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第1篇晶体二极管

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1晶体二极管
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第 1 章 晶体二极管和二极管整流电路 本章学习目标 1.1 晶体二极管 1.2 晶体二极管整流电路 1.3 滤波器和硅稳压管稳压电路 本章小结 本章学习目标 1. 理解半导体的基本常识,掌握 PN 结的单向导电性。 2. 熟悉晶体二极管的外形、图形符号、文字符号。 3. 掌握晶体二极管的伏安特性和参数,会用万用表检测 二极管。 4. 理解整流的含义,清楚典型的整流电路类型,能分析其 工作原理,能进行相应的计算。 5. 理解滤波的概念,能清楚整流滤波器件和常用的滤波 方式,掌握滤波的电路形式,理解电容滤波及电感滤 波的工作原理,了解选择滤波电容的选择要求。 6. 熟悉稳压二极管的工作特性和参数,理解硅稳压二极 管稳压电路的工作原理。 1.1 晶体二极管 1.1.1 晶体二极管的单向导电特性 1.1.2 PN 结 1.1.3 二极管的伏安特性 1.1.4 二极管的简单测试 1.1.5 二极管的分类、型号和参数 工程应用 1.1.1 晶体二极管的单向导电特性 (1)外形:由密封的管体 和两条正、负电极引线所组 成。管体外壳的标记通常表 示正极。如图所示; (2)符号: 三角形——正极, 竖杠——负极, V——二极管的文字符号。 1.晶体二极管 2.晶体二极管的单向导电性: 动画 PN 结的单向导电性 (1)正极电位 > 负极电位,二极管导通; (2)正极电位 < 负极电位,二极管截止。 即二极管正偏导通,反偏截止。这一导电特性称为二 极管的单向导电性。 [例 1.1.1] 如图所示电路中,当开关 S 闭合后,H1、H2 两个指示灯,哪一个可能发光? 解 由电路图可知,开关 S 闭合后,只有二极管 V1正极 电位高于负极电位,即处于正向导通状态,所以 H1 指示灯发 光。 1.1.2 PN 结 PN 结的形成 二极管由半导体材料制成。 1.半导体:导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。 如硅(Si)或锗(Ge)半导体。 半导体中,能够运载电荷的的粒子有两种: 自由电子:带负电 空穴:带与自由电子等量的正电 均可运载电荷——载流子 载流子:在电场的作用下定向移动的自由电子和空穴 ,统称载流子,如图 所示。 半导体的两种载流子 动画 两种载流子 2.本征半导体:不加杂质的纯净半导体晶体。如本征硅或 本征锗。 本征半导体电导率低,为提高导电性能,需掺杂,形成杂 质半导体。 3.杂质半导体:为了提高半导体的导电性能,在本征半导 体(4 价)中掺入硼或磷等杂质所形成的半导体。 根据掺杂的物质不同,可分两种: (1)P 型半导体:本征硅(或锗)中掺入少量硼元素(3 价)所 形成的半导体,如P型硅。多数载流子为空穴,少数载流子为电 子。 (2)N 型半导体:在本征硅(或锗)中掺入少量磷元素(5 价) 所形成的半导体,如 N 型硅。其中,多数载流子为电子,少数 载流子为空穴。 将 P 型半导体和 N 型半导体使用特殊工艺连在一起,形成 PN 结。 4.PN 结:N 型和 P 型半导体之间的特殊薄层称为 PN 结 。PN 结是各种半导体器件的核心。如图所示。 PN 结 晶体二极管之所以具有单向导电 性,其原因是内部具有一个PN 结。其 正、负极对应于 PN 结的 P 型和 N 型 半导体。 P 区接电源正极,N 区接电源负极 ,PN 结导通;反之,PN 结截止。 PN 结具有单向导电特性。即: 动画 PN 结的形成 1.1.3 二极管的伏安特性 测试二极管伏安特性电路 1.定义:二极管两端的 电压和流过的电流之间的关 系曲线叫作二极管的伏安特 性。 2.测试电路:如图所示。 3.伏安特性曲线:如图所示。 4.特点: 结论:正偏时电阻小,具有非线性。 导通后 V 两端电压基本恒定: ② VF>VT 时,V 导通,IF 急剧增大。 ① 正向电压 VF 小于门坎电压 VT 时,二极管 V 截 止,正向电流 IF = 0; 其中,门坎电压 (1)正向特性 (2)反向特性 VR > VRM 时,IR 剧增,此现象称为反向电击穿。对应 的电压 VRM 称为反向击穿电压。 反向电压 VR < VRM(反向击穿电压)时,反向电流 IR 很小,且近似为常数,称为反向饱和电流。 结论:反偏电阻大,存在电击穿现象。 1.1.4 二极管的简单测试 万用表检测二极管 将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时,黑表 笔接触处为正极,红表笔接触处为负极。 1.判别正负极性 用万用表检测二极管如图所示。 万用表测试条件:R ×100 或 R×1 k 挡; 2.判别好坏 万用表检测二极管 万用表测试条件:R  1k。 (3)若正向电阻约几千欧,反向电阻非常大,二极管正常。 (2)若正反向电阻非常大,二极管开路。 (1)若正反向电阻均为零,二极管短路; 1.1.5 二极管的分类、型号和参数 1.分类 (1)按材料分:硅管、锗 管 (2)按 PN 结面积:点接触 型(电流小,高频应用)、面接 触型(电流大,用于整流) (3)按用途:如图所示。 二极管图形符号 ① 整流二极管:利用单向导电性把交流电变成直流电的二 极管。 ② 稳压二极管:利用反向击穿特性进行稳压的二极管。 ③ 发光二极管:利用磷化镓把电能转变成光能的二极管。 ④ 光电二极管:将光信号转变为电信号的二极管。 ⑤ 变容二极管:利用反向偏压改变 PN 结电容量的二极管 2.型号举例如下: 整流二极管——2CZ82B 稳压二极管——2CW50 变容二极管——2AC1 等等。 3.主要参数 主要参数:稳定电压 VZ、稳定电流 IZ、最大工作电流 IZM、最大耗散功率 PZM、动态电阻 rZ 等。 (2)稳压二极管 ③ 反向漏电流 IR :规定的反向电压和环境温度下,二极 管反向电流值。 ② 最高反向工作电压 VRM :二极管允许承受的反向工作电 压峰值。 ① 最大整流电流 IFM :二极管允许通过的最大正向工作电 流平均值。 (1)普通整流二极管 工程应用 发光二极管和光电二极管的检测 1. 发光二极管的检测与普通二极管的检测方法基本相似,但由 于发光二极管的正向导通电压一般在 1.5 V 以上,故检测时 必须用万用表的 R  10k 挡,正向电阻小于 50 k ,反相电 阻大于 200 k 时发光二极管为正常。 2. 由于光电二极管工作时应加反向电压,故检测时着重观察反 向电阻在有无光照时的变化,用万用表的 R  1k 挡,当有 光照时,反向电阻小,无光照时,反向电阻大为正常,当无 光照时电阻差别很小,表明光电二极管的质量不好。 1.2 晶体二极管整流电路 1.2.1 单相半波整流电路 1.2.2 单相桥式整流电路 1.2 晶体二极管整流电路 整流:把交流电变成直流电的过程。 整流原理:二极管的单向导电特性 二极管单相整流电路:把单相交流电变成直流电的电路。 半波整流 桥式整流 倍压整流 单相整流电路种类 1.2.1 单相半波整流电路 1.电路 如图(a)所示 V:整流二极管,把交流电变 成脉动直流电; T:电源变压器,把 v1 变成整 流电路所需的电压值 v2。 2. 工作原理 设 v2 为正弦波,波形如前页图 (b) 所示。 (1)v2 正半周时,A 点电位高于 B 点电位,二极管 V 正偏 导通,则 vL  v2; (2)v2 负半周时,A 点电位低于 B 点电位,二极管 V 反偏 截止,则 vL  0。 由波形可见,v2 一周期内,负载只用单方向的半个波形, 这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。 上述过程说明,利用二极管单向导电性可把交流电 v2 变 成脉动直流电 vL。由于电路仅利用 v2 的半个波形,故称为半 波整流电路。 3.