《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案1章晶體二極管和二極管整流電路教學(xué)重點了解半導(dǎo)體的根本學(xué)問：本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體；把握PN結(jié)的根本特性。理解半導(dǎo)體二極管的伏安特性和主要參數(shù)。了解幾種常用的二極管：硅穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、光電二極管等。把握單相半波、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。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(xué)難點PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?。整流電路和濾波電路的工作原理。硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程。序號內(nèi)序號內(nèi)容學(xué)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3425本章小結(jié)與習(xí)題6本章總學(xué)時9晶體二極管晶體二極管的單向?qū)щ娞匦栽弘娮?R)(C)(L)(T)等電子元器件器件：晶體二極管、晶體三極管等1《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案晶體二極管外形如圖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。晶體二極管的單向?qū)щ娦詣赢嬀w二極管的單向?qū)щ娦哉龢O電位＞負極電位，二極管導(dǎo)通；正極電位＜負極電位，二極管截止。

圖1.1.1 晶體二極管的外形和符號即二極管正偏導(dǎo)通，反偏截止。這一導(dǎo)電特性稱為二極管的單向?qū)щ娦浴?.1.1]1.1.3所示電路中，當開關(guān)S閉合后，H1、H2兩個指示燈，哪一個可能發(fā)光？解SV1正極電位高于負極電位，即處于正向?qū)顟B(tài)，所以H1指示燈發(fā)光。 圖1.1.3 [例1.1.1]電路圖PN結(jié)二極管由半導(dǎo)體材料制成。動畫PN結(jié)半導(dǎo)體Si)或鍺(Ge)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中，能夠運載電荷的的粒子有兩種：自由電子：帶負電 空穴：帶與自由電子等量的正電載流子：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。本征半導(dǎo)體不加雜質(zhì)的純潔半導(dǎo)體晶體。如本征硅或本征鍺。本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率低，為提高導(dǎo)電性能，需摻雜，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，在本征半導(dǎo)體(4價)中摻入硼或磷等雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。依據(jù)摻雜的物質(zhì)不同，可分兩種：2

圖1.1.4 半導(dǎo)體的兩種載流子《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案P型半導(dǎo)體：本征硅(或鍺)中摻入少量硼元素(3價)所形成的半導(dǎo)體，如P型硅。其中，多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。N型半導(dǎo)體：本征硅(或鍺)中摻入少量磷元素(5價)所形成的半導(dǎo)體，如N型硅。其中，多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴。將PN型半導(dǎo)體使用特別工藝連在一起，形成PN結(jié)。PN結(jié)N型和P型半導(dǎo)體之間的特別薄層叫做PN結(jié)。PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的核心。如圖1.1.5所示。PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。即?/p>

圖1.1.5 PN結(jié)P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，PN結(jié)導(dǎo)通；反之，PN結(jié)截止。晶體二極管之所以具有單向?qū)щ娦?，其緣由是?nèi)PN結(jié)。其正、負極對應(yīng)于PNPN1.1.5所示。二極管的伏安特性動畫二極管的伏安特性定義二極管兩端的電壓和流過的電流之間的關(guān)系曲線叫作二極管的伏安特性。1.1.6所示。伏安特性曲線：如圖1.1.7所示。特點正向特性

圖1.1.6 測試二極管伏安特性電路VF

小于門坎電壓VT

VFI=0；F其中，門檻電壓VT

0.5V(Si)0.20.2V(Ge)FF端電壓根本恒定：導(dǎo)通電壓V

V兩0.7V(Si)on 0.3V(Ge)結(jié)論：正偏時電阻小，具有非線性。反向特性R反向電壓V RRM

IR很小，且近似為常數(shù)，稱為反向飽和電流。RVRVRM時，IR

劇增，此現(xiàn)象稱為反向電擊穿。對

圖1.1.7 二極管伏安特性曲線VRM

稱為反向擊穿電壓。結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。3《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案二極管的簡潔測試用萬用表檢測二極管如圖1.1.8所示。判別正負極性萬用表測試條件：R100或R1k；時，黑表筆接觸處為正極，紅表筆接觸處為負極。判別好壞萬用表測試條件：R1k。假設(shè)正反向電阻均為零，二極管短路；假設(shè)正反向電阻格外大，二極管開路。

