第一章晶体二极管和二极管整流电路

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1、第1章晶体二极管和二极管整流电路教学重点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。教学难点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11.1晶体二极管221.2晶体二极管整流电路431.3滤波器和稳压器44实验二稳压二极管伏安

2、特性曲线的测绘25本章小结与习题26本章总学时141.1晶体二极管教学课时教学内容教学重点2二极管的单向导电性二极管的单向导电性1.1.1晶体二极管的单向导电特性元件：电阻(R)、电容(C)、电感(L)、变压器(T)等器件：晶体二极管、晶体三极管等1 晶体二极管(1) 外形如图1.1.1(a)所示，晶体二极管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。图1.1.1晶体二极管的外形和符号(2) 图形、文字符号如图1.1.1(b)所示，晶体二极管的图形由三角 形和竖杠所组成。其中，三角形表示正极，竖杠表 示负极。V为晶体二极管的文字符号。2 晶体二极管的单向导电性动画 晶

3、体二极管的单向导电性(1)正极电位负极电位，二极管导通；(2)正极电位V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图1.1.3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 结二极管由半导体材料制成。动画 PN结1 .半导体(Si)或锗(Ge)半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。如硅半导体中，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

4、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 1.1.4所示。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)电子线路教案 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。 其中，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。（2）N型半导体：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

5、 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叫做PN结。PN结是各种半导体器件的核心。如图1.1.5所示。PN结具有单向导电特性。即：-d1N 图 1.1.5 PN 结P区接电源正极，N区接电源负极，PN结导通；反之, 晶体二极管之所以具有单向导电性，其原因是内部具有PN结截止。PN结。其正、负极对应于 PN结的P型和N型半导体，如图1.1.5所示。教学课时：2教学内容：二极管的伏安特性 教学重点：二极管伏安特性曲线1.1.3二极管的伏安特性r-动画二极管的伏安特性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

6、二极管的伏安特性。2测试电路：如图1.1.6所示。3伏安特性曲线：如图 1.1.7所示。4 .特点(1) 正向特性 正向电压 Vf小于门坎电压 VT时，二极管 截止，正向电流If =0;其中槛电压vt：；v(Ge) Vf Vt时，V导通，If急剧增大。导通后端电压基本恒定：导通电压Von肖 黑、0.3V (Ge)结论：正偏时电阻小，具有非线性。(2) 反向特性反向电压Vr Vrm(反向击穿电压)时，反向电流 很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。Vr Vrm时，Ir剧增，此现象称为反向电击穿。 应的电压Vrm称为反向击穿电压。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。Ir(M川氐qflt轴性图1.1.

7、6测试二极管伏安特性电路图1.1.7二极管伏安特性曲线1.1.4二极管的简单测试用万用表检测二极管如图1.1.8所示。1 判别正负极性万用表测试条件：R 100 或R 1 k ;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。2.判别好坏万用表测试条件：R 1 k。(1) 若正反向电阻均为零，二极管短路；(2) 若正反向电阻非常大，二极管开路。(3) 若正向电阻约几千欧姆，反向电阻非常大，二极管正常。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，用于整流费洼一，

8、摄件用：枢丼2甘成Jt(3) 按用途：如图1.1.9所示， 例如利用单向导电性把交流电变成直流电的整流二极管；利用反向击穿特性进行 稳压的稳压二极管；利用反向偏压改变PN结电容量的变容二极管；利用磷化镓把电能 转变成光能的发光二极管；将光信号转变为 电信号的光电二极管。图1.1.9二极管图形符号2 .型号举例如下整流二极管一一2CZ82B 稳压二极管一一2CW50 变容二极管一一2AC1等等。3 .主要参数(1) 普通整流二极管 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。 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。 反向漏电流Ir:规定的反向电压和环境温

9、度下，二极管反向电流值。(2) 稳压二极管动态主要参数：稳定电压 VZ、稳定电流lz、最大工作电流I ZM、最大耗散功率 PZM、 电阻迁等。教学课时：5教学内容：整流电路教学重点：整流原理、电压和电流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。二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。整流原理：利用二极管的单向导电特性，将交流电变成脉动的直流电。单相整流电路种类半波整流全波整流倍压整流变压器中心抽头式桥式1.2.1单相半波整流电路动画单相半波整流电路1 .电路如图1.2.1(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

10、 V2。2.工作原理设V2为正弦波，波形如图 1.2.1(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|图1.2.1单相半波整流电路V反偏截止，则VL 。由波形可见，V2 一周期内，负载只有单方向的半个波形，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 0.45V2( 1.2.1)(2)负载电流,Vl0.45V2(1.2.2)

11、I LR_Rl(3)二极管正向电流和负载电流Iv Il(4)二极管反向峰值电压0.45V2RlVRM- 2V2 1 -41V2选管条件：(1.2.3)(1.2.4)(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单相全波整流电路全波整流变压器中心抽头式桥式一、变压器中心抽头1.电路图变压器中心抽头式V1、V2为性能相同的整流 产生大小相等而相位相反2 .工作原理(1) V1正半周时，TV2a作用下，V1导通(V2截(2) V1负半周时，T V2b的作用下