负载和整流二极管上的电压和电流 (1)负载电压 VL VL = 0.45 V2 (1.2.1) (2)负载电流 IL (1.2.2) (3)二极管正向电流 IV 和负载电流 IZ (1.2.3) (4)二极管反向峰值电压 VRM (1.2.4) 选管条件 (1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电 压; (2)二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际 工作电流。 电路缺点:电源利用率低,纹波成分大。 解决办法:全波整流。 1.2.2 单相桥式整流电路 1.电路如图V1 ~ V4 为整流二极管 ,电路为桥式结构 (2)v2 负半周时,如图(b)所示,A 点电位低于 B 点电位, 则 V2、V4 导通(V1、V3 截止),i2 自上而下流过负载 RL。 桥式整流电路工作过程 2.工作原理 (1)v2 正半周时,如图(a)所示,A 点电位高于 B 点电位, 则 V1、V3导通(V2、V4截止),i1 自上而下流过负载 RL; 由波形图可见,v2 一 周期内,两组整流二极管 轮流导通产生的单方向电 流 i1 和 i2 叠加形成了 iL。 于是负载得到全波脉动直 流电压 vL。 桥式整流电路工作波形图 3.负载和整流二极管上的电压和电流 (1)负载电压 VL (1.2.9) (2)负载电流 IL (1.2.10) (3)二极管的平均电流 IV (1.2.11) (4)二极管承受反向峰值电压 VRM (1.2.12) 优点:输出电压高,纹波小,VRM 较低,应用广泛。 4.桥式稳流电路的简化画法 [例1.2.1] 有一直流负载,需要直流电压 VL= 60 V ,直流 电流 IL= 4 A。若采用桥式整流电路,求电源变压器二次电压 V2 选择整流二极管。 解 因为 VL = 0.9V2 所以 流过二极管的平均电流 二极管承受的反向峰值电压 查晶体管手册,可选用整流电流为 3 安培,额定反向工作电 压为 100 V 的整流二极管 2CZ12A(3 A/100 V)4 只。 半桥和全桥整流堆 整流元件组合件称为整流堆,常见的有: (1)半桥:2CQ 型,如图(a)所示; (2)全桥:QL 型,如图(b)所示。 优点:电路组成简单、可靠。 1.3 滤波器和稳压器 1.3.1 滤波器 1.3.2 硅稳压二极管稳压电路 1.3.1 滤波器 特点:电容器与负载并联。 作用:滤除脉动直流电中 脉动成分。 种类:电容滤波器、电感 滤波器、复式滤波器 1.电路 一、电容滤波器 2.工作原理: 利用电容器两端电压不能突 变原理平滑输出电压。 在 0 ~ t1 期间,因 v2 的作用, V 正偏导通,电容 C 充电,波形 如图(b)中 OA 所示; 在 t1 ~ t2 期间,因 v2 v2,V 正偏导通,电容再次充电,波形 如图(b)中 BC。 具有电容滤波器的 半波整流电路 重复上述过程,可得近于平滑波形。这说明,通过电容的 充放电,输出直流电压中的脉动成分大为减小。 全波整流电容滤波输出波形如图所示。 工作原理与半波整流电路相同,不同点是:v2 正、负半周内 ,V1、V2 轮流导通,对电容 C 充电两次,缩短了电容 C 向负载 的放电时间,从而使输出电压更加平滑。 输出电压估算公式为 VL  1.2V2 应用:小功率电源。 全波整流电路电容滤 波输出波形 工程应用 一、电容滤波的直流电压输出及整流管与滤波电容的选择 电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择 ½ IL1.2V2V2 桥式整流 电路 ILV2V2 半波整流 电路 通过的 电流 最大反 向电压 带负载时 的电压 (估算值) 负载开路 时的电压 二极管的电压与电流整流电路的输出电压 输入交流 电压 (有效值) 整流电路 的类型 1.电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择 2. 滤波电容的选择 电容的选择从电容耐压和容量两个方面考虑: (1)耐压:在电路中电容耐压值要大于负载开路时整流 电路的输出电压。 (2)电容容量:滤波电容器 C 的容量选择与电路中的负 载电流 IL 有关,当负载电流加大后,要相应的增加电容量。 