04二極管與晶閘管第四章二極管與晶閘管4-1二極管4-2直流穩(wěn)壓電源4-3晶閘管二極管4-14-1二極管在硅或鍺等純凈半導(dǎo)體中摻入微量合適的雜質(zhì)元素，可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強(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，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，在它們的交界面兩側(cè)就會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)。一、二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號4-1二極管由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼即可組成一個二極管，如圖4-1-1a所示。二極管的兩個引出極，一個稱為正極，另一個稱為負(fù)極。二極管的文字符號為VD或V，圖形符號如圖4-1-1b所示，圖中的箭頭指向?yàn)槎O管正向電流的方向。4-1二極管1.?二極管的單向?qū)щ娦远O管最重要的特性是單向?qū)щ娦?，這可以通過圖4-1-2所示的實(shí)驗(yàn)加以說明。將開關(guān)置于位置1時指示燈亮，將開關(guān)置于位置2時指示燈不亮，由此可見，當(dāng)二極管外加正向電壓（正偏）時二極管導(dǎo)通，外加反向電壓（反偏）時二極管截止，這就是二極管的單向?qū)щ娦?。二、二極管的導(dǎo)電特性和主要參數(shù)4-1二極管二極管導(dǎo)通后其正向壓降幾乎不隨流過電流的大小而變化，硅管的正向壓降約為0.7V，鍺管的約為0.3V。二極管反向截止時，仍有很小的反向電流。在一定范圍內(nèi)，即使反向電壓增大，反向電流基本保持不變，所以又稱為反向飽和電流。當(dāng)反向電壓增加到某一數(shù)值時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，這時的電壓稱為反向擊穿電壓。4-1二極管2.?二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM最大整流電流IFM

