讲义-晶体二极管和二极管整流电路

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 1 2 3 4 5 6 1.1晶体二极管 1.2晶体二极管整流电路 1.3滤波器和稳压器 实验二 稳压二极管伏安特性曲线的测绘 本章小结与习题 本章总学时 内 容 学 时 2 2 3 2 9 1.1 晶体二极管

1.1.1 晶体二极管的单向导电特性

电容(C)、电感(L)、变压器(T)等元件：电阻(R)、 电子元器件体三极管等器件：晶体二极管、晶

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《电子线路》教案

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。

(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＜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。

图1.1.3 [例1.1.1]电路图 图1.1.1 晶体二极管的外形和符号 1.1.2 PN结

二极管由半导体材料制成。 动画 PN结

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均可运载电荷——载流子 空穴：带与自由电子等量的正电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)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：

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图1.1.4 半导体的两种载流子 《电子线路》教案

(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：

P区接电源正极，N区接电源负极，PN结导通；反之，PN结截止。 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。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。

图1.1.5 PN结 1.1.3 二极管的伏安特性

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

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；

0.5V (Si)其中，门槛电压VT

0.2V (Ge) 图1.1.6 测试二极管伏安特性电路

② VFVT时，V导通，IF急剧增大。导通后V两

0.7V (Si)端电压基本恒定：导通电压Von

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IR

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。对应的电压VRM称为反向击穿电压。

结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。

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图1.1.7 二极管伏安特性曲线 《电子线路》教案

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。

图1.1.8 万用表检测二极管 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。

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 (1) 普通整流二极管

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。 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。 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) 稳压二极管

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。

图1.1.9 二极管图形符号

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《电子线路》教案

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。

半波整流变压器中心抽头式 单相整流电路种类全波整流桥式倍压整流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 ILVL0.45V2 (1.2.2) RLRL 图1.2.1 单相半波整流电路 (3) 二极管正向电流和负载电流

0.45V2 IVIL (1.2.3) RL(4) 二极管反向峰值电压

VRM2V21.41V2 (1.2.4)

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图1.2.2 变压器中心抽头式全波整流电路 《电子线路》教案

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 单相全波整流电路

变压器中心抽头式 全波整流桥式一、变压器中心抽头式单相全波整流电路 1．电路图

变压器中心抽头式单相全波整流电路如图1.2.2所示。V1、V2为性能相同的整流二极管；T为电源变压器，作用是产生大小相等而相位相反的v2a和v2b。

2．工作原理

(1) v1正半周时，T次级A点电位高于B点电位，在v2a作用下，V1导通(V2截止)，iV1自上而下流过RL；

(2) v1负半周时，T次级A点电位低于B点电位，在v2b的作用下，V2导通(V1截止)，iV2自上而下流过RL；

可见，在v1一周期内，流过二极管的电流iV1、iV2叠加形成全波脉动直流电流iL，于是RL两端产生全波脉动直流电压vL。故电路称为全波整流电路。

3．负载和整流二极管上的电压和电流

(1) 负载电压

VL0.9V2 (1.2.5) (2) 负载电流

V0.9V2 ILL (1.2.6)

RLRL(3) 二极管的平均电流 1 IVIL (1.2.7)

2(4) 二极管承受反向峰值电压 VRM22V2 (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

6 图1.2.3 桥式整流电路 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 《电子线路》教案

单相桥式全波整流电路如图1.2.3所示。V1V4为整流二极管，电路为桥式结构。 2．工作原理

(1) v2正半周时，如图1.2.4(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；

(2) v2负半周时，如图1.2.4(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；

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vL。

3．负载和整流二极管上的电压和电流

(1) 负载电压

VL0.9V2 (1.2.9)

(2) 负载电流

V0.9V2 ILL   (1.2.10)

RLRL(3) 二极管的平均电流

1 IVIL (1.2.11)

2(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，应用广泛。桥式整流电路简化画法如图1.2.7所示。

图1.2.6 桥式整流二极管承受的反向峰值电压 图1.2.7 桥式整流电路简化画法

[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，求电源变压器次级电压V2，并选择整流二极管。

V60V解 因为VL0.9V2 所以V2L66.7V

0.90.9流过二极管的平均电流

11IVIL4A2A

22二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2CQ型，

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图1.2.8 半桥和全桥整流堆 《电子线路》教案

如图1.2.8(a)所示；全桥QL型，如图1.2.8(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

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．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。

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图1.3.3 带电感滤波器 的全波整流电路 图1.3.2 电容滤波输出波形 图1.3.1 电容滤波电路 《电子线路》教案

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。

(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。

(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。

(3) 应用：小功率电源中。

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IB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。

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图1.3.6 硅稳压管的伏安特性及符号 《电子线路》教案

(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 (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↑ (3) 应用：小功率场合。

图1.3.7 硅稳压管整流稳压电路 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。

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。

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