【中学课件】二极管及其应用

1、.第四章 二极管及其应用一、根本要求：1.理解PN结的单向导电性；2.理解半导体二级管、稳压管的根本构造、工作原理、特性曲线，理解主要参数的意义；3.理解单相整流电路，如半波、桥式整流电路的整流原理；4理解整流电压、电流的波形及其整流电压、电流的平均值与交流电压有效值之间的大小关系，并能选用整流元件；5.理解滤波电路主要是电容滤波及稳压管稳压电路的根本原理；6.理解二级管的其它应用，如门电路、限幅电路等。二、阅读指导 1.半导体的导电性能1半导体半导体是指导电才能介于导体和绝缘体之间的一类物质，如四价元素硅、锗、硒和大多数金属氧化物、硫化物等。在外界温度升高、光照或掺入适量杂质时，其导电才能大

2、大增强。2本征半导体纯洁四价元素以共价健形式构成晶构造，称为晶体。本征半导体就是完全纯洁的具有晶体构造的半导体。环境温度升高或光照时产生本征激发， 形成自由电子空穴对。电子带负电，空穴带正电，在外电场作用下挪动导电，称为载流子。其数量取决于环境温度的变化。3杂质半导体P型半导体和N型半导体 P型：在纯洁半导体材料中掺入适量三价元素，形成空穴型P型半导体。导电才能大大高于本征半导体。在此类型中，空穴是多数截流子，自由电子是少数截流子。N型：在纯洁半导体材料中掺入适量五价元素，形成电子型N型半导体。自由电子是“多子，空穴为“少子。杂质半导体的导电才能大大增强，其多数载流子是主要导电媒介，它取决于杂

3、质含量；少数载流子是靠本征激发产生，其多少取决于环境温度。2.PN结用一定的工艺方法将两种杂质半导体结合在一起，如图41所示， 图4-1在交界面上，由于载流子浓度差异而产生扩散现象，扩散的截流子在交界两侧形成带电的正、负离子，在交界处形成空间电荷区，称为PN结。空间电荷区的特性：1 正、负离子形成的内电场E内阻止多数截流子继续扩散； 2 内电场对少数截流子有吸引作用，形成少子的逆向运动称为漂移。3 当扩散运动与漂移运动到达动态平衡时，空间电荷区厚度一定，形成PN结。3. PN结的单向导电性1 正向电压：P区接电源正极，N区接电源负极。外电场削弱了内电场，扩散运动加强，扩散运动大于漂移运动，形成

4、正向电流Ia。空间电荷区变薄，正向电阻很小，电流Ia受负载电阻RL控制，称为正向导通。 2 反向电压：N区接正极，P区接负极。外电场加强了内电场，漂移运动增强，漂移运动大于扩散运动，形成反向电流IR。空间电荷区加厚，反向电阻很大，因IR很小IR 0少数载流子，称为反向截止。所以，PN结即二极管具有单向导电性。4. 整流电路要学会分析整流电路的工作原理，能分别找出在交流电压的正半周和负半周时电流的通路，分析哪个二极管导通，哪个截止，要求会画整流电压、电流的波形图，会求整流电压、电流的平均值，以及对不同的整流电路，其整流元件所能承受的最高反向电压UDRM。常见的几种整流电路见表4-1。 表4-1

5、常见的几种整流电路类型电路整流电压的波形整流电压平均值每管电流平均值每管承受最高反压单相半波0.45U2单相全波0.9 U22单相桥式0.9 U25. 滤波器电路 1有电容滤波器时，在同样的交流电压U作用下，整流电压的平均值U0比无电容滤波时要大。在负载端开路的情况下，。有负载电阻RL时，的大小可估算确定：半波整流电容滤波 U0 U全波整流电容滤波 U0 1.2U桥式整流电容滤波 U0 1.2U 2有电容滤波器时，整流二极管在截止时所承受的最高反向电压UDRM 如表42。 表42 截止二极管上的最高反向电压UDRM电路无电容滤波有电容滤波单项半波整流2单项全波整流22单项桥式整流 3 有电容滤

