晶體二極管及整流電路課件

第一章晶體二極管及整流電路

半導(dǎo)體的問世是在1948年，其核心是具有單向?qū)щ娦缘腜N結(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中的二極管種類很多，用途也十分廣泛，掌握二極管的特性和應(yīng)用常識(shí)是本章的重點(diǎn)。在功率變換中，二極管的主要用途是構(gòu)成整流器，將交流電變換為直流電。

半導(dǎo)體的主要特性

晶體二極管

整流電路

濾波電路

特種二極管及應(yīng)用

本章小結(jié)1

第一節(jié)半導(dǎo)體的主要特性一、什么是半導(dǎo)體導(dǎo)體

容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，如電纜的線芯所使用的銅、鋁等金屬。絕緣體

能夠可靠地隔絕電流的物質(zhì)，如電纜的包皮所使用的橡膠、塑料等。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)，硅（Si）、鍺（Ge）是最常見的用于制造各種半導(dǎo)體器件的材料。二、電子技術(shù)的核心是半導(dǎo)體摻雜性在純凈的半導(dǎo)體中摻入極其微量的雜質(zhì)元素，則它的導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。應(yīng)用摻雜技術(shù)可以制造出各種半導(dǎo)體元器件。熱敏性溫度升高，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。光敏性對(duì)半導(dǎo)體施于光線照射，光照越強(qiáng)，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。2半導(dǎo)體材料硅有四個(gè)價(jià)電子，通過共價(jià)鍵結(jié)合起來，如圖所示。

在常溫下，大多數(shù)的價(jià)電子均被束縛在原子周圍，不易自由移動(dòng)，所以導(dǎo)電能力也較弱。

半導(dǎo)體受熱或用光進(jìn)行照射時(shí)，部分價(jià)電子獲得足夠的能量，得以掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子和空穴，這就是半導(dǎo)體具有熱敏性和光敏性的原因。半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖

三、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體1．P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素。這類摻雜后導(dǎo)體的特點(diǎn)是：空穴數(shù)量多，自由電子數(shù)量少，故又稱為空穴半導(dǎo)體。2．N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體是在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量磷、砷等5價(jià)元素，這類雜質(zhì)半導(dǎo)體特點(diǎn)是：自由電子數(shù)量多，空穴數(shù)量少，故又稱為電子半導(dǎo)體。3二極管的結(jié)構(gòu)如下圖所示，在P型與N型半導(dǎo)體的交界面會(huì)形成一個(gè)具有特殊電性能的薄層，稱為PN結(jié)。從P區(qū)引出的電極作為正極，從N區(qū)引出的電極作為負(fù)極。二極管基本結(jié)構(gòu)二極管圖形符號(hào)二、二極管的導(dǎo)電特性1.觀察二極管的導(dǎo)電特性

圖（a）圖（b）按圖（a）連接電路，此時(shí)小燈泡亮，表示二極管加正向電壓而導(dǎo)通。按圖（b）連接電路，此時(shí)小燈泡不亮，表示二極管加反向電壓而截止。通過觀察以上實(shí)驗(yàn)證實(shí)，二極管具有單向?qū)щ娦浴?2.二極管主要特性曲線二極管的電流iD與加在二極管兩端的電壓vD的關(guān)系曲線，稱為二極管伏安特性曲線。（1）正向特性

死區(qū)當(dāng)二極管外加正向電壓較小時(shí)，正向電流幾乎為零。

正向?qū)▍^(qū)當(dāng)二極管正向電壓大于死區(qū)電壓Vth時(shí)，電流隨電壓增加，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

導(dǎo)通電壓硅二極管約為0.7V，鍺二極管約為0.3V。（2）反向特性

反向截止區(qū)

當(dāng)二極管承受的反向電壓未達(dá)到擊穿電壓V（BR）時(shí)，二極管呈現(xiàn)很大電阻。

反向擊穿區(qū)

當(dāng)二極管承受的反向電壓已達(dá)到擊穿電壓V（BR）時(shí)，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。二極管伏安特性曲線62AP1

二極管N型鍺材料普通管器件序號(hào)二極管型號(hào)的讀識(shí)

三、二極管器件手冊(cè)的使用1．二極管型號(hào)

