晶體二極管和二極管整流電路

1、 第1章 晶體二極管和二極管整流電路教學重點1了解半導體的基本知識：本征半導體、摻雜半導體；掌握PN結的基本特性。2理解半導體二極管的伏安特性和主要參數。3了解幾種常用的二極管：硅穩(wěn)壓二極管、變容二極管、發(fā)光二極管、光電二極管等。4掌握單相半波、橋式全波整流電路的電路組成、工作原理與性能特點；了解電容濾波電路的工作原理。5了解硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性及穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。教學難點1PN結的單向導電特性。2整流電路和濾波電路的工作原理。3硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程。學時分配序號 容學 時11.1晶體二極管221.2晶體二極管整流電路231.3濾波器和穩(wěn)壓器34實驗二 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的測繪25本

2、章小結與習題6本章總學時91.1晶體二極管1.1.1 晶體二極管的單向導電特性1晶體二極管(1) 外形如圖1.1.1(a)所示，晶體二極管由密封的管體和兩條正、負電極引線所組成。管體外殼的標記通常表示正極。圖1.1.1 晶體二極管的外形和符號(2) 圖形、文字符號如圖1.1.1(b)所示，晶體二極管的圖形由三角形和豎杠所組成。其中，三角形表示正極，豎杠表示負極。V為晶體二極管的文字符號。2晶體二極管的單向導電性動畫 晶體二極管的單向導電性(1) 正極電位負極電位，二極管導通；圖1.1.3 例1.1.1電路圖(2) 正極電位負極電位，二極管截止。即二極管正偏導通，反偏截止。這一導電特性稱為二極管

3、的單向導電性。例1.1.1 圖1.1.3所示電路中，當開關S閉合后，H1、H2兩個指示燈，哪一個可能發(fā)光？解 由電路圖可知，開關S閉合后，只有二極管V1正極電位高于負極電位，即處于正向導通狀態(tài)，所以H1指示燈發(fā)光。1.1.2PN結二極管由半導體材料制成。動畫PN結1半導體導電能力介于導體與絕緣體之間的一種物質。如硅(Si)或鍺(Ge)半導體。半導體中，能夠運載電荷的的粒子有兩種：圖1.1.4 半導體的兩種載流子載流子：在電場的作用下定向移動的自由電子和空穴，統(tǒng)稱載流子。如圖1.1.4所示。2本征半導體不加雜質的純凈半導體晶體。如本征硅或本征鍺。本征半導體電導率低，為提高導電性能，需摻雜，形成雜

4、質半導體。3雜質半導體為了提高半導體的導電性能，在本征半導體(4價)中摻入硼或磷等雜質所形成的半導體。根據摻雜的物質不同，可分兩種：(1) P型半導體：本征硅(或鍺)中摻入少量硼元素(3價)所形成的半導體，如P型硅。其中，多數載流子為空穴，少數載流子為電子。圖1.1.5 PN結(2) N型半導體：本征硅(或鍺)中摻入少量磷元素(5價)所形成的半導體，如N型硅。其中，多數載流子為電子，少數載流子為空穴。將P型半導體和N型半導體使用特殊工藝連在一起，形成PN結。4PN結N型和P型半導體之間的特殊薄層叫做PN結。PN結是各種半導體器件的核心。如圖1.1.5所示。PN結具有單向導電特性。即：P區(qū)接電源

5、正極，N區(qū)接電源負極，PN結導通；反之，PN結截止。圖1.1.6 測試二極管伏安特性電路晶體二極管之所以具有單向導電性，其原因是部具有PN結。其正、負極對應于PN結的P型和N型半導體，如圖1.1.5所示。1.1.3 二極管的伏安特性動畫二極管的伏安特性1定義二極管兩端的電壓和流過的電流之間的關系曲線叫作二極管的伏安特性。2測試電路：如圖1.1.6所示。3伏安特性曲線：如圖1.1.7所示。4特點(1) 正向特性 正向電壓VF小于門坎電壓VT時，二極管V截止，正向電流IF =0；圖1.1.7 二極管伏安特性曲線其中，門檻電壓VF > VT時，V導通，IF急劇增大。導通后V兩端電壓基本恒定：結

6、論：正偏時電阻小，具有非線性。(2) 反向特性反向電壓VR < VRM(反向擊穿電壓)時，反向電流IR很小，且近似為常數，稱為反向飽和電流。VR > VRM時，IR劇增，此現象稱為反向電擊穿。對應的電壓VRM稱為反向擊穿電壓。結論：反偏電阻大，存在電擊穿現象。1.1.4 二極管的簡單測試用萬用表檢測二極管如圖1.1.8所示。圖1.1.8 萬用表檢測二極管1判別正負極性萬用表測試條件：R ´ 100 W 或R ´ 1 kW；將紅、黑表筆分別接二極管兩端。所測電阻小時，黑表筆接觸處為正極，紅表筆接觸處為負極。2判別好壞萬用表測試條件：R ´ 1 kW。(1

