半导体二极管及其应用电路

半导体二极管及其应用电路第1页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/422.1半导体基本知识

2.2半导体二极管2.3整流电路2.4滤波电路2.5倍压整流电路2.6应用电路介绍第2页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/43半导体(semiconductor)器件是在20世纪50年代初发展起来的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、PN结(PN

junction)的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结构特点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些EWB电路仿真技能。

第3页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/44

2.1

半导体基本知识

半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独特性能是分不开的。

半导体的导电能力受各种因素影响：

1.热敏特性温度升高，大多数半导体的电阻率下降。由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做成各种热敏元件。

2.光敏特性许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利用这种特性可制成各种光电元件。

3.掺杂特性在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管晶闸管、场效应管等。第4页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/452.1.1

本征半导体在半导体物质中，目前用得最多的材料是硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子的数目都是4个，因此被成为四价元素，如图2-1所示。

天然的硅和锗材料是不能制成半导体器件的，必须经过高度提纯工艺将它们提炼成纯净的单晶体。单晶体的晶格结构是完全对称，原子排列得非常整齐，故常称为晶体，就是我们所说的本征半导体其平面示意图如图2-2所示。

共价键图2-1

图2-2

第5页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/46当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫空穴。如图2-3所示。如图所示的A处为空穴，B处为自由电子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子—空穴对。把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子—空穴对的现象，叫本征激发。在本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。

图2-3

第6页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/472.1.2杂质半导体1.N型半导体

在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子能放出电子，因此称为“施主杂质”。显然掺入的杂质越多，杂质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的电子—空穴对的浓度，所以杂质半导体的导电性能远超过本征半导体。

在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种杂质原子能吸收电子，因此称为“受主杂质”。在这种杂质半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正电荷，所以称其为P型半导体（P-typesemiconductor）或空穴型半导体。2.P型半导体第7页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/48需要指出的是：不论是N型还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍然呈中性。为突出杂质半导体的主要特征，在画P型或N型半导体时，常常只画多子和离子成对出现，如图2-4所示。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1000倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。图2-4第8页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/492.1.3

PN结及其单向导电性在电子技术中，PN结是一切半导体器件的“元概念”和技术起始点。1.PN结的形成半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运动两种方式，相应地也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。

在PN结形成的过程中，多子的扩散和少子的漂移既相互联系、又相互矛盾。初始阶段，扩散运动占优势，随后扩散运动的减弱显然伴随着漂移运动的不断加强。最后，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，将形成一个稳定的空间电荷区，这个相对稳定的空间电荷区就叫做PN结。第9页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/410若在PN结两端接上外加电源，也就是PN结被偏置了。由于偏置电压的作用，动态平衡遭到破坏。PN结将显示出其单向导电的性能，PN结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。2.PN结的正向导通

正向偏置的意思是：P区加正、N区加负电压。此时，外部电场的方向是从P区指向N区，显然与内电场的方向相反，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱。内电场的削弱使多数载流子的扩散运动得以增强，形成较大的扩散电流（有多子的定向移动形成，即所谓常称的电流）。在一定范围内，外电场越强，正向电流越大，PN结对正向电流呈低电阻状态，这种情况就称为PN结正向导通。PN结的正向导通作用原理图如图2-6所示。图2-6

第10页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4113.PN结的反向截止

反向偏置的意思是：P区加负、N区加正电压。此时，外部电场的方向与内电场的方向一致，使空间电荷区变宽，内电场继续增强，造成多数载流子扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。但由于常温下少数载流子恒定且数量不多，故反向电流极小，而电流小说明PN结的反向电阻很高，通常可以认为反向偏置的PN结不导电，基本处于截止状态，这种情况就称为PN结反向阻断。PN结的反向阻断作用原理图如图2-7所示。

当外加的反向电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化。这是因为反向电流是由少子漂移形成的。只要温度不发生变化，少数载流子的浓度就不变，即使反向电压在允许的范围内再增加再多，也无法使少子的数量增加，这时反向电流趋于恒定，因此反向电流又称为反向饱和电流。

PN结的上述“正向导通，反响阻断”作用，说明PN结具有单向导电性。图2-7

第11页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4122.1.4

PN结的反向击穿PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。

反向击穿又分为热击穿和电击穿。热击穿由于电压很高、电流很大，消耗在PN结上的功率相应很大，极易使PN结过热而烧毁，即热击穿过程不可逆。

电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿，对于硅材料的PN结来说，击穿电压大于7V时为雪崩击穿，小于4V时为齐纳击穿。在4V余7V之间，两种击穿都有。

雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击穿，两者均属于电击穿。电击穿过程通常是可逆过程，当加在PN结两端的反向电压降低后，PN结仍可恢复到原来的状态，而不会造成永久损坏。

第12页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4132.2

半导体二极管2.2.1二极管的结构与类型

将ＰＮ结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型、平面型等

。

1.点接触型二极管特点是ＰＮ结面积小，不能通过较大电流，但高频性能好。2.面接触型二极管结面积较大，故可允许通过较大电流，但其工作频率低。3.平面型二极管平面型二极管的质量最好。平面型二极管结面积较小的适合作高频管或高速开关，结面积较大的则作大功率调整管。第13页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4142.2.2二极管的伏安特性二极管最主要的特性就是单向导电性，可以用伏安特性曲线来说明。所谓伏安特性曲线就是电压与电流的关系曲线，如图2-9所示。图2-9

第14页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4151.正向特性（forwardcharacteristics）当二极管的正向电压很小时，几乎没有电流通过二极管。正向电压超过某数值后，才有正向电流流过二极管，这一电压值称为死区电压。

2.反向特性（reversecharacteristics）当二极管加上反向电压时，只有极小的反向电流流过二极管。二极管的反向电流具有两个特点:第一个特点是它随温度上升而增长很快，另一个特点是只要外加的反向电压在一定范围之内，反向电流基本不随反向电压变化。3.反向击穿（reversebreakdown）特性当反向电压高到一定数值时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿。如果二极管的反向电压超过这个数值，而没有适当的限流措施，会因电流大，电压高，将使管子过热而造成永久性的损坏，这就是热击穿。

二极管的正向电压大于死区电压后，有较大的正向电流通过二极管，称为二极管导通。第15页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4164.温度对特性的影响由于半导体的导电性能与温度有关，所以二极管的特性对温度很敏感，温度升高时二极管正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动，如图2-10所示。变化的规律：在室温附近，温度每升高1℃，正向电压减小2～2.5mV，即温度系数约为-2.3mV/℃；温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。击穿电压也下降较多。图2-10

第16页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/417

4）最高工作频率

主要由ＰＮ结结电容的大小决定。信号频率超过此值时，结电容的容抗变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，反向电流很大。于是，二极管的单向导电性变坏。5）二极管使用注意事项①加在二极管上的电流、电压、功率以及环境温度等都不应超过规范表所允许的极限值。②整流二极管不应直接串联或并联使用。如需串联，每个二极管应并联一个均压电阻。若需并联，每个二极管应串联均流电阻。

③二极管在容性负载线路中工作时，额定整流电流值应降低20%使用。④二极管在三相线路中使用时，所加的交流电压须比相应的单相线路中降低15%。⑤在焊接二极管时最好用45W以下的电烙铁进行，并用镊子夹住引线根部，以免烫坏管芯。⑥二极管的引线弯曲处应大于外壳端面5mm，以免引线折断或外壳破裂。⑦对于功率较大，需要附加散热器时，应按要求加装散热器并使之良好接触。⑧在安装时，二极管元件应尽量避免靠近发热元件。第17页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4183.二极管的直流电阻和交流电阻1）直流电阻指加在二极管上的直流电压与流过管子的直流电流之比，即指在工作点附近，电压变化量与电流之比与点有关。在工程计算中用处不大，但可用来说明二极管的单向导电性的好坏，平时用万用表测出的就是直流电阻。2）交流电阻（动态电阻）

与工作点有关，通常正向交流电阻为几欧至几十欧。注意只能用来计算变化量。的近似公式：(当时)第18页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4192.2.4二极管的分析方法由二极管组成的电路是非线性电路，它的分析方法有：图解分析法和模型分析法等。1.理想模型在电路中相当于一个理想开关，只要二极管外加正向电压稍大于零，它就导通，相当于开关闭合；如图(a)所示。当反偏时，二极管截止，相当于开关断开，如图(b)所示。2.恒压降模型该模型由理想二极管与电压源串联构成，它与理想模型的区别，仅在于它的正向压降不再认为是零，而是接近实际工作的某一定值，且不随电流而变。不过，这只有当流经二极管的电流近似等于或大于1mA时才是正确的。显然，这种模型较理想模型更接近实际二极管。如图(c)所示。