國產(chǎn)二極管的型號(hào)由五部分組成。

第一部分是數(shù)字“2”，表示二極管。第二部分是用拼音字母表示管子的材料。

A——N型鍺材料，B——P型鍺材料，

C——N型硅材料，D——P型硅材料。

第三部分是用拼音字母表示管子的類型。第四部分用數(shù)字表示器件的序號(hào)。

第五部分用拼音字母表示規(guī)格號(hào)。73．二極管的選用

按材料分類，二極管主要有鍺二極管和硅二極管兩大類。前者內(nèi)部多為點(diǎn)接觸型結(jié)構(gòu)，允許的工作溫度較低，只能在100℃以下工作；后者內(nèi)部多為面接觸型或平面型結(jié)構(gòu)，允許的工作溫度較高，有的可達(dá)150~200℃。

普通二極管（如2AP等系列）的IFM較小，fM一般較高，主要用于信號(hào)檢測、取樣、小電流整流等。

整流二極管（2CZ、2DZ等系列）的IFM較大，fM很低，廣泛使用在各種電源設(shè)備中作整流元件。穩(wěn)壓二極管（2CW、2DW）用在各種穩(wěn)壓電源和晶閘管電路中。開關(guān)二極管（2AK、2CK等系列）一般IFM較小，fM較高，用于數(shù)字電路和控制電路中。

94．二極管的簡易測量將萬用表撥到電阻擋的R×100或R×1k，，將萬用表的紅、黑表筆分別接在二極管兩端，若測得電阻比較小(幾千歐以下)，再將紅、黑表筆對(duì)調(diào)后連接在二極管兩端，而測得的電阻比較大(幾百千歐)，說明二極管具有單向?qū)щ娦裕|(zhì)量良好。測得電阻小的那一次黑表筆接的是二極管的正極。測量正向電阻測量反向電阻

如果測得二極管的正、反向電阻都很小，甚至為零，表示管子內(nèi)部已短路。如果測得二極管的正、反向電阻都很大，則表示管子內(nèi)部已斷路。10第三節(jié)整流電路整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電。一、半波整流電路單相半波整流電路由整流二極管、電源變壓器和負(fù)載RL構(gòu)成。

半波整流原理電路圖1．整流原理當(dāng)v2為正半周時(shí)，二極管V承受正向電壓而導(dǎo)通，在負(fù)載RL上獲得上正下負(fù)電壓vL。

當(dāng)v2為負(fù)半周時(shí)，二極管V承受反向電壓而截止，負(fù)載RL上的電壓vL=0。

半波整流電路波形11二、橋式整流電路

1．電路結(jié)構(gòu)單相橋式整流電路由電源變壓器T、整流二極管Vl～V4和負(fù)載RL組成。

橋式整流原理電路圖

2．整流原理

v2為正半周時(shí)，Vl和V3正偏導(dǎo)通，V2、V4受到反向電壓而截止。單向脈動(dòng)電流的流向?yàn)椋篈端→V1→RL→V3→B端，RL上的脈動(dòng)電壓極性為上正下負(fù)。

v2為負(fù)半周時(shí)，V2、V4正偏導(dǎo)通，V1、V3受到反向電壓而截止。單向脈動(dòng)電流的電流流向?yàn)椋築端→V2→RL→V4→A端，RL上的脈動(dòng)電壓極性仍為上正下負(fù)。輸出電壓波形輸入電壓波形133．負(fù)載上的直流電壓和電流負(fù)載上的直流電壓：

VL=0.9V2

負(fù)載上的直流電流：●橋式整流電路變壓器的選用：次級(jí)電壓V2=VL/0.9，額定功率P應(yīng)大于負(fù)載功率?！駱蚴秸鞫O管的選用：最高反向工作電壓VRM不低于輸入交流電的峰值電壓V2，最大整流電流IFM不低于負(fù)載上的直流電流IL?！駱蚴秸麟娐分械亩O管極性不允許接錯(cuò)，否則會(huì)造成二極管或變壓器過電流而損壞。●要獲得負(fù)極性的直流脈動(dòng)電源，只要將4個(gè)二極管的極性都對(duì)調(diào)即可。用工程應(yīng)144．整流橋堆的應(yīng)用將若干只整流二極管用絕緣瓷、環(huán)氧樹脂等外殼封裝成一體就制成整流堆，常見的有半橋和全橋整流堆。

