一種ＰＮ結(jié)型半導(dǎo)體元件，可將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，廣泛應(yīng)用于各種遙控系統(tǒng)、光電開關(guān)、光探測器，以及以光電轉(zhuǎn)換的各種自動控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器、特性識別、過程控制、激光接收等方面。在機(jī)電一體化時(shí)代，光電二極管已成為必不可少的電子元件。光電二極管的實(shí)物、符號及伏安特性如圖2-21所示。

光電二極管是一種光接收器件。它的管殼上有一個(gè)玻璃窗口以便接受光照，當(dāng)光線輻射于ＰＮ結(jié)時(shí)，提高了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。

圖2-212023/2/4293.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種光發(fā)射器件，能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，發(fā)明于20世紀(jì)60年代。與普通二極管一樣，發(fā)光二極管的管芯也是由PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管的實(shí)物、符號、伏安特性曲線如圖2-22所示。圖2-22發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低（1.6～2.2V）、工作電流小（幾mA～30mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定且亮度比較高、響應(yīng)速度快、壽命長以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電子設(shè)備的通斷指示燈或快速光源、光電耦合器中的發(fā)光元件、光學(xué)儀器的光源和數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件等領(lǐng)域。

2023/2/430隨著近年來發(fā)光二極管發(fā)光效能逐步提升，充分發(fā)揮發(fā)光二極管的照明潛力，將發(fā)光二極管作為發(fā)光光源的可能性也越來越高，發(fā)光二極管無疑為近幾年來最受重視的光源之一。一方面憑借其輕、薄、短、小的特性，另一方面借助其封裝類型的耐摔、耐震及特殊的發(fā)光光形，發(fā)光二極管的確給了人們一個(gè)很不一樣的光源選擇，但是在人們只考慮提升發(fā)光二極管發(fā)光效能的同時(shí)，如何充分利用發(fā)光二極管的特性來解決將其應(yīng)用在照明時(shí)可能會遇到的困難，目前已經(jīng)是各國照明廠家研制的目標(biāo)。有資料顯示，近年來科學(xué)家開發(fā)出用于照明的新型發(fā)光二極管燈泡。這種燈泡具有效率高、壽命長的特點(diǎn)，可連續(xù)使用10萬小時(shí)，比普通白熾燈泡長100倍。2023/2/4314.變?nèi)荻O管普通二極管由于存在結(jié)電容所以有電容效應(yīng)。二極管結(jié)電容大小除了與本身工藝有關(guān)還與外加電壓有關(guān)。當(dāng)反偏電壓增加，結(jié)電容就減小，變?nèi)荻O管是這種效應(yīng)顯著的二極管。圖2-23是它的符號和伏安特性曲線。圖2-23

由特性曲線可知，改變變?nèi)荻O管直流反偏電壓就可以達(dá)到改變電容量的目的。不同型號的管子其電容量最大值可能是5～300pF。最大電容與最小電容之比約5:1。變?nèi)荻O管可用于高頻電路，例如用作電視接收調(diào)諧回路中的可變電容器，用改變直流偏壓的方法來選擇頻道。

2023/2/432

2.3整流電路二極管具有單向?qū)щ娦?，因此可以利用二極管的這一特性組成整流電路，將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動電壓。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波、單相橋式電路。2.3.1單相半波整流電路

1.電路組成及工作原理設(shè)：

圖2-24

在的正半周二極管VD因正向偏置而導(dǎo)通，有電流流過二極管和負(fù)載。

在的負(fù)半周時(shí)，二極管反向偏置而截止，因此二極管電流和負(fù)載電流均為零。

此時(shí)，二極管兩端承受一個(gè)反向電壓，其值就是變壓器二次側(cè)電壓，即

2023/2/433圖2-25

2.負(fù)載上的直流電壓和電流的計(jì)算直流電壓是指一個(gè)周期內(nèi)脈動電壓的平均值。半波整流電路為

負(fù)載的電流平均值為圖2-25中畫出了整流電路中各處的波形圖。這種電路利用二極管的單向?qū)щ娦裕闺娫措妷旱陌雮€(gè)周期有電流通過負(fù)載，故稱為半波整流電路。半波整流在負(fù)載上得到的是單向脈動直流電壓和電流。2023/2/4343.二極管的選擇流經(jīng)二極管的電流與負(fù)載電流相等，故選用二極管要求其由圖2-26可見，二極管承受的最大反向電壓就是變壓器二次側(cè)交流電壓的最大值，即根據(jù)和計(jì)算值，查閱有關(guān)半導(dǎo)體器件手冊，選用合適的二極管型號使其定額接近或略大于計(jì)算值。