7、)若正反向電阻均為零，二極管短路；(2)若正反向電阻非常大，二極管開路。(3)若正向電阻約幾千歐姆，反向電阻非常大，二極管正常。1.1.5 二極管的分類、型號和參數1分類(1) 按材料分：硅管、鍺管；(2) 按PN結面積：點接觸型(電流小，高頻應用)、面接觸型(電流大，用于整流)；(3) 按用途：如圖1.1.9所示，圖1.1.9 二極管圖形符號例如利用單向導電性把交流電變成直流電的整流二極管；利用反向擊穿特性進行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管；利用反向偏壓改變PN結電容量的變容二極管；利用磷化鎵把電能轉變成光能的發(fā)光二極管；將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕墓怆姸O管。2型號舉例如下整流二極管2CZ82B穩(wěn)壓二極管2C

8、W50變容二極管2AC1等等。3主要參數(1) 普通整流二極管 最大整流電流IFM：二極管允許通過的最大正向工作電流平均值。 最高反向工作電壓VRM：二極管允許承受的反向工作電壓峰值。 反向漏電流IR：規(guī)定的反向電壓和環(huán)境溫度下，二極管反向電流值。(2) 穩(wěn)壓二極管主要參數：穩(wěn)定電壓VZ、穩(wěn)定電流IZ、最大工作電流IZM、最大耗散功率PZM、動態(tài)電阻rZ等。1.2晶體二極管整流電路整流：把交流電變成直流電的過程。二極管單相整流電路：把單相交流電變成直流電的電路。整流原理：利用二極管的單向導電特性，將交流電變成脈動的直流電。圖1.2.1 單相半波整流電路1.2.1 單相半波整流電路動畫單相半波整

9、流電路 1 電路如圖1.2.1(a)所示。V：整流二極管，把交流電變成脈動直流電；T：電源變壓器，把v1變成整流電路所需的電壓v2。2 工作原理設v2為正弦波，波形如圖1.2.1(b)所示。(1)v2正半周時，A點電位高于B點電位，二極管V正偏導通，則vL » v2；(2)v2負半周時，A點電位低于B點電位，二極管V反偏截止，則vL » 0。圖1.2.2 變壓器中心抽頭式全波整流電路由波形可見，v2一周期，負載只有單方向的半個波形，這種大小波動、方向不變的電壓或電流稱為脈動直流電。上述過程說明，利用二極管單向導電性可把交流電v2變成脈動直流電vL。由于電路僅利用v2的半個波

10、形，故稱為半波整流電路。3負載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負載電壓VL = 0.45V2 (1.2.1)(2) 負載電流(1.2.2)(3) 二極管正向電流和負載電流(1.2.3)(4) 二極管反向峰值電壓(1.2.4)選管條件：(1)二極管允許的最大反向電壓應大于承受的反向峰值電壓；(2) 二極管允許的最大整流電流應大于流過二極管的實際工作電流。電路缺點：電源利用率低，紋波成分大。解決辦法：全波整流。1.2.2 單相全波整流電路一、變壓器中心抽頭式單相全波整流電路1電路圖變壓器中心抽頭式單相全波整流電路如圖1.2.2所示。V1、V2為性能相同的整流二極管；T為電源變壓器，作用是產生大小

11、相等而相位相反的v2a和v2b。2工作原理圖1.2.3 橋式整流電路(1)v1正半周時，T次級A點電位高于B點電位，在v2a作用下，V1導通(V2截止)，iV1自上而下流過RL；(2)v1負半周時，T次級A點電位低于B點電位，在v2b的作用下，V2導通(V1截止)，iV2自上而下流過RL；可見，在v1一周期，流過二極管的電流iV1、iV2疊加形成全波脈動直流電流iL，于是RL兩端產生全波脈動直流電壓vL。故電路稱為全波整流電路。圖1.2.4 橋式整流電路工作過程3負載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負載電壓(1.2.5)(2) 負載電流(1.2.6)圖1.2.5 橋式整流電路工作波形圖(3)

12、 二極管的平均電流(1.2.7)(4) 二極管承受反向峰值電壓(1.2.8)缺點：單管承受的反向峰值壓比半波整流高一倍，變壓器T需中心抽頭。二、單相橋式全波整流電路動畫 橋式全波整流電路1電路圖單相橋式全波整流電路如圖1.2.3所示。V1 V4為整流二極管，電路為橋式結構。2工作原理(1)v2正半周時，如圖1.2.4(a)所示，A點電位高于B點電位，則V1、V3導通(V2、V4截止)，i1自上而下流過負載RL；(2)v2負半周時，如圖1.2.4(b)所示，A點電位低于B點電位，則V2、V4導通(V1、V3截止)，i2自上而下流過負載RL；由波形圖1.2.5可見，v2一周期，兩組整流二極管輪流導