12、，V2导通(V1可见，在V1 一周期内， 成全波脉动直流电流iL, 压VL。故电路称为全波整3 负载和整流二极(1) 负载电压VL 0.9V2(2) 负载电流VL0.9V2I LRlRl(b)疋 f图1.2.2 变压器中心抽头式全波整流电路(1.2.5)(1.2.6)式单相全波整流电路单相全波整流电路如图 1.2.2所示。 二极管；T为电源变压器，作用是 的 V2a 和 V2b。次级A点电位高于 B点电位，在 止)，iw自上而下流过Rl ;次级A点电位低于B点电位，在截止)，iv2自上而下流过Rl ;流过二极管的电流M、iV2叠加形于是Rl两端产生全波脉动直流电 流电路。管上的电压和电流(3)

13、 二极管的平均电流1Iv 2Il(1.2.7)(4) 二极管承受反向峰值电压Vrm2 2V2(1.2.8)缺点：单管承受的反向峰值压比半波整流高一倍，变压器T需中心抽头。二、单相桥式全波整流电路 动画桥式全波整流电路1. 电路图 单相桥式全波整流电路如图1.2.3所示。Vi V4为整流二极管，电路为桥式结构。2 .工作原理图1.2.3桥式整流电路(1) V2正半周时，如图1.2.4(a)所示，A点电位高于B点电位，贝V V1、V 3导通(V2、V4截止)，h 自上而下流过负载 Rl；(2) V2负半周时，如图1.2.4(b)所示，A 点电位低于B点电位，贝U V2、V4导通(V1、 V3截止)

14、，i2自上而下流过负载 Rl；由波形图1.2.5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Vlo3负载和整流二极管上的电压和电流(1) 负载电压Vl 0.9/2(2) 负载电流_Vl0.9V2I LRlRl(3) 二极管的平均电流Iv 1Il 2(1.2.9)(1.2.10)(1.2.11)(町巾沖正半阖时曲电濱方向巾沖讥丫同时的电從图1.2.4桥式整流电路工作过程图1.2.5桥式整流电路工作波形图(4) 如图1.2.6所示，二极管承受反向峰值电压为Vrm 2V2(1.2.12)优点：输出电压高，纹波小，Vrm较低，

15、应用广泛。桥式整流电路简化画法如图1.2.7所示。图1.2.7桥式整流电路简化画法图1.2.6桥式整流二极管承受的反向峰值电压例1.2.1有一直流负载，需要直流电压Vl60 V，直流电流Il4 A。若采用桥式整流电路，求电源变压器次级电压V2,并选择整流二极管。解 因为Vl 0.9V2所以V2空66.7 V0.90.9流过二极管的平均电流1 1IV Il 4A 2A2 2二极管承受的反向峰值电压Vrm. 2V2 1.41 66.7 94V查晶体管手册，可选用整流电流为 3A，额定反向工作电压为100 V的整流二极管 2CZ12A(3A/100V)四只。整流元件组合件称为整流堆，常见的有半桥2C

16、Q型,如图1.2.8(a)所示；全桥QL型，如图1.2.8(b)所示。O辱辱图1.2.8半桥和全桥整流堆优点：电路组成简单、可靠。 (图1.3.1电容滤波电路图1.3.2电容滤波输出波形(b)波形图1.3.3带电感滤波器的全波整流电路教学课时：3教学内容：滤波器、稳压电路教学重点：电容滤波器、电感滤波器、复式滤波器1.3滤波器和稳压器1.3.1滤波器作用：滤除脉动直流电中脉动成分。种类：电容滤波器、电感滤波器、复式滤波器一、电容滤波器动画电容滤波电路1. 电路特点：电容器与负载并联。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

17、电，波形如图1.3.1(b)中OA所示；在t1 t2期间，因V2 VC, V反偏截止，电容 C通过 负载放电，波形如图1.3.1(b)中AB所示；在t2 t3期间，因VC V2, V正偏导通，电容再次充电，波形如图1.3.1(b)中BC。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1.3.2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。输出电压的估算公式为Vl 1.2V2应用：小功率电源。二、电感滤波器1

18、. 电路电感滤波器如图1.3.3所示。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。缺点：体积大、重量大。三、复式滤波器结构特点：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) 电路如图1.3.4所示。L,交流成分被削弱，再经过电容 C滤波,(2) 原理：整流输出的脉动直流经过电感就可在负载上获得更加平滑的直流电压。(3)应用：较大功率电源中。图1.3.4 带L型滤波器的桥式整流电路图1.3.5型滤波器

19、桥式整流电路2.型滤波器(1) 电路如图1.3.5所示。(2) 原理：整流输出的脉动直流经过电容 脉动成分大大降低，在负载上可获得平滑的直流电压。(3) 应用：小功率电源中。C1滤波后，再经电感 L和电容C2滤波，使1.3.2硅稳压二极管稳压电路硅稳压管的伏安特性及符号如图1.3.6所示。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。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Ia Iz 条件时，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

20、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。min *图1.3.6硅稳压管的伏安特性及符号(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 rzVz/ 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(1) 电路图稳压管稳压电路如图1.3.7所示。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 f(3) 应用：小功率场合。教学课时：2教学内容：复习、习题教学重点本章小结1 半导体中有两种

21、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。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、变压器中心抽头式全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，不受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。