2023/2/4352.3.2單相全波整流電路

1.變壓器中心抽頭的全波整流電路

全波整流電路利用具有中心抽頭的變壓器與兩個(gè)二極管配合，使VD1、VD2在正半周和負(fù)半周內(nèi)輪流導(dǎo)電，而且二者流進(jìn)的電流保持同一方向，從而使正、負(fù)半周在負(fù)載上均有輸出電壓。當(dāng)?shù)臉O性為上正下負(fù)時(shí)（設(shè)正半周）VD1導(dǎo)通，VD2截止流過，在負(fù)載上得到的輸出電壓極性上正下負(fù)；當(dāng)?shù)臉O性為上負(fù)下正時(shí)，（設(shè)負(fù)半周）VD1截止，VD2導(dǎo)通，由圖可見，流過時(shí)產(chǎn)生的電壓極性與正半周時(shí)相同，因此在負(fù)載上可以得到一個(gè)單方向的脈動電壓。全波整流電路的波形見圖2-27

(1)電路組成及工作原理圖2-26

2023/2/436(2)負(fù)載上的直流電壓和電流的計(jì)算全波整流電路負(fù)載上得到的輸出電壓或電流的平均值是半波整流電路的兩倍圖2-27

(3)整流二極管的選擇流經(jīng)二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，故對選擇二極管要求其在正半周VD1導(dǎo)通，VD2截止，此時(shí)變壓器兩個(gè)二次側(cè)電壓全部加在二極管VD2的兩端，因此二極管承受的反向峰值電壓是的兩倍，即

2.單相橋式整流電路

(1)電路組成及工作原理

為了克服單向半波整流電路的缺點(diǎn)，可采用單向橋式整流電路，其由四個(gè)二極管接成電橋形式，因此而稱為橋式整流電路，圖2-29所示為橋式整流電路的幾種畫法。

圖2-29

2023/2/4382.單相橋式整流電路

在的正半周，VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止；在的負(fù)半周，VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止。這樣，在負(fù)載上得到的是一個(gè)全波整流電壓。四個(gè)二極管兩兩輪流導(dǎo)通，因此正、負(fù)半周內(nèi)都有電流流過

圖2-30

2023/2/439(2)負(fù)載上的直流電壓和電流的計(jì)算橋式整流電路的輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍，因此，橋式整流電路的輸出電壓平均值為

橋式整流電路中，由于每只二極管只導(dǎo)通半個(gè)周期，故每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，即在的正半周，VD1、VD3導(dǎo)通，將它們看做短路，這樣，VD2、VD4就并聯(lián)在兩端，承受的最大反向峰值電壓為(3)整流二極管的選擇

二極管的最大整流電流

二極管的最大反向電壓，按其截止時(shí)所承受的反向峰值電壓有

2023/2/440將單向橋式整流電路中的4個(gè)二極管集成在一起，就成為一個(gè)整流橋，整流橋的外形如圖所示。在電路連接時(shí)，整流橋的a、b兩個(gè)端子與交流輸入電壓相連接，c、d兩個(gè)端子與直流輸出電壓相連接，其中c端為正極性，d端為負(fù)極性。

2023/2/441整流電路小結(jié)1.單相半波整流電路輸出電壓的平均值負(fù)載的電流平均值二極管的電流二極管承受的最大反向電壓2023/2/4422.單相全波整流電路

輸出電壓的平均值負(fù)載的電流平均值二極管的電流二極管承受的最大反向電壓2023/2/4433.單相橋式整流電路負(fù)載的電流平均值二極管的電流二極管承受的最大反向電壓輸出電壓的平均值697頁泛讀應(yīng)用二：自動感應(yīng)節(jié)能燈電路自動感應(yīng)節(jié)能燈電路

2023/2/4492.4濾波電路2.4.1濾波的概念整流電路的輸出電壓是脈動的直流電壓，含有較大的諧波成分，不適合電子電路使用。為使其適用于電子電路，需要用低通濾波器將高頻成分濾除，使脈動直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。常用的低通濾波器一般由電容濾波器、電感濾波器和型濾波器等。利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。

脈動系數(shù)Ｓ為紋波因數(shù)γ為

脈動系數(shù)Ｓ便于理論計(jì)算，而紋波因數(shù)γ便于測量。

2023/2/450

2.4.2橋式整流電容濾波電路

在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)大電容即構(gòu)成一個(gè)包含濾波環(huán)節(jié)的橋式整流電路濾波電路，如圖2-31所示。圖2-31

2023/2/451根據(jù)以上分析可知，采用電容濾波后，有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1．負(fù)載電壓中的脈動成分降低了許多。2．負(fù)載電壓的平均值有所提高。在一定時(shí)濾波電容越大，越大。工程估算時(shí)可按下式進(jìn)行為使濾波效果良好，一般取時(shí)間常數(shù)的值大一些，通常選取