整流橋堆整流橋堆的實(shí)際接線圖

整流硅堆的主要參數(shù)是最高反向電壓和最大整流電流，在選用硅堆時(shí)，也主要是根據(jù)電路具體要求來選擇這二個(gè)參數(shù)。151．觀測電容濾波情況在未接濾波電容C時(shí)，負(fù)載RL上的電壓波形如圖中的虛線所示。當(dāng)在負(fù)載RL的兩端并聯(lián)濾波電容C后，輸出波形就如圖中的實(shí)線所示。顯然，加上濾波器后的輸出電壓脈動(dòng)程度明顯減小了。2．濾波原理（以半波整流電路為例）（1）在輸入電壓上升超過電容端電壓時(shí)，整流二極管V正向?qū)?，向?yàn)V波電容C迅速充電(同時(shí)向負(fù)載供電)，電容C兩端電壓vc與v2同步上升，并達(dá)到v2的峰值。（2）在輸入電壓下降到低于電容兩端電壓時(shí)，整流二極管V反向截止。電容放電維持了負(fù)載RL的電流。由于RL的阻值遠(yuǎn)大于二極管的正向內(nèi)阻，所以放電很慢，電容C兩端電壓VC下降緩慢。半波整流電容濾波的輸出波形橋式整流電容濾波的輸出波形173．電容濾波器的特點(diǎn)（1）在電容濾波電路中，C的容量或RL的阻值越大，濾波電容C放電越慢，輸出的直流電壓就越大，濾波效果也越好。反之，C的容量或RL的阻值越小，輸出電壓低且濾波效果差。（2）在采用大容量的濾波電容時(shí)，接通電源的瞬間充電電流特別大，因此電容濾波器不適用于負(fù)載電流較大的場合?！駱蚴秸麟娐纷儔浩鞯倪x用：次級(jí)電壓V2=VL/0.9，額定功率P應(yīng)大于負(fù)載功率。●橋式整流二極管的選用：最高反向工作電壓VRM不低于輸入交流電的峰值電壓V2，最大整流電流IFM不低于負(fù)載上的直流電流IL?！駱蚴秸麟娐分械亩O管極性不允許接錯(cuò)，否則會(huì)造成二極管或變壓器過電流而損壞。●要獲得負(fù)極性的直流脈動(dòng)電源，只要將4個(gè)二極管的極性都對(duì)調(diào)即可。

用工程應(yīng)18二、電感濾波器1．電路構(gòu)成

電感濾波電路中電感L與負(fù)載RL串聯(lián)，它是利用通過電感的電流不能突變的特性來實(shí)現(xiàn)濾波。2．濾波原理從能量的觀點(diǎn)來看，電感是一個(gè)儲(chǔ)能元件，當(dāng)電流增加時(shí)，電感線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化為磁場能量；當(dāng)電流減小時(shí)，電感線圈便釋放能量，阻止電流減小。因此通過負(fù)載RL的電流脈動(dòng)成分受到抑制而變得平滑。

電感濾波電路電感濾波輸出電壓波形192．π型濾波器C-π型濾波器

在L型濾波器的輸入端再并聯(lián)一個(gè)電容，這就形成了LC-π型濾波器，如左下圖所示。RC-π型濾波器

在電流較小、濾波要求不高的情況下，常用電阻R代替π型濾波器的電感L，構(gòu)成RC-π型濾波器。

LC—π型濾波器RC—π型濾波器21第五節(jié)特種二極管及應(yīng)用

一、穩(wěn)壓管

1．工作特性及應(yīng)用

穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，實(shí)物外形見下圖。通常用文字“V”代表，它是一種用特殊工藝制造的硅二極管，只要反向電流不超過極限電流，管子工作在擊穿區(qū)并不會(huì)損壞，屬可逆擊穿，這與普通二極管破壞性擊穿是截然不同的。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)域時(shí)，利用其陡峭的反向擊穿特性在電路中起穩(wěn)定電壓作用。