6、波器时，输出电压平均值决定于时间常数R LC。R LC越大，负载电压平均值U0越大。一般要求R LC35。 4由于电容滤波电路的输出电压平均值U0 受R LC的大小影响较大，所以只适用于输出电压较高，负载电流小且变化不大的场合。5电感滤波电路的特点及电路参数关系在电感滤波电路中，因为电感中的电流不能突变，所以流过整流二极管的电流比较平稳。当负截电流变化时，输出电压变化小，所以该滤波电路适用于负载电流大的场合。由于感抗对高次谐波产生压降大，这种滤波电路的输出直流电压近似为U0 0.9U2 。6. 直流稳压电路稳压原理：稳压电路原理图如图42所示。它是利用稳压管的反向击穿特性，当电路的电源电压波动

7、或负载电流变化时，引起稳压管电流变化，使通过限流电阻上的电压发生变化来维持输出电压根本不变。 图42 稳压过程：三、例题解析：例4.1 如图43a所示电路，E=10V。试画出的波形图。解析： 在图43a所示电路中，首先二极管起整流作用，将图434b所示输入电压，变成单方向脉动电压，如图43c所示。二极管起单向限幅作用，当时，二极管截止，；当时，二极管导通，。由此可画出的波形如43d所示。图43a，b，c，d 注：二极管的应用非常广泛。这里，我们看到二极管的整流D1、斩波D2作用。例4.2 楼道中的路灯常常通霄长明，灯泡使用寿命很短，工人师傅在电路中串联一只二极管如图44。假设灯泡是220V/1

8、00W的，试问：(1) 在此情况下灯泡上电压有效值及消耗功率各为多少？(2) 二极管的最大整流平均电流及最高反向电压应选多大？ 解析：此题属半波整流的具体应用，按照非正弦波信号求有效值和平均值的定义可求得， 图441 V W2 mA其中 V据此应选用2CZ11D型二极管，V。例4.3 在图4-5a所示电路中V，双向稳压管的稳定电压V，稳压电流mA，最大稳定电流mA。试画出输出电压的波形，并求限流电阻R的最小值。 图45a，b，c 解析：双向稳压管的构造原理是，正反两个方向均可击穿稳压。 当，稳压管击穿，输出恒定；当时，稳压管截止，输出 。由此可画出的波形如图45 c所示。 注： 该电路是一个利

9、用双向稳压管实现信号双向限幅的电路，R选的适宜将获得梯形波。一般取R的最大值为，即R值可在间任选。 例4.4 电路如图4-6所示。V，W，mA，负载电流的变化范围是mA，副边电压V,电网电压波动为10%。设滤波电容足够大， 试求：(1) 输出电压； 2 R的取值范围；3假设将稳压管接反，那么后果如何？图46 解 1 V2因为电容器的电容量C足够大，所以 V 当电网电压波动10%时，的波动范围为 V 稳压管的最大稳定电流为, mA 所以R的取值范围为97.3144。 3 假设将稳压管接反，由于的正向电阻很小，会造成电源短路。四习题选解4-2 a导通，-6V； b截止，-12V； cD1优先导通，

10、0V； dD1通，0V4-3 题4-3a，b4-4 ui=0V时，D1优先导通；ui=3V时，D2、D3、D4优先导通。4-5 截止。提示：将二极管拿掉，求二极管两端的电位。4-6 ui=5V时，D截止，u0 =3V；ui=0V时，D导通，u0 =0V。4-8uoDZ2D1RuiDZ1D2题 4-8图 题 4-8a4-9 限流电阻R上电流为,mA mA当时 ，代入数据得：mA ，代入数据得：mA电流I的范围23mA17mA，在25mA10mA范围内，所以电路能正常工作。而当%时，电流I的范围2911mA，所以电路不能正常工作。4-10 a8.7V b18V c8V d0.7V4-13 u01、u02为单相全波波形极性上正、下负；U01=U02=0.9U2。 题4-13a，b4-14 1U0=1.4U2=28V，RL未接入。2U0=1.2U2=24V，电路正常工作。 3U0=0.9U2=18V，电容C未接入。4U0=0.