3.在含有電容濾波的橋式整流電路中，由于濾波電容C充電時(shí)的瞬時(shí)電流很大，形成了浪涌電流，浪涌電流極易損壞二極。因此，在選擇二極管時(shí)，必須留有足夠電流裕量。一般可按2～3倍的輸出電流來選擇二極管。

考慮電網(wǎng)電壓的波動，電容C的耐壓值可選為（1.5～2）U2（半波）

（全波）

2023/2/4522.4.3其他濾波電路1.橋式整流電感濾波電路

電感濾波的橋式整流電路一般適用于低電壓、大電流的負(fù)載電路，在整流電路與負(fù)載電路之間串接一個(gè)電感線圈L，就構(gòu)成一個(gè)含有電感濾波環(huán)節(jié)的橋式整流濾波電路，如圖2-33所示。

圖2-33頻率越高，電感的感抗值越大，對整流電路輸出電壓中的高頻成分壓降就越大，而全部直流分量和少量低頻成分降在負(fù)載電阻上，從而起到了濾波作用。頻率愈高電感愈大，濾波效果愈好。采用電感濾波后，延長了整流管的導(dǎo)通角，因此避免了過大的沖擊電流。在理想電感條件下，。2023/2/4532.型橋式整流濾波電路

上述電容濾波器和電感濾波器都屬于一階無源低通濾波器，濾波效果一般。若希望獲得更好的濾波效果，則應(yīng)采用二階無源低通濾波器，如圖2-34所示。圖2-34

圖(a)所示的是型LC濾波器的橋式整流濾波電路，由于電容對交流的阻抗很小，電感對交流的阻抗很大，因此，負(fù)載上諧波電壓很小；如果負(fù)載電流較小時(shí)，可采用如圖(b)所示的型RC濾波器的橋式整流濾波電路，但RC整流濾波電路由于其電阻要消耗功率，所以電源的損耗功率較大，致使其效率較低。2023/2/454

2.5倍壓整流電路倍壓整流的目的是:不僅要將交流電轉(zhuǎn)換成為直流電，而且要求在一定的變壓器二次側(cè)電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓。實(shí)現(xiàn)倍壓整流的方法，是利用二極管的整流和導(dǎo)引作用，將較低直流電壓分別存在多個(gè)電容器上，然后將它們按照相同的極性串接起來，從而得到較高的輸出直流電壓。所以倍壓整流電路的主要元件是二極管和電容器。

圖2-35是一種二倍壓整流電路。圖2-35

正半波來到時(shí)，a端為正，b為負(fù)，通過正向偏置的VD1對C1充電，VD2因反偏而截止。經(jīng)過幾個(gè)正半周期的充電后，C1兩端的電壓最終可充至接近的峰值，極性是左端為正,右端為負(fù)。

的負(fù)半波來到時(shí)，b端為正，a端為負(fù)，VD1因反偏而截止。此時(shí)與C1同極性串聯(lián)相加，使VD2導(dǎo)通，并對C2充電，由于負(fù)載電阻較大，可近似看開路。

因此，經(jīng)過幾個(gè)負(fù)半周的充電后，C2

兩端的電壓(即輸出電壓),為上負(fù)下正，其值為uC2=uO=U2m+uC1=2U2m。2023/2/4552.6應(yīng)用電路介紹應(yīng)用一：具有靜音功能的對講機(jī)電路圖2-36是具有靜音功能的對講機(jī)原理圖。圖2-36

當(dāng)使用者對著揚(yáng)聲器講話時(shí)，聲音壓強(qiáng)使揚(yáng)聲器的振膜前后振動，揚(yáng)聲器的線圈在揚(yáng)聲器磁鋼中切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此揚(yáng)聲器不但可以發(fā)出聲音，也可以當(dāng)話筒(傳聲器)使用。2023/2/456從圖2-36可以看出，SB1平時(shí)是置于上方觸點(diǎn)，也即主機(jī)方的揚(yáng)聲器被接到功率放大器的OUT端，而分機(jī)的揚(yáng)聲器被接到功率放大器的IN輸入端。因此在平時(shí)，主機(jī)處于“聽”狀態(tài)，分機(jī)處于“講”狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)使用者按下SB1后，主、分機(jī)的揚(yáng)聲器相對于功率放大器的IN、OUT端被切換，變成主機(jī)“講”、分機(jī)“聽”。

由上述分析可知，主機(jī)可以隨時(shí)聽到分機(jī)旁邊的一切聲響，這既造成了主機(jī)方的噪聲，也不利于從機(jī)方的聲音保密。若在分機(jī)回路中串接兩只并聯(lián)二極管和一只按鈕SB2

