第 一 章 二 極 管 及 其 應(yīng) 用

第一章

二極管及其應(yīng)用1§１－２

二極管的種類、主要參數(shù)和使用常識§１－１

認(rèn)識二極管§１－３

二極管整流電路§１－４

濾波電路§１－５

幾種特殊用途的二極管學(xué)習(xí)目標(biāo)1.熟悉二極管的單向?qū)щ娦?，了解二極管的結(jié)構(gòu)、符號、特性曲線和主要參數(shù)，會用萬用表判別二極管的極性和質(zhì)量。2.掌握常用整流電路的組成及工作原理，能使用整流橋搭接整流電路。3.了解濾波電路的組成及工作原理。4.了解硅穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和變?nèi)荻O管的作用、工作特性及檢測方法。5.能正確使用示波器檢測整流濾波波形。3電子技術(shù)的應(yīng)用遍及通信、廣播、計算機(jī)、自動控制、航空航天等各個領(lǐng)域，與人們的工作、生活有著密切的聯(lián)系。各種電子設(shè)備都是由許多電子元器件根據(jù)一定功能要求組成的，其中半導(dǎo)體二極管（簡稱二極管）是最基本的電子元器件之一。4二極管的應(yīng)用a)穩(wěn)壓電源電路板

b)電視機(jī)遙控器

c)太陽能LED路燈§1-1

認(rèn)識二極管5一、二極管的外形及圖形符號如圖所示分別為金屬封裝、塑料封裝、玻璃封裝和貼片式封裝的二極管。6不同封裝形式的二極管a)金屬封裝

b)塑料封裝

c)玻璃封裝

d）貼片式封裝觀察可知，不同外形的二極管都有兩個引出極，一個稱正極，另一個稱負(fù)極。二極管的文字代號為VD或V，圖形符號如圖1-3所示，圖中箭頭指向為二極管正向電流的方向。7二極管的圖形符號二、二極管的單向?qū)щ娦詫嶒炿娐啡鐖D所示，注意二極管VD1和VD2的接法相反。元器件型號規(guī)格見表。8二極管單向?qū)щ娦詫嶒瀉）電路圖

