二極管及整流電路

二極管及整流電路第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日本章要求三、會分析含有二極管的電路。一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三端穩(wěn)壓源的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日

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

對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應用。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標，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。第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.1

半導體的基本知識半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。3、摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些微量雜質(zhì)，

半導體的導電特性明顯增強。2、光敏性：當受到光照激發(fā)時，導電能力明顯增強。1、熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強。

(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)。(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日

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

Si

Si

Si

Si價電子第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日

Si

Si

Si

Si價電子

價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（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，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電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導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，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.1.2N型半導體和P型半導體

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

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子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.1.2N型半導體和P型半導體

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

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(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)樨撾x子空穴動畫無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(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)空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日二、PN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接負外電場IF內(nèi)外電場方向相反，相互削弱。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)導通。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–E總與E內(nèi)方向相同，E總?cè)宰柚苟嘧訑U散，IF很小E總與E外方向相同，E總加速多子擴散，IF很大第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日PN結(jié)變寬2）.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、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。bdt5.exe動畫–+

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－內(nèi)外電場方向相同，相互增強。更阻止多子擴散。增強少子的漂移第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.2

半導體二極管8.2.1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(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。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日陰極引線陽極引線二氧化硅保護層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半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號8.2

半導體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號陰極陽極(

d

)符號D第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.2.2伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。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?。正向特性反向特性特點：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)。第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.2.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，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。第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺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。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，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點作參考點，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+–第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日ui>8V，二極管導通，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2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日第11章直流穩(wěn)壓電源11.1直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日11.2

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。分析時可把二極管當作理想元件處理：

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娦缘诙豁?，共四十九頁?022年，8月28日uDO8.2.4單相半波整流電路（P215）2.工作原理u正半周，Va>Vb，二極管D導通；3.工作波形

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)

–++–aTrDuoubRLio動畫utOuoO第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日4.參數(shù)計算(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第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日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)。選管時應滿足：

IOM

ID

，URWMUDRM

第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日11.2.1單相橋式整流電路(P309)2.工作原理(1)u

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3導通，D2、D4截止。3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)－uouDttRLuiouo1234ab+

–+

–動畫u第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.3.2單相橋式整流電路（負半周）2.工作原理(2)u

負半周，Va<Vb，二極管D2、D4導通，D1、D3截止。3.工作波形uD1uD31.電路結(jié)構(gòu)－uouDttRLuiouo1234ab_

++

–動畫u紅色為正半周波形綠色為負半周波形uD2uD4第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日(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I4.參數(shù)計算

第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負載電阻RL=50，負載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。解：考慮電網(wǎng)電壓波動±10%變壓器副邊電壓U

122V第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負載電阻RL=50，負載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。解：可選用二極管2CZ55E，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。

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選擇二極管第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日

11.3.1電容濾波器

2.工作原理

u>uC時，二極管導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

=u

。

u<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

≠

u

。+Cici

–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形二極管承受的最高反向電壓為動畫uoutOtO1.單相半波濾波電路結(jié)構(gòu)第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.工作原理6.工作波形4.單相橋式濾波電路結(jié)構(gòu)iouuotRLuo+

–u1234ab+

?+C

u>uC時，二極管導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC=u

。

u<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC≠u

。第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日7.電容濾波電路的特點(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。近似估算取：

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當負載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日11.3.2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,在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負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，用于高頻時更為合適。第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日11.3.3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，主要適用于負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.3

特殊二極管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(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。_+UIO8.3.1穩(wěn)壓二極管第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日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)壓值變化的百分數(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。第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2)工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR設(shè)UI一定，負載RL變化UO

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZ1)電路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路4.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（P314）第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日3)參數(shù)的選擇(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)ICM(3)UI

=(2~3)UO(4)為保證穩(wěn)壓管安全工作為保證穩(wěn)壓管正常工作適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負載變動不大的場合。第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.3.2光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號8.3.3發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日

集成穩(wěn)壓電路單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。1.

分類XX兩位數(shù)字為輸出電壓值三端穩(wěn)壓器輸出固定電壓輸出可調(diào)電壓輸出正電壓78XX輸出負電壓79XX（1.25~37V連續(xù)可調(diào)）第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.外形及引腳功能W78系列穩(wěn)壓器外形1—輸入端3—公共端2—輸出端78xxW7900系列穩(wěn)壓器外形1—

公共端3—輸入端2—輸出端79xx塑料封裝第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.

性能特點（7800、7900系列）輸出電流超過1.5A（加散熱器）不需要外接元件內(nèi)部有過熱保護內(nèi)部有過流保護調(diào)整管設(shè)有安全工作區(qū)保護輸出電壓容差為4%輸出電壓額定值有:

5V、6V、9V、12V、8V、18V、24V等。第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日4.主要參數(shù)

(1)電壓調(diào)整率SU(穩(wěn)壓系數(shù))

反映當負載電流和環(huán)境溫度不變時，電網(wǎng)電壓波動對穩(wěn)壓電路的影響。

(2)電流調(diào)整率SI

反映當輸入電壓和環(huán)境溫度不變時，輸出電流變化時輸出電壓保持穩(wěn)定的能力，即穩(wěn)壓電路的帶負載能力。0.005~0.02%0.1~1.0%第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日輸出為固定正電壓時的接法如圖所示。

(1)

輸出為固定電壓的電路輸入與輸出之間的電壓不得低于3