是指二極管允許通過的最大正向工作電流的平均值。如實(shí)際工作電流超過此值，二極管可能會因過熱而損壞。（2）最高反向工作電壓URM最高反向工作電壓

URM

是指二極管允許承受的最高反向工作電壓峰值，一般規(guī)定最高反向工作電壓為反向擊穿電壓的1/3～1/2。（3）反向飽和電流

IR反向飽和電流IR

是指二極管在規(guī)定的反向電壓和環(huán)境溫度下的反向電流值。因?yàn)镻N結(jié)中的反向電流是由少數(shù)載流子形成的，而少數(shù)載流子的數(shù)量受溫度的影響很大，所以二極管的反向電流越小，表明其熱穩(wěn)定性越好。4-1二極管1.?整流二極管整流二極管實(shí)物圖如圖4-1-3所示，電路圖形符號為二極管的基本符號。利用二極管的單向?qū)щ娦裕梢詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為脈動直流電，整流電路波形如圖4-1-4所示。三、常用二極管4-1二極管2.?穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管的實(shí)物和圖形符號如圖4-1-5所示。4-1二極管穩(wěn)壓二極管是采用特殊工藝制作的硅材料二極管，其外形與普通二極管相似，其特性與普通二極管的區(qū)別是：反向擊穿電壓可根據(jù)需要制成不同規(guī)格，當(dāng)管子擊穿時，只要控制反向電流不要太大，穩(wěn)壓二極管就可以長時間工作在反向擊穿狀態(tài)，并保持兩端電壓幾乎不變。圖4-1-6所示為一個最簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，圖中R為限流電阻。4-1二極管3.發(fā)光二極管利用二極管的電致光效應(yīng)，可制成各種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形和圖形符號如圖4-1-7所示，文字符號常用LED表示。發(fā)光二極管常用作照明或顯示器件，除單個使用外，也可制成數(shù)碼管或點(diǎn)陣顯示器，顯示數(shù)字或圖形文字，甚至用成千上萬個發(fā)光二極管點(diǎn)陣制成超大面積的戶外顯示屏幕。4-1二極管4.?光敏二極管光敏二極管也稱光電二極管，是一種將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)，但是它的PN結(jié)接觸面積較大，可以通過管殼上的一個窗口接受入射光。光電二極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖4-1-8所示。4-1二極管圖4-1-9所示為遠(yuǎn)紅外遙控電路，圖4-1-9a所示為發(fā)射電路，圖4-1-9b所示為接收電路。4-1二極管光電二極管不僅能構(gòu)成光電傳感器件，如果制成受光面積大的光電二極管，則可化為一種能源，稱為光電池。圖4-1-10所示為光電池LED路燈。4-1二極管5.開關(guān)二極管開關(guān)二極管一般用于接通或切斷電路，它是利用PN結(jié)的正向偏置導(dǎo)通、反向偏置截止的特性完成工作的。開關(guān)二極管與普通二極管相比，其反向恢復(fù)時間（從截止到導(dǎo)通）更短，開關(guān)頻率更快。應(yīng)用鏈接圖4-1-13所示為汽車光電式點(diǎn)火信號發(fā)生器示意圖。汽車光電式點(diǎn)火信號發(fā)生器應(yīng)用鏈接光電式點(diǎn)火信號發(fā)生器主要由遮光盤、分電器轉(zhuǎn)軸、電源、光接收器等組成，采用發(fā)光二極管作為光源。發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線光束一般還要用一只近似半球形的透鏡聚焦，以便增大光束強(qiáng)度，有利于光接收器接收。光接收器可以是光敏二極管，也可以是光敏三極管。光接收器與光源相對，以便使光源發(fā)出的紅外線光束聚焦后照射到光接收器上。遮光盤安裝在分電器轉(zhuǎn)軸上，位于分火頭下面，其外緣開有與發(fā)動機(jī)缸數(shù)相同的缺口。當(dāng)遮光盤隨分電器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光源發(fā)出的射向光接收器的光束被遮光盤交替遮擋，因而光接收器交替導(dǎo)通與截止，形成矩形脈沖點(diǎn)火信號，經(jīng)放大整形后被送到電子點(diǎn)火控制單元。直流穩(wěn)壓電源4-24-2直流穩(wěn)壓電源汽車蓄電池是直流電源，必須用直流電源對其進(jìn)行充電；如果是交流電源，必須先將其轉(zhuǎn)換為直流電源才能為蓄電池充電。直流穩(wěn)壓電源的作用就是把交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，所以也稱其為（AC/DC）變換器。直流穩(wěn)壓電路主要由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖4-2-1所示。4-2直流穩(wěn)壓電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程稱為整流，具有單向?qū)щ娦缘亩O管是最常用的整流元件。一、整流電路1.?單相橋式整流電路單相橋式整流電路通常由一個降壓變壓器、四只整流二極管和一個負(fù)載組成，如圖4-2-2所示。4-2直流穩(wěn)壓電源當(dāng)

u2

為正半周時，設(shè)A

端為正，B端為負(fù)，則二極管VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止，電流通路如圖4-2-2a中實(shí)線所示，RL

上的電流方向?yàn)橛缮舷蛳?，電壓極性為上正下負(fù)。當(dāng)u2為負(fù)半周時，設(shè)B

端為正，A

端為負(fù)，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3截止，電流通路如圖4-2-2a中虛線所示，RL