b）實物圖9元器件明細(xì)表2.實驗步驟（1）按圖所示電路圖連接實驗電路。（2）將開關(guān)置于位置1，觀察指示燈工作情況，并記錄在表中。（3）將開關(guān)置于位置2，觀察指示燈工作情況，并記錄在表中。由實驗可知，當(dāng)二極管外加正向電壓（二極管正極電位高于負(fù)極電位）時二極管導(dǎo)通，反之則二極管截止，二極管的這一性質(zhì)稱為單向?qū)щ娦浴?0二極管單向?qū)щ娦詫嶒炗涗浫?、PN結(jié)的形成及特點二極管實質(zhì)上是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼封裝而成的，那么，什么是PN結(jié)？它又具有哪些特點呢?11二極管的結(jié)構(gòu)1.PN結(jié)的形成在硅或鍺等純凈半導(dǎo)體中摻入適當(dāng)?shù)奈⒘侩s質(zhì)元素，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)。按摻入的雜質(zhì)元素不同，可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。12P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子。如果在一塊半導(dǎo)體基片上，一邊制成P型半導(dǎo)體，另一邊制成N型半導(dǎo)體，由于載流子的濃度不同，在它們的交界處就會產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動，如圖所示，并在交界面兩側(cè)形成一個具有特殊性質(zhì)的空間電荷區(qū)（又稱耗盡層），即PN結(jié)，如圖所示。這種多數(shù)載流子由于擴(kuò)散運動而形成的電流稱為擴(kuò)散電流。1314多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動PN結(jié)的形成PN結(jié)形成后，由于正負(fù)電荷的作用，將產(chǎn)生一個從N區(qū)（N型半導(dǎo)體區(qū)域）指向P區(qū)（P型半導(dǎo)體區(qū)域）的內(nèi)電場。內(nèi)電場會對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動起阻礙作用。同時，在內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴也要越過空間電荷區(qū)進(jìn)入對方，從而形成漂移運動。少數(shù)載流子由于漂移運動而形成的電流稱為漂移電流。漂移電流和擴(kuò)散電流方向相反，在無外加電場的情況下，通過PN結(jié)的擴(kuò)散電流和漂移電流相等，PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。152.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)P區(qū)接高電位、N區(qū)接低電位時，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏，如圖所示。這時，外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，PN結(jié)空間電荷區(qū)變窄。這對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動有利，從而形成導(dǎo)通電流，導(dǎo)通電流的方向由P區(qū)指向N區(qū)。16PN結(jié)外加正向電壓（2）PN結(jié)外加反向電壓PN結(jié)P區(qū)接低電位、N區(qū)接高電位時，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏，如圖所示。這時，外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，內(nèi)電場被增強(qiáng)，PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。這使得多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動受阻，但對少數(shù)載流子的漂移運動有利，從而形成極小的反向電流，反向電流的方向由N區(qū)指向P區(qū)。17PN結(jié)外加反向電壓3.PN結(jié)的電容效應(yīng)（1）勢壘電容由以上討論可知，如果PN結(jié)兩端所加電壓發(fā)生變化，PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度就會改變，空間電荷區(qū)離子的數(shù)量也會改變，因此，可以認(rèn)為PN結(jié)具有電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。尤其是當(dāng)PN結(jié)反偏時，勢壘電容更為明顯，因為此時空間電荷區(qū)的寬度變化較大。18（2）擴(kuò)散電容當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時，在空間電荷區(qū)兩側(cè)的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，少數(shù)載流子的分布會隨外加電壓的變化而發(fā)生改變，形成電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容。PN結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容。PN結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴(kuò)散電容之和。由于結(jié)電容的存在，當(dāng)工作頻率很高時，結(jié)電容的影響就不可忽略，如果工作頻率過高，高頻電流將主要從結(jié)電容通過，這將會破壞PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?9四、二極管的伏安特性加在二極管兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性，利用晶體管圖示儀可以很方便地測出二極管的伏安特性曲線，如圖所示。20二極管伏安特性曲線1.正向特性（1）OA段這一段曲線平坦，外加電壓很小，正向電流幾乎為零，故稱“死區(qū)”。與A點對應(yīng)的電壓為二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓，稱開啟電壓（或稱門限電壓）。一般硅二極管的開啟電壓約為0.5V，鍺二極管的開啟電壓約為0.1V。（2）AB段隨著外加正向電壓增大，這一段正向電流緩慢增大。21（3）BC段這一段曲線陡直上升。正向電壓增加不多，正向電流急劇增大，電壓與電流的關(guān)系近似為線性，這一段稱為正向?qū)▍^(qū)（也稱線性區(qū)），正向?qū)ê蠖O管兩端的正向電壓稱為正向管壓降，這個電壓比較穩(wěn)定，幾乎不隨電流的大小而變化。一般硅二極管的正向管壓降約為0.7V，鍺二極管的正向管壓降約為0.3V。正向?qū)〞r二極管正、負(fù)極之間近似于一個閉合的開關(guān)。222.反向特性（1）OD段外加反向電壓在較大范圍內(nèi)變化而反向電流很小且基本恒定，該電流稱為二極管反向飽和電流（或稱反向漏電流）。一般小功率硅二極管的反向飽和電流約為幾微安，鍺二極管則可達(dá)幾百微安。這一段稱為反向截止區(qū)，這時二極管對外電路呈現(xiàn)電阻很大的特征，二極管正、負(fù)極之間近似于斷開。23（2）D點以后當(dāng)反向電壓增大到D點對應(yīng)數(shù)值時，反向電流突然猛增，這一現(xiàn)象稱為反向擊穿，所對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓。如果沒有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?，二極管在反向擊穿后很可能因電流過大而損壞，因此，除穩(wěn)壓二極管外，一般加在二極管上的反向電壓不允許超過反向擊穿電壓。分析二極管伏安特性曲線可知，二極管的電壓和電流之間呈非線性關(guān)系，所以二極管屬于非線性器件。伏安特性曲線上各點所呈現(xiàn)的電阻不一樣，正向特性曲線中BC段各點電阻遠(yuǎn)小于反向特性曲線中OD段各點電阻。24§1-2