就可以解決上述矛盾。

若按鈕SB2不接通，這時(shí)即使在揚(yáng)聲器旁大聲聊天，雖然揚(yáng)聲器音圈能將聲音信號轉(zhuǎn)變成電信號，但所產(chǎn)生的信號電壓輻值很小，約為幾十mV小于二極管的死區(qū)電壓而無法傳遞出去。但對主機(jī)送來的電壓輻度大的呼叫信號影響很小，所以分機(jī)能正常聽到主機(jī)的呼叫。分機(jī)回話時(shí)，按下按鈕就將二極管短路，可以與主機(jī)正常通話。講完話后松開按鈕就可防止分機(jī)方內(nèi)部談話內(nèi)容泄密。2023/2/457應(yīng)用二：二極管在儀表輸入回路中起保護(hù)作用的電路

在工廠車間經(jīng)常存在高強(qiáng)度的電火花造成的干擾電壓，它們與有用信號迭加在一起被送到某些檢測控制儀表的放大器輸入端。其幅值有時(shí)達(dá)幾十伏以上。如果不采取抗干擾措施，會引起儀表的誤動作。在圖2-37中，兩只二極管反向并聯(lián)組成了簡單而有效的鉗位電路，它們將干擾信號鉗制在0.7V以內(nèi)，使放大器免于被擊穿，在干擾消失后對于需要接收的有用信號，其幅值只有幾個(gè)毫伏，小于這兩個(gè)二極管的死區(qū)電壓，所以不影響放大器的正常工作。圖2-37

2023/2/458應(yīng)用三：二極管用于電感性負(fù)載的續(xù)流

當(dāng)直流回路中的某些諸如繼電器、電磁鐵、直流電動機(jī)等電感性負(fù)載突然被切斷電源時(shí)，由于鐵心中的磁通迅速減小，將在線圈中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，可能在開關(guān)S的兩觸點(diǎn)間產(chǎn)生很大的火花或使半導(dǎo)體電子開關(guān)擊穿，造成永久性損壞。由楞次定律可知，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通是阻止主磁通變化的，所以感應(yīng)電流的方向與原來的電流方向一致，如圖2-38所示。圖2-38

如圖所示的接法，使二極管VD在續(xù)流期間處于正向偏置導(dǎo)通狀態(tài)，而在Ｓ閉合時(shí)VD處于反向偏置狀態(tài)，無電流流過VD，不影響電感性負(fù)載的正常工作。2023/2/459應(yīng)用四：欠壓保護(hù)電路某些電路或器件不允許長期工作于電壓過低的情況下利用可穩(wěn)壓二極管避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖2-39所示的輸入電壓超過穩(wěn)壓管擊穿電壓時(shí)，VDZ擊穿導(dǎo)通，繼電器KA得電，觸點(diǎn)KA1閉合。電源通過KA1向負(fù)載供電。當(dāng)輸入電壓過低，達(dá)不到穩(wěn)壓管擊穿電壓，繼電器失電。觸點(diǎn)斷開。這樣保證負(fù)載上得不到比還低的工作電壓。

圖2-39

2023/2/460應(yīng)用五：限幅電路限幅電路及輸入、輸出波形圖如圖2-40所示。串聯(lián)限幅的輸出電壓波形是輸入電壓波形中高于穩(wěn)壓管擊穿電壓的部分，可用來抑制干擾脈沖，也可用以鑒別輸出電壓的幅值。并聯(lián)限幅的輸出電壓是輸入波形中低于擊穿電壓的部分，可整形和穩(wěn)定輸出波形的幅值。圖b輸出梯形電壓在單結(jié)晶體管的晶閘管觸發(fā)電路中作為同步電源。圖2-402023/2/461應(yīng)用六：交流電源指示燈

圖2-41a)中發(fā)光二極管VL在開關(guān)S閉合后發(fā)光，作為工作指示燈，起限流作用。如果沒有VD，將引起VL反向擊穿，二極管VD須選用最高反向工作電壓大于的管子。流過VL的電流為半波波形。也可將VD與VL并聯(lián)如圖b)所示，此時(shí)VD兩端的反向電壓只有1.7V，可選用1N4148或1N4001等低壓二極管。圖2-41

2023/2/462應(yīng)用七：倍壓整流電路倍壓整流電路如圖2-42所示，它由多只整流二極管和電容器組成，變壓器的二次電流分成兩路進(jìn)行倍壓整流、濾波，C2、C3上的直流電壓可以達(dá)到交流電壓峰值的兩倍，而A、B兩端輸出的直流電壓是交流峰值的四倍。二極管和電容器的耐壓