上的電流方向和電壓極性與u2

正半周時相同。單相橋式整流電路負(fù)載上得到的脈動直流電壓在一周內(nèi)的平均值為UL=0.9U2單相橋式整流電路具有變壓器利用率高、平均直流電壓大和脈動小等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應(yīng)用。4-2直流穩(wěn)壓電源2.?三相橋式整流電路一般的直流電源采用單相整流電路，較大容量的直流電源則采用三相整流電路。三相橋式整流電路如圖4-2-3所示，電源變壓器一次繞組接成△形，二次繞組接成形。VD1、VD2、VD3共陰極連接，VD4、VD5、VD6共陽極連接。4-2直流穩(wěn)壓電源三相橋式整流電路工作波形如圖4-2-4所示。4-2直流穩(wěn)壓電源3.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硅整流堆，簡稱硅堆。采用硅整流堆構(gòu)成整流電路占用線路板空間小，安裝方便，可靠性好。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，簡稱橋堆，通常采用塑料或陶瓷封裝；大電流硅堆則采用特殊工藝制造，通常采用金屬封裝，有的還直接帶有散熱器。常見硅堆外形如圖4-2-5所示。4-2直流穩(wěn)壓電源1.?橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路如圖4-2-6所示，濾波電容與負(fù)載并聯(lián)（圖中采用單相橋式整流電路的簡化畫法）。二、濾波電路4-2直流穩(wěn)壓電源2.?電感濾波電路電感濾波電路如圖4-2-7所示，濾波電感與負(fù)載串聯(lián)。4-2直流穩(wěn)壓電源當(dāng)負(fù)載電流iL發(fā)生變化時，電感線圈兩端要產(chǎn)生自感電動勢來阻礙電流的變化，所以iL的脈動程度大為減弱，輸出電壓的波形變得較為平滑。電感濾波對整流二極管沒有電流沖擊。一般來說，感抗越大，濾波效果越好。為了增大L值，電感多用帶鐵芯的線圈，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。4-2直流穩(wěn)壓電源3.?復(fù)式濾波電路為了進(jìn)一步提高濾波效果，可以將電容器和電感器（或電阻器）組合成復(fù)式濾波電路。（1）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4-2-8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，就可以在負(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。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。4-2直流穩(wěn)壓電源（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4-2-9所示。LC-π型濾波電路比LC型濾波電路的輸出電壓高，波形也更平滑，但帶負(fù)載能力較差，仍存在浪涌電流對整流二極管的影響。為了減小浪涌電流，一般取C2>C1。4-2直流穩(wěn)壓電源（3）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4-2-10所示。脈動電壓中交流分量在電阻R上產(chǎn)生較大的壓降，使輸出電壓中的交流成分減少，電阻R同時對直流分量也會產(chǎn)生直流壓降，產(chǎn)生直流功率損耗，使輸出直流電壓降低。電阻R的值越大，濾波效果越好，但能量損耗也越大。4-2直流穩(wěn)壓電源交流電壓經(jīng)整流、濾波后已變成較為平滑的直流電，但常常會受電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化的影響，必須采用穩(wěn)壓措施，才能保證負(fù)載兩端的電壓基本不變。目前普遍應(yīng)用的是集成穩(wěn)壓器，根據(jù)其工作方式可分為線性集成穩(wěn)壓器和開關(guān)集成穩(wěn)壓器兩類。線性集成穩(wěn)壓器根據(jù)引腳數(shù)可分為三端式集成穩(wěn)壓器、四端式集成穩(wěn)壓器、多端式集成穩(wěn)壓器，其中三端式集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用最廣。三、集成穩(wěn)壓器4-2直流穩(wěn)壓電源常用三端式集成穩(wěn)壓器有CW78××固定正電壓輸出、CW79××固定負(fù)電壓輸出系列等。CW7800型如圖4-2-11a所示，如果要求輸出電壓可以調(diào)節(jié)，可選用CW117型（見圖4-2-11b）、CW317型等三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。4-2直流穩(wěn)壓電源CW7805型集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖4-2-12所示，其輸出電壓為+5V。4-2直流穩(wěn)壓電源CW117型集成穩(wěn)壓器電路的接法如圖4-2-13所示，圖中R、RP通常稱為取樣電阻，調(diào)節(jié)RP即可在允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓值。