13、通產生的單方向電流i1和i2疊加形成了iL。于是負載得到全波脈動直流電壓vL。3負載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負載電壓(1.2.9)(2) 負載電流 (1.2.10)(3) 二極管的平均電流(1.2.11)(4) 如圖1.2.6所示，二極管承受反向峰值電壓為(1.2.12)優(yōu)點：輸出電壓高，紋波小，VRM較低，應用廣泛。橋式整流電路簡化畫法如圖1.2.7所示。圖1.2.6橋式整流二極管承受的反向峰值電壓 圖1.2.7 橋式整流電路簡化畫法例1.2.1 有一直流負載，需要直流電壓VL = 60 V，直流電流IL = 4 A。若采用橋式整流電路，求電源變壓器次級電壓V2，并選擇整流二極管。

14、解 因為 所以流過二極管的平均電流圖1.2.8 半橋和全橋整流堆二極管承受的反向峰值電壓查晶體管手冊，可選用整流電流為3A，額定反向工作電壓為100 V的整流二極管2CZ12A(3A/100V)四只。整流元件組合件稱為整流堆，常見的有半橋2CQ型，如圖1.2.8(a)所示；全橋QL型，如圖1.2.8(b)所示。優(yōu)點：電路組成簡單、可靠。1.3濾波器和穩(wěn)壓器1.3.1濾波器圖1.3.1 電容濾波電路作用：濾除脈動直流電中脈動成分。種類：電容濾波器、電感濾波器、復式濾波器一、電容濾波器動畫 電容濾波電路1電路特點：電容器與負載并聯。2工作原理利用電容器兩端電壓不能突變原理平滑輸出電壓。圖1.3.2

15、 電容濾波輸出波形在0 t1期間，因v2的作用，V正偏導通，電容C充電，波形如圖1.3.1(b)中OA所示；在t1 t2期間，因v2 < vC，V反偏截止，電容C通過負載放電，波形如圖1.3.1(b)中AB所示；在t2 t3期間，因vC > v2，V正偏導通，電容再次充電，波形如圖1.3.1(b)中BC。圖1.3.3 帶電感濾波器的全波整流電路重復上述過程，可得近于平滑波形。這說明，通過電容的充放電，輸出直流電壓中的脈動成分大為減小。全波整流電容濾波輸出波形如圖1.3.2所示。工作原理與半波整流電路相同，不同點是：v2正、負半周，V1、V2輪流導通，對電容C充電兩次，縮短了電容C向

16、負載的放電時間，從而使輸出電壓更加平滑。輸出電壓的估算公式為VL » 1.2V2應用：小功率電源。二、電感濾波器1電路電感濾波器如圖1.3.3所示。特點：電感與負載串聯。2工作原理利用流過電感電流不能突變原理平滑輸出電流。當電路電流增加時，電感存儲能量；當電流減小時，電感釋放能量。使負載電流比較平滑，從而得到比較平滑的直流電壓。應用：較大功率電源。缺點：體積大、重量大。三、復式濾波器結構特點：電容與負載并聯，電感與負載串聯。性能特點：濾波效果好。1L型濾波器(1) 電路如圖1.3.4所示。(2) 原理：整流輸出的脈動直流經過電感L，交流成分被削弱，再經過電容C濾波，就可在負載上獲得更

17、加平滑的直流電壓。(3) 應用：較大功率電源中。圖1.3.4 帶L型濾波器的橋式整流電路 圖1.3.5 P 型濾波器橋式整流電路2P 型濾波器(1) 電路如圖1.3.5所示。(2) 原理：整流輸出的脈動直流經過電容C1濾波后，再經電感L和電容C2濾波，使脈動成分大大降低，在負載上可獲得平滑的直流電壓。(3) 應用：小功率電源中。1.3.2 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號如圖1.3.6所示。濾波電路：將脈動的直流電變成平滑的直流電。圖1.3.6 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號穩(wěn)壓電路：抑制電網電壓和整流電路負載的變化引起的輸出電壓變化，將平滑的直流電變成穩(wěn)定的直流電。1硅穩(wěn)壓二極管的特性

18、(1) 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。(2) 當工作電流滿足條件時，穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎不變。2穩(wěn)壓二極管的主要參數(1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓。(2) 穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。(3) 最大穩(wěn)定電流IZmax穩(wěn)壓管允許長期通過的最大反向電流。(4) 動態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與電流變化量的比值，即rZ = DVZ/DIZ。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。圖1.3.7 硅穩(wěn)壓管整流穩(wěn)壓電路3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理(1) 電路圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖1.3.7所示。V為穩(wěn)壓管，起電流調整作用；R為限流電阻，起電壓調整作用。(2) 電路的穩(wěn)壓過程：VOIZIRVRVO(3) 應用：小功率場合。本章小結1半導體中有兩種載流子：電子和空穴。N型半導體中電子是多數載流子，P型半導體中空穴是多數載流子。