二極管的種類、主要參數(shù)和使用常識25一、二極管的種類二極管的種類很多，分類方法也有多種。按所用材料不同，二極管可分為硅二極管和鍺二極管兩大類。硅二極管受溫度影響較小，工作較為穩(wěn)定，實際使用中用量大于鍺二極管。按制造工藝不同，二極管可分為點接觸型、面接觸型和平面型等，如圖所示。按用途不同，二極管可分為普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、檢波二極管、發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管等。2627二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖a)點接觸型

b)面接觸型

c)平面型二、二極管的型號命名國產(chǎn)二極管的型號命名方法見表。28國產(chǎn)二極管的型號命名方法三、二極管的主要參數(shù)不同型號的二極管都有一些技術(shù)數(shù)據(jù)（即參數(shù)）作為它合理、安全使用的依據(jù)。二極管的主要參數(shù)如下：1.最大整流電流IFM（也稱最大正向電流）IFM是指二極管長期安全工作時允許通過的最大正向平均電流。292.最大反向工作電壓URM（也稱耐壓值）URM是指二極管正常工作所允許外加反向電壓的最大值。3.反向飽和電流IR（也稱反向漏電流）IR是指室溫下二極管未擊穿時加上規(guī)定反向電壓時流過的反向電流。4.最高工作頻率fMfM是指二極管正常工作的上限頻率。30四、二極管的使用常識1.正確選用二極管為了安全使用二極管，在選用二極管時要保證其在電路中的工作電流、電壓和頻率等參數(shù)不超過二極管規(guī)定的最大額定值。二極管不同于電阻、電容等元件，它的參數(shù)沒有標(biāo)注在外殼上，一般都要通過查閱相關(guān)手冊來了解二極管的具體參數(shù)。如果電路中二極管需要更換，應(yīng)遵循類型相同、特性相近、外形相似的原則。例如，硅二極管和鍺二極管不能互換，普通二極管與特殊二極管不能互換等。312.判別二極管的極性和質(zhì)量二極管的正、負(fù)極一般都在外殼上用圖形符號、色點、標(biāo)志環(huán)等標(biāo)注出來，見表。如果不能從二極管的外觀上直接判別出正、負(fù)極，可利用二極管的單向?qū)щ娦裕炊O管正向電阻小、反向電阻大的特性，用萬用表的電阻擋大致判斷二極管的極性和質(zhì)量。3233幾種常見二極管的正、負(fù)極判別判別將萬用表置于R×100Ω或R×1kΩ擋，這時指針式萬用表表內(nèi)電池為1.5V，紅表筆連接表內(nèi)電池負(fù)極，黑表筆連接表內(nèi)電池正極。34萬用表電阻擋等效電路35用萬用表檢測二極管a)測二極管正向電阻

b)測二極管反向電阻36用數(shù)字式萬用表檢測二極管a)導(dǎo)通

b）未導(dǎo)通§1-3

二極管整流電路37大多數(shù)家用電器如電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)等都是以220V/50Hz交流市電為電源的，還有一些用電器如手機(jī)、應(yīng)急燈、電動自行車等，雖然要由直流電源供電，但它們的充電器也都是將220V交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)樗柚绷麟娺M(jìn)行充電的；而電視機(jī)、音響設(shè)備、計算機(jī)等則是將直流電源作為整機(jī)電路的一部分，接通220V交流電后，便可自行將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹绷麟姡还S里的許多電氣設(shè)備，如直流電動機(jī)、平面磨床的電磁吸盤等所需要的直流電，都是由交流電轉(zhuǎn)換而來的。38將交流電轉(zhuǎn)換為直流電稱為整流。具有單向?qū)щ娦缘亩O管是最常用的整流元件。39電動自行車充電器一、單相半波整流電路觀察半波整流電路波形，實驗電路如圖所示。40單相半波整流電路a)原理電路

b)實測半波整流波形二、單相橋式整流電路觀察單相橋式整流電路的波形，實驗電路如圖所示。41單相橋式整流電路a)原理電路

b)整流波形三、三相橋式整流電路單相橋式整流電路輸出功率不大，一般不超過幾千瓦，若需要大功率直流電源時，一般要用三相橋式整流電路。1.工作原理如圖所示為應(yīng)用最廣的三相橋式整流電路，電源變壓器一次繞組接成△形，二次繞組接成Y形。VD1、VD2、VD3共陰極連接，VD4、VD5、VD6共陽極連接。4243三相橋式整流電路三相橋式整流電路的工作波形如圖所示。44三相橋式整流電路工作波形a)二次電壓波形

b)理論輸出波形

c)實測輸出波形2.主要參數(shù)計算輸出直流電壓平均值為式中，U2為變壓器二次繞組相電壓有效值。輸出電流平均值為通過二極管的平均電流為45二極管承受的最大反向工作電壓為與單相橋式整流電路相比，三相橋式整流電路的輸出波形顯然更為平滑，脈動更小，而且變壓器利用率高，更重要的是在大功率輸出的情況下不會影響三相電網(wǎng)的平衡。三相橋式整流電路一般用在電解、電鍍、電焊以及給直流電動機(jī)供電的直流電路中。46四、硅整流堆將硅整流器件按某種整流方式連接后封裝成一體就制成了硅整流堆，俗稱硅堆。1.硅整流堆的結(jié)構(gòu)和外形硅整流堆器件品種較多，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，低壓小電流硅堆的整流二極管按半橋或全橋方式組合，俗稱橋堆，通常采用塑料或陶瓷封裝；大電流硅堆則要采用特殊工藝制造，通常采用金屬封裝，有的還直接帶有散熱器。4748見硅堆外形a）單相整流橋