應(yīng)用鏈接電動汽車中的整流器又稱AC/DC變換器，其功能是將汽車交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換為穩(wěn)定的直流電提供給用電設(shè)備使用或汽車蓄電池儲存。配有整流器的整體式交流發(fā)電機(jī)電路原理如圖4-2-14所示。整流器在汽車中的應(yīng)用應(yīng)用鏈接圖4-2-14中，VD1～VD6組成三相橋式全波整流電路，當(dāng)發(fā)電機(jī)工作時，定子繞組產(chǎn)生三相交流電動勢，經(jīng)整流后輸出直流電壓，向負(fù)載供電并向蓄電池充電。VD7、VD8、VD9三只小功率二極管和VD2、VD4、VD6組成的三相橋式整流電路，專門供應(yīng)磁場電流。當(dāng)接通點(diǎn)火開關(guān)SW時，蓄電池電流便經(jīng)點(diǎn)火開關(guān)SW→充電指示燈→發(fā)電機(jī)端子D+→磁場繞組LF→調(diào)節(jié)器內(nèi)部大功率晶體管→搭鐵→蓄電池負(fù)極構(gòu)成回路，此時充電指示燈亮，指示磁場電流接通并由蓄電池供電。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)電機(jī)D+端電壓也隨之升高，充電指示燈兩端電位差降低，指示燈亮度變暗。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓升高到蓄電池端電壓時，發(fā)電機(jī)B端與D+端電位相等，充電指示燈亮熄滅，指示發(fā)電機(jī)已正常工作，磁場電流由發(fā)電機(jī)自身供給。當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，充電系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能正常發(fā)電，D+端無電壓輸出時，充電指示燈因兩端電位差增大而發(fā)亮，警示駕駛員應(yīng)及時排除故障。晶閘管4-34-3晶閘管1.?外形、結(jié)構(gòu)和電路符號晶閘管按封裝形式不同有塑封式（小功率）、平板式（中功率）和螺栓式（中、大功率）等，如圖4-3-1所示，平板式和螺栓式晶閘管使用時固定在散熱器上。一、普通晶閘管4-3晶閘管晶閘管的文字符號為V或SCR，圖4-3-2所示為普通（單向）晶閘管的圖形符號，它是在二極管圖形符號的基礎(chǔ)上又增加了一個控制極，表示其特性相當(dāng)于一個帶有控制端的特殊二極管。4-3晶閘管2.?導(dǎo)電特性晶閘管的導(dǎo)電特性可通過圖4-3-3所示的實(shí)驗(yàn)加以說明。圖4-3-3中晶閘管陽極A、陰極K、燈泡HL和電源GB1構(gòu)成主回路；控制極G、陰極K、電阻R、開關(guān)SA和電源GB2構(gòu)成控制回路。4-3晶閘管（1）正向阻斷如圖4-3-3a所示，給晶閘管加正向電壓，而控制極不加正向電壓，燈不亮，這種狀態(tài)稱為正向阻斷。（2）觸發(fā)導(dǎo)通如圖4-3-3b所示，晶閘管加正向電壓，再閉合開關(guān)SA，使控制極和陰極之間也加上正向電壓（觸發(fā)電壓），這時燈亮，說明晶閘管已導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為觸發(fā)導(dǎo)通。4-3晶閘管（3）維持導(dǎo)通晶閘管一旦導(dǎo)通后，維持陽極電壓不變，斷開觸發(fā)電壓（即斷開開關(guān)SA），燈仍亮，說明晶閘管一旦正向?qū)?，控制極便失去作用，這種狀態(tài)稱為維持導(dǎo)通。使導(dǎo)通后的晶閘管關(guān)斷的方法是將陽極電流減到足夠小的程度，即維持電流以下。（4）反向阻斷如圖4-3-3c所示，晶閘管加反向電壓，這時不論是否加控制電壓，也不論控制極所加是正向電壓還是反向電壓，燈都不亮，晶閘管都不導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為反向阻斷。4-3晶閘管雙向晶閘管有三個極：第一陽極A1（T1）、第二陽極A2（T2）和控制極G。雙向晶閘管在功能上相當(dāng)于兩個門極連在一起的兩只反向并聯(lián)的晶閘管，而雙向二極管相當(dāng)于兩只反向并聯(lián)的二極管。雙向晶閘管和雙向二極管的圖形符號如圖4-3-4所示。二、雙向晶閘管4-3晶閘管1.?單相橋式可控整流電路單相橋式可控整流電路及其波形如圖4-3-5所示。三、晶閘管的應(yīng)用4-3晶閘管（1）u2

為正半周時，晶閘管V1和二極管V4承受正向電壓，這時未加觸發(fā)電壓，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，輸出電壓uo=0。（2）在t1時刻（ωt=α）加入觸發(fā)脈沖uG，晶閘管V1觸發(fā)導(dǎo)通。（3）在ωt=α～π期間，盡管觸發(fā)脈沖uG

已消失，但晶閘管仍保持導(dǎo)通，直至u2過零（ωt=π）時，晶閘管才自行關(guān)斷。在此期間uo=u2，極性為上正下負(fù)。（4）u2

為負(fù)半周時，晶閘管V2和二極管V3承受正向電壓，只要觸發(fā)脈沖uG

到來，晶閘管就導(dǎo)通，負(fù)載上所得到的仍為上正下負(fù)的電壓。4-3晶閘管在控制極加上觸發(fā)脈沖使晶閘管開始導(dǎo)通的角