圖1.1.8 萬用表檢測二極管假設(shè)正向電阻約幾千歐姆，反向電阻格外大，二極管正常。二極管的分類、型號和參數(shù)分類按材料分：硅管、鍺管；按PN結(jié)面積：點接觸型(電流小，高頻應(yīng)用)、面接觸型(電流大，用于整流)；1.1.9所示，例如利用單向?qū)щ娦园褱贤娮兂芍绷麟姷恼鞫O管；利用反向擊穿特性進展穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管；利用反向偏壓轉(zhuǎn)變PN結(jié)電容量的變?nèi)荻O管；利用磷化鎵把電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光二極管；將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姸O管。型號舉例如下整流二極管——2CZ82B穩(wěn)壓二極管——2CW50變?nèi)荻O管——2AC1等等。主要參數(shù)一般整流二極管

圖1.1.9 二極管圖形符號FM①最大整流電流I ：二極管允許通過的最大正向工作電流平均值。FMVRM：二極管允許承受的反向工作電壓峰值。RI：規(guī)定的反向電壓和環(huán)境溫度下，二極管反向電流值。R穩(wěn)壓二極管ZZ Z ZM 主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓V、穩(wěn)定電流I、最大工作電流I 、最大耗散功率P 、動態(tài)電阻rZZ Z ZM 4《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案晶體二極管整流電路整流：把溝通電變成直流電的過程。二極管單相整流電路：把單相溝通電變成直流電的電路。整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將溝通電變成脈動的直流電。半波整流 變壓器中心抽頭式單相整流電路種類全波整流橋式單相半波整流電路

倍壓整流動畫單相半波整流電路電路1.2.1(a)所示。V：整流二極管，把溝通電變成脈動直流電；1 Tvv1 工作原理2v為正弦波，波形如圖1.2.1(b)所示。22v正半周時，A點電位高于B點電位，二極管2L 2Vvv；L 22v負半周時，A點電位低于B點電位，二極管2LVv。L2由波形可見，v一周期內(nèi)，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?qū)щ娦钥砂呀?

圖1.2.1 單相半波整流電路vvv

的半個波2 L 2形，故稱為半波整流電路。負載和整流二極管上的電壓和電流負載電壓負載電流

VL0.45V2 (1.2.1)I VL

0.45V

(1.2.2)L R RL L二極管正向電流和負載電流0.45VI I 2V L RL

(1.2.3)二極管反向峰值電壓V 2VRM

25

(1.2.4)

圖1.2.2 心抽頭式全波整流電路《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案選管條件：二極管允許的最大反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓；二極管允許的最大整流電流應(yīng)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。解決方法：全波整流。單相全波整流電路變壓器中心抽頭式全波整流橋式一、變壓器中心抽頭式單相全波整流電路電路圖2a 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為性能一樣的整流二極管；T為電源變壓器，作用是產(chǎn)生大小相等而相位相反的v 和v 2a 工作原理1v正半周時，T次級A點電位高于B點電位，在12a 1 2 V1 Lv 作用下，V導(dǎo)通(V截止)，i 自上而下流過R；2a 1 2 V1 L1v負半周時，T次級A點電位低于B點電位，在1v 的作用下，V導(dǎo)通(V截止)，i 自上而下流過R；2b 2 1 V2 L1 V1 V2可見，在v一周期內(nèi)，流過二極管的電流i 、i 疊1 V1 V2加形成全波脈動直流電流iR

兩端產(chǎn)生全波脈動直L Lv。故電路稱為全波整流電路。

圖1.2.3 橋式整流電路L負載和整流二極管上的電壓和電流負載電壓V 0.9VL 2

(1.2.5)負載電流V 0.9VI L 2L R RL L

(1.2.6)

圖1.2.4 橋式整流電路工作過程二極管的平均電流1IV2IL

(1.2.7)二極管承受反向峰值電壓V 2 2V (1.2.8)RM 2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

圖1.2.5 橋式整流電路工作波形圖6《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案V單相橋式全波整流電路如圖1.2.3所示。V1V4為整流二極管，電路為橋式構(gòu)造。2．工作原理V1()v12

