二極管的應(yīng)用

二極管的應(yīng)用第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴６?、了解二極管、穩(wěn)壓管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義。三、會分析含有二極管的電路。四、了解橋式整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理及其應(yīng)用。.第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

學(xué)會用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。

對電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.1

本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔?，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動畫無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3PN結(jié)的形成載流子的兩種運(yùn)動——擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動：電中性的半導(dǎo)體中，載流子從濃度高的區(qū)域向濃度較低區(qū)域的運(yùn)動。漂移運(yùn)動：在電場作用下，載流子有規(guī)則的定向運(yùn)動。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.4PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫–+第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

半導(dǎo)體二極管1.2.1基本結(jié)構(gòu)(a)點(diǎn)接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4二極管的應(yīng)用(二極管電路分析舉例)定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4穩(wěn)壓管及穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1.4.1穩(wěn)壓管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。

_+UIO第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3整流電路及路濾電路

小功率直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的原理方框圖功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負(fù)載變壓整流濾波穩(wěn)壓第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦缘?8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月uDO1單相半波整流電路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3)工作波形

u負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。1)電路結(jié)構(gòu)

–++–aTrDuoubRLio動畫utOuoO第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4)參數(shù)計(jì)算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM(5)變壓器副邊電流有效值I第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月5)整流二極管的選擇平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時(shí)應(yīng)滿足：

IOM

ID

，URWMUDRM

第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.單相橋式整流電路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3)工作波形uD2uD41)電路結(jié)構(gòu)－uouDttRLuiouo1234ab+

–+

–－動畫u第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

4)參數(shù)計(jì)算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平值Io(負(fù)載電流的平均值)(3)流過每管電流平均值IDID=IO/2=0.45U2/

RL(4)每管承受的最高反向電壓UDRM(5)變壓器副邊電流有效值I

I2=U2/

RL=IO/0.9=1.11

IOIO=UO/

RL=0.9U2/

RL第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=50，負(fù)載電壓Uo=110V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U

122V可選用二極管2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時(shí)負(fù)載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4

D1D3解：當(dāng)D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過，負(fù)載電壓uo=u；負(fù)半周時(shí)，D1和D3截止，負(fù)載中無電流通過，負(fù)載兩端無電壓，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果D2或D4接反則正半周時(shí)，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時(shí)，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4

D1

D3第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2濾波器

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路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。方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.電容濾波器

1)電路結(jié)構(gòu)2)工作原理

u>uC時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時(shí)，二極管截止，電容通過負(fù)載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

。+Cici

–++–aDuoubRLio=uC

3)工作波形二極管承受的最高反向電壓為。動畫uoutOtO第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4)電容濾波電路的特點(diǎn)(T—電源電壓的周期)(1)輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。

RLC

越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當(dāng)負(fù)載RL開路時(shí)，UO

為了得到比較平直的輸出電壓第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)外特性曲線有電容濾波1.4U無電容濾波0.45U

UooIO結(jié)論

采用電容濾波時(shí)，輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，即帶負(fù)載能力較差。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場合。(3)流過二極管的瞬時(shí)電流很大選管時(shí)一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短iD

的峰值電流越大。iDtuotOO第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值

uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5T/2已知RL=50

uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電感電容濾波器1)電路結(jié)構(gòu)L

uRLuo++––~+C2)濾波原理對直流分量:XL=0，L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動減小。

LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時(shí)更為合適。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.形濾波器形LC濾波器

濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。

比形LC濾波器的體積小、成本低。L

uRLuo++––~+C2+C1形RC濾波器R

uRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月N1N3C20.047FD2D3D4D12CZ12A×4N2FU23A2000F/50V+C1–24VFU11A直流24V交流