b）貼片式單相整流橋

c）三相整流橋

d）高壓硅整流堆2.硅整流堆的檢測硅整流堆外殼上各引腳對應(yīng)位置一般都有標(biāo)記。標(biāo)有“AC”或“～”符號表示接輸入交流電，標(biāo)有“＋”“－”號表示這兩個端子為輸出脈動直流電的正極、負(fù)極。對低壓小電流硅堆，可用萬用表R×100Ω或R×1kΩ擋分別測量交流輸入端、直流輸出端的正反向電阻來判別其質(zhì)量。若交流輸入端正反向電阻均趨近無窮大，直流輸出端正向電阻比單只二極管略大，反向電阻趨近無窮大，則說明該硅堆質(zhì)量良好。49§1-4

濾波電路50交流電經(jīng)整流后轉(zhuǎn)換為脈動直流電，但其中仍含有較大的交流成分，俗稱紋波。這種脈動直流電只能用在電鍍、電焊、給蓄電池充電等用電要求不高的設(shè)備中，而很多家用電器如收錄機(jī)、電視機(jī)、計算機(jī)、自動控制裝置等，需要使用平滑的直流電，因為脈動直流電中的紋波會使音響發(fā)出交流噪聲，會使電視圖像產(chǎn)生扭曲，還會使自動控制系統(tǒng)不能正常工作。為了得到平滑的直流電，必須在整流電路之后接入濾波電路，從而把脈動直流電中的交流成分盡可能多地過濾掉。最常用的濾波元件是電容器和電感器。51一、電容濾波電路在前面已完成的單相橋式整流電路板輸出端接入一只1000μF/25V的電解電容器與負(fù)載并聯(lián)。52單相橋式整流電容濾波實驗電路接通電源后，用示波器觀測輸出電壓波形，可以看到接入濾波電容后輸出電壓波形變得較為平滑。53單相橋式整流電容濾波前后輸出電壓波形a)無濾波電容時的波形

b)接入濾波電容后的波形1.電容濾波原理單相橋式整流電容濾波電路，如圖a所示。54單相橋式整流電容濾波電路a)電路圖

b)波形圖2.電容濾波特點（1）RLC越大，電容放電越慢，輸出直流電壓平均值越大，濾波效果也越好；反之，輸出電壓低且濾波效果差，如圖所示CRL1＞CRL2。（2）當(dāng)濾波電容較大時，在接通電源的瞬間會有很大的充電電流，稱為浪涌電流。（3）電容濾波適用于負(fù)載電流較小且變化不大的場合。5556RLC變化對電容濾波的影響單相橋式整流和單相半波整流電路經(jīng)電容濾波后，有關(guān)電壓電流的計算可參考表。57電容濾波整流電路負(fù)載電壓的估算單相橋式整流電容濾波電路，當(dāng)負(fù)載兩端電壓平均值為12~36V時，根據(jù)負(fù)載電流大小，濾波電容容量選取的參數(shù)值見表。58濾波電容容量選取的參數(shù)值二、電感濾波電路電容濾波電路一般適用于負(fù)載電流較小且變化不大的場合。若是在負(fù)載電流很大（即負(fù)載電阻很小）的情況下，采用電容濾波，則所選用的電容器容量勢必也要很大，這樣對整流二極管的短時沖擊電流，即浪涌電流也就很大，如何選擇整流二極管和濾波電容就變得比較困難，這時采用電感濾波電路供電效果會更好。591.電感濾波原理單相橋式整流電感濾波電路如圖所示，濾波電感與負(fù)載串聯(lián)。60單相橋式整流電感濾波電路a)原理電路圖

b)波形圖2.電感濾波特點電感濾波對整流二極管沒有電流沖擊。一般來說，電感線圈感抗XL越大，濾波效果越好。為了增大XL值，電感多用帶鐵心的線圈，但其體積大，較笨重，成本高，輸出電壓也會降低，所以濾波電感常取幾亨到幾十亨。電感濾波主要用于大電流負(fù)載或電流經(jīng)常變化的場合。有些整流電路負(fù)載是電動機(jī)線圈、繼電器線圈等電感性負(fù)載，負(fù)載本身就能起到平滑脈動電流的作用，這時可以不必另加濾波電感。613.輸出直流電壓的計算由于電感線圈的直流電阻很小，整流輸出脈動電壓中直流成分在電感線圈上降得很少，幾乎全部加到負(fù)載兩端，若電感線圈感抗