1.2.4(a)所示，A點電位高于BV、

導(dǎo)通(、V3 2V1V截止)，i1V4

R；L(2)v1.2.4(b)所示，A點電位低于B點電位，則V、V

導(dǎo)通(V、2V截止)，iV3

R；L

2 4 12 1 1.2.5可見，v一周期內(nèi)，兩組整流二極管輪番導(dǎo)通產(chǎn)生的單方向電流i2 1 i。于是負載得到全波脈動直流電壓v。L L3．負載和整流二極管上的電壓和電流負載電壓負載電流

V L 2

(1.2.9)V 0.9V二極管的平均電流

I L 2L R RL L

(1.2.10)I 1IV 2

(1.2.11)1.2.6所示，二極管承受反向峰值電壓為V 2VRM

(1.2.12)優(yōu)點：輸出電壓高，紋波小，VRM所示。

較低，應(yīng)用廣泛。橋式整流電路簡化畫法如圖1.2.7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1.2.1]有始終流負載，需要直流電壓VL60VI

4A。假設(shè)承受橋式整流電路，求電源變壓器次級電壓V

L，并選擇整流二極管。2解由于VL

0.9V2

所以V2

V 60V L V0.9 0.9流過二極管的平均電流I 1IV 2

14A2A2二極管承受的反向峰值電壓V 2V 1.4166.794VRM 23A，額定反向工作100V2CZ12A(3A/100V)四只。整流元件組合件稱為整流堆，常見的有半橋2CQ型，7

圖1.2.8 半橋和全橋整流堆《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案1.2.8(a)所示；全橋QL1.2.8(b)所示。優(yōu)點：電路組成簡潔、牢靠。1.3 濾波器和穩(wěn)壓器濾波器作用：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(fù)式濾波器一、電容濾波器動畫電容濾波電路電路特點：電容器與負載并聯(lián)。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。10t1

v2

的作用，V正偏導(dǎo)通，電容C充

圖1.3.1 電容濾波電路1.3.1(bOA所示； 在t t期間，因v v，反偏截止，電容 1 2 2 C1.3.1(bAB所示； 在t t期間，因v v 2 3 C 21.3.1(bBC。重復(fù)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一樣，不同點是：v正、負半周2V 內(nèi)，、輪番導(dǎo)通，對電容CCV 1 2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VL1.2V2

圖1.3.2 電容濾波輸出波形應(yīng)用：小功率電源。二、電感濾波器電路1.3.3所示。特點：電感與負載串聯(lián)。工作原理利用流過電感電流不能突變原理平滑輸出電流。

圖1.3.3 濾波器的全波整流電路當電路電流增加時，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。8《電子線路》配套多媒體CAI課件 電子教案應(yīng)用：較大功率電源。缺點：體積大、重量大。三、復(fù)式濾波器構(gòu)造特點：電容與負載并聯(lián)，電感與負載串聯(lián)。性能特點：濾波效果好。1．L型濾波器1.3.4所示。原理：整流輸出的脈動直流經(jīng)過電感L，溝通成分被減弱，再經(jīng)過電容C濾波，就可在負載上獲得更加平滑的直流電壓。應(yīng)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 型濾波器橋式整流電路2．型濾波器1.3.5所示。1 原理：整流輸出的脈動直流經(jīng)過電容CLC濾波，使1 應(yīng)用：小功率電源中。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。穩(wěn)壓電路：抑制電網(wǎng)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。硅穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。當工作電流I 滿足I I IZ A Z B條件時，穩(wěn)壓管兩端電壓V幾乎不變。Z穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)V——穩(wěn)壓管在規(guī)定Z電流下的反向擊穿電壓。ZI——穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。ZZ最大穩(wěn)定電流Imax——穩(wěn)壓管允許長期通過的最大反向電流。Z

圖1.3.6 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號9CAI課件電子教案ZZ Z r——穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與電流變化量的比值，即rV/IZZ Z 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理電路圖1.3.7所示。V為穩(wěn)壓管，起電流調(diào)整作用；R電路的穩(wěn)壓過程：

圖1.3.7 硅穩(wěn)壓管整流穩(wěn)壓電路ZVO↓→IZ

↓→I

↓→V

↓→V↑RRO應(yīng)用：小功率場合。RRO本章小結(jié)N型