表 列出的数据供选用时参考 滤波电容容量表 输输出电电流 IL/ A 210.5 ~ 10.1 ~ 0.50.05 ~ 0.14 0.05 以 下 电电容器容 量 C/ F 400020001000500200 ~ 500 100 注:此为全波整流电容滤波在 VL = 12 ~ 36 V 时的参考值。 缺点:体积大、重量大。 带电感滤波器 二、电感滤波器 1.电路 特点:电感与负载串联 2.工作原理 利用流过电感电流不能突变原理平滑输出电流。 当电路电流增加时,电感存储能量;当电流减小时,电感 释放能量。使负载电流比较平滑,从而得到比较平滑的直流电 压。 应用:较大功率电源。 三、复式滤波器 (3)应用:较大功率电源中。 结构特点:电容与负载并联,电感与负载串联。 性能特点:滤波效果好。 1.L 型滤波器 (1)电路: (2)原理:整流输出的脉动直流经过电感 L,交流成分 被削弱,再经过电容 C 滤波,就可在负载上获得更加平滑 的直流电压。 L 型滤波器桥式整流电路 2. 型滤波器  型滤波器桥式整流电路 (3)应用:小功率电源中。 (2)原理: 整流输出的脉动直流经过电容 C1 滤波后,再 经电感 L 和电容 C2 滤波,使脉动成分大大降低,在负载上可 获得平滑的直流电压。 (1)电路: 1.3.2 硅稳压二极管稳压电路 滤波电路:将脉动的直流电变成平滑的直流电。 稳压电路:抑制电网电压 和整流电路负载的变化引起的 输出电压变化,将平滑的直流 电变成稳定的直流电。 硅稳压管的伏安特性及符号 1.硅稳压二极管的特性 (1)稳压管工作在反向击 穿状态。 (2)当工作电流 IZ 满足条 件 IA IZ IB 时,稳压管两 端电压 VZ 几乎不变。 2.稳压二极管的主要参数 (1)稳定电压 VZ — 稳压管在规定电流下的反向击穿电压。 (2)稳定电流 IZ -- 稳压管在稳定电压下的工作电流。 (3)最大稳定电流 IZmax — 稳压管允许长期通过的最大反 向电流。 (4)动态电阻 rZ — 稳压管两端电压变化量与电流变化量 的比值,即 rZ = VZ / IZ 。此值越小,管子稳压性能越好。 3.稳压管稳压电路的工作原理 硅稳压管整流稳压电路 (1)电路: V 为稳压管,起电流调整作用;R 为限流电阻 ,起电压调整作用。 (2)电路的稳压过程:VO↓→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑ (3)应用:小功率场合。 本章小结 1. 半导体中有两种载流子:电子和空穴。N 型半导体中 电子是多数载流子,P 型半导体中空穴是多数载流子 。PN 结具有单向导电特性。 2. 二极管内有一个 PN 结,因此,具有单向导电特性。 二极管因伏安特性是非线性,所以是非线性器件。二 极管的门槛电压,硅管约 0.5 V,锗管约 0.2 V;导通 时正向压降硅管约 0.7 V,锗管约 0.3 V。 本章小结 3. 利用二极管的单向导电特性可以组成把交流电变成直流 电的整流电路,常见的有半波整流和桥式全波整流。 4. 滤波电路的作用是使脉动的直流电压变换为较平滑的直 流电压。常见的滤波器有电容滤波器、电感滤波器和复 式滤波器。 5. 稳压电路的作用是保持输出电压的稳定,减少电网电压 和负载变化的影响。最简单的稳压电路是带有稳压管的 稳压电路。 本章重点 1. 了解半导体的基本知识:本征半导体、掺杂半导体;掌 握 PN 结的基本特性。 2. 理解半导体二极管的伏安特性和主要参数。 3. 了解几种常用的二极管:硅稳压二极管、变容二极管 、发光二极管、光电二极管等。 4. 掌握单相半波、桥式全波整流电路的电路组成、工作 原理与性能特点;了解电容滤波电路的工作原理。 5. 了解硅稳压管的稳压特性及稳压电路的稳压原理。 本章难点 1.PN 结的单向导电特性。 2.整流电路和滤波电路的工作原理。 3.硅稳压管稳压电路的稳压过程。 学时分配 序 号内 容学 时时 1 1.1 晶体二极管2 2 1.2 晶体二极管整流电电路2 3 1.3 滤滤波器和稳压稳压 器3 4 实验实验 二 稳压稳压 二极管伏安特性曲线线的测测 绘绘 2 5 本章小结结 6 本章总总学时时9
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