，則負(fù)載兩端電壓平均值UL≈0.9U2。62三、復(fù)式濾波電路為了進(jìn)一步提高濾波電路的濾波效果，可以將電容和電感（或電阻）組合成復(fù)式濾波電路。631.LC型濾波電路在電感濾波電路的基礎(chǔ)上，再在RL上并聯(lián)一個電容，便構(gòu)成如圖所示的LC型濾波電路。脈動直流電經(jīng)過電感L，交流成分被削弱，再經(jīng)過電容濾波，將交流成分進(jìn)一步濾除，就可在負(fù)載上獲得更加平滑的直流電壓。LC型濾波電路帶負(fù)載能力較強(qiáng)，在負(fù)載變化時，輸出電壓比較穩(wěn)定。又由于濾波電容接于電感之后，因此，可使整流二極管免受浪涌電流的沖擊。采用LC型濾波電路的負(fù)載兩端電壓平均值UL=0.9U2。6465LC型濾波電路2.LC-π型濾波電路在LC型濾波電路的輸入端再并聯(lián)一個電容，便構(gòu)成LC-π型濾波電路。如圖所示。66LC-π型濾波電路L3.RC-π型濾波電路當(dāng)負(fù)載電流較小時，常選用電阻R代替LC-π濾波電路中的電感L，構(gòu)成RC-π型濾波電路，如圖所示。67RC-π型濾波電路§1-5幾種特殊用途的二極管68一、硅穩(wěn)壓二極管1.外形、圖形符號和伏安特性硅穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，其外形、圖形符號和伏安特性曲線如圖所示。69穩(wěn)壓二極管a)外形

b)圖形符號

c)伏安特性曲線國內(nèi)常用穩(wěn)壓二極管的型號有2CW55（穩(wěn)壓值6.2~7.5V）、2CW140（穩(wěn)壓值13.5~17V）等，國外生產(chǎn)的型號有1N4728A（穩(wěn)壓值3.3V）、1N4733（穩(wěn)壓值5V）、1N4735（穩(wěn)壓值6.2V）、1N4738（穩(wěn)壓值8.2V）等。還有一類具有溫度補(bǔ)償作用的穩(wěn)壓管，如2DW231，使用時一只穩(wěn)壓管處于反向擊穿狀態(tài)，另一穩(wěn)壓管處于正向?qū)顟B(tài)，兩只穩(wěn)壓管受溫度變化的影響相互補(bǔ)償。7071具有溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管2.檢測方法對于穩(wěn)壓值小于10V的穩(wěn)壓二極管，可以先按普通二極管的檢測方法判斷出穩(wěn)壓二極管的正負(fù)極性，然后將萬用表置于R×10kΩ擋（此時表內(nèi)電池電壓為10V左右）測量穩(wěn)壓管的反向電阻，若此時所測電阻值明顯減小，說明該穩(wěn)壓管有穩(wěn)壓作用。若穩(wěn)壓管反向擊穿電壓大于10V，則無法用萬用表檢測。72二、發(fā)光二極管1.外形與圖形符號發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件，常用LED表示，它是LightEmittingDiode的縮寫。發(fā)光二極管的外形和圖形符號如圖a、b所示。73發(fā)光二極管a）普通發(fā)光二極管外形

b）圖形符號

c）雙色發(fā)光二極管2.應(yīng)用發(fā)光二極管常用做顯示器件，除單個使用外，也可制成七段式數(shù)碼管或點陣顯示器，顯示數(shù)字或圖形符號。圖a、b所示為七段式數(shù)碼管的外形和電路圖，圖c所示為用LED點陣顯示器制成的公路信號燈。74LED數(shù)碼管和信號燈a）七段式數(shù)碼管外形

b）七段式數(shù)碼管電路

c）LED信號燈3.檢測方法將萬用表置于R×10kΩ擋測量其正反向電阻，當(dāng)測得正向電阻小于50kΩ，反向電阻大于200kΩ時均為正常。如果用368型萬用表，由于該表R×1