穩(wěn)壓管的外形電路符號(hào)22穩(wěn)壓管的伏安特性曲線如的正向特性與普通二極管相同。

反向特性曲線在擊穿區(qū)域比普通二極管更陡直，這表明穩(wěn)壓管擊穿后，通過管子的電流變化(ΔIz)很大，而管子兩端電壓變化(ΔVz)很小，或說管子兩端電壓基本保持一個(gè)固定值。

穩(wěn)壓管在電路中主要功能是起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的伏安特性曲線正向特性擊穿特性23二、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能變成光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管由磷化鎵、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成，電路符號(hào)和實(shí)物照片見下圖。

當(dāng)給發(fā)光二極管加上偏壓，有一定的電流流過時(shí)二極管就會(huì)發(fā)光，這是由于PN結(jié)的電子與空穴直接復(fù)合放出能量的結(jié)果。發(fā)光二極管的種類很多，按發(fā)光的顏色可分為：紅色、藍(lán)色、黃色、綠色，還有三色變色發(fā)光二極管和眼睛看不見的紅外光二極管；按外形可分為：圓形、方形等。

發(fā)光二極管電路符號(hào)發(fā)光二極管實(shí)物圖25

三、光電二極管

光電二極管又稱為光敏二極管。光電二極管也是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，但是它的PN結(jié)面積較大，通過管殼上的一個(gè)玻璃窗口來接收入射光。

當(dāng)沒有光照射時(shí)反向電阻很大，反向電流很??；當(dāng)有光照射時(shí)，反向電阻減小，反向電流增大。

光電二極管電路符號(hào)光電二極管元件外形

發(fā)光二極管應(yīng)用電路如下圖所示。

6V直流電壓指示220V交流電指示26

四、無引線片狀二極管無引線片狀二極管焊點(diǎn)處于元件的兩端，在目前的電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、高頻性能好、形狀簡單、尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，便于自動(dòng)化裝配。

1.肖特基二極管

常見的肖特基二極管封裝形式主要有兩種：一種是片狀二腳封裝，見圖（a）；另一類為片狀SOT-23封裝（MMBD），見圖（b）。

2.穩(wěn)壓二極管

片狀穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值在2～30V，額定功率為0.5W的穩(wěn)壓管其封裝多采用SOT-23形式，額定功率為1W多采用SOT-89（1W）封裝，見圖（c）。

圖（a）圖（b）圖（c）

27本章小結(jié)

1.半導(dǎo)體具有熱敏性、光敏性和摻雜性，因而成為制造電子元器件的關(guān)鍵材料。2.二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，其最主要的特性是具有單向?qū)щ娦裕撎匦钥捎煞蔡匦郧€準(zhǔn)確描述。選用或更換二極管必須考慮最大整流電流、最高反向工作電壓兩個(gè)主要參數(shù)，高頻工作時(shí)還應(yīng)考慮最高工作頻率。3.整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，濾波電路的作用是對(duì)整流輸出的脈動(dòng)直流進(jìn)行平滑。4.特殊二極管主要有穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管等。穩(wěn)壓管是利用它在反向擊穿狀態(tài)下的恒壓特性來構(gòu)成簡單的穩(wěn)壓電路。發(fā)光二極管起著將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的作用，而光電二極管則是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。5.片狀二極管具有體積小，形狀規(guī)整，便于自動(dòng)化裝配的特點(diǎn)，在目前的電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用因此，片狀二極管的封裝外形及引腳排列是必須了解的基本知識(shí)。

29主教材簡介書名：電子技術(shù)基礎(chǔ)第2版（附學(xué)習(xí)卡）出版單位：高等教育出版社作者：陳振源出版日期：2006-07-01書號(hào)：7-04-019714-6適用層次：中職定價(jià)：25.20本書參照教育部頒布的中等職業(yè)學(xué)校電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)大綱，以及有關(guān)的職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)職業(yè)技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)，在保留2001年出版的中等職業(yè)教育國家規(guī)劃教材《電子技術(shù)基礎(chǔ)》編寫風(fēng)格的基礎(chǔ)上，根據(jù)近幾年中職生源的變化情況，貫徹落實(shí)“以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，以能力為本位”的職業(yè)教育辦學(xué)指導(dǎo)思想，修訂而成。本書包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩部分，模擬部分包括：二極管及整流電路、