第19页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4203.小信号模型如果只研究电压微变量与电流微变量之间的关系时，我们可以用特性曲线在该固定值处的切线来近似代替这一小段曲线，如图2-14(a)所示，该切线的斜率的倒数，即为二极管在该固定值处的动态（微变）电阻。所以，可用来近似代替二极管，称为二极管的小信号模型（或微变模型），如图(b)所示。例2-3：

已知图2-17(a)所示电路中，,，，二极管为硅管，试流过二极管的电流。切记：采用交直流叠加原理图2-14图2-17第20页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/421解：

首先令，利用二极管的恒压源模型，求出二极管的直流工作电流二极管的动态电阻

再令，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交流电流

所以，流过二极管的电流第21页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/422解：

首先令，利用二极管的恒压源模型，求出二极管的直流工作电流二极管的动态电阻

再令，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交流电流

所以，流过二极管的电流第22页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4232.2.5特殊二极管介绍1.硅稳压二极管

硅稳压管又简称稳压管是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，与普通二极管不同的是，稳压管的工作区域是反向齐纳击穿去，故而也称为齐纳二极管，图符号如图2-18(a)所示。

稳压管的伏安特性与普通二极管相似，如图2-18(b)所示，由于稳压二极管的反向击穿可逆，因此工作时不会发生“热击穿”，图示稳压管的反向击穿区比较陡直，说明其反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值和最大稳定电流。图2-18第23页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/424稳定电压：是指稳压管正常工作时的额定电压值。由于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的是一个电压范围值。

最大稳定电流：是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压管将出现热击穿而损坏。

稳定电流：是指工作电压等于时的稳定工作电流值。

耗散功率：参数简介：是指反向电流通过稳压二极管的PN结时，会产生一定的功率损耗使PN结的结温升高。是稳压管正常工作时能够耗散的最大功率。

动态电阻：是指稳定管端电压变化量与相应电流变化量之比。稳压管的动态电阻越小，则反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。

第24页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4252.光电二极管光电二极管也是一种ＰＮ结型半导体元件，可将光信号转换成电信号，广泛应用于各种遥控系统、光电开关、光探测器，以及以光电转换的各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制、激光接收等方面。在机电一体化时代，光电二极管已成为必不可少的电子元件。光电二极管的实物、符号及伏安特性如图2-21所示。

光电二极管是一种光接收器件。它的管壳上有一个玻璃窗口以便接受光照，当光线辐射于ＰＮ结时，提高了半导体的导电性。

图2-21第25页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4263.发光二极管发光二极管是一种光发射器件，能把电能直接转换成光能的固体发光器件，发明于20世纪60年代。与普通二极管一样，发光二极管的管芯也是由PN结组成，具有单向导电性。发光二极管的实物、符号、伏安特性曲线如图2-22所示。图2-22发光二极管具有体积小、工作电压低（1.5～3V）、工作电流小（10～30mA）、发光均匀稳定且亮度比较高、响应速度快、寿命长以及价格低廉等优点，被广泛用作电子设备的通断指示灯或快速光源、光电耦合器中的发光元件、光学仪器的光源和数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件等领域。

第26页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/427随着近年来发光二极管发光效能逐步提升，充分发挥发光二极管的照明潜力，将发光二极管作为发光光源的可能性也越来越高，发光二极管无疑为近几年来最受重视的光源之一。一方面凭借其轻、薄、短、小的特性，另一方面借助其封装类型的耐摔、耐震及特殊的发光光形，发光二极管的确给了人们一个很不一样的光源选择，但是在人们只考虑提升发光二极管发光效能的同时，如何充分利用发光二极管的特性来解决将其应用在照明时可能会遇到的困难，目前已经是各国照明厂家研制的目标。有资料显示，近年来科学家开发出用于照明的新型发光二极管灯泡。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍。第27页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4284.变容二极管普通二极管由于存在结电容所以有电容效应。二极管结电容大小除了与本身工艺有关还与外加电压有关。当反偏电压增加，结电容就减小，变容二极管是这种效应显著的二极管。图2-23是它的符号和伏安特性曲线。图2-23

由特性曲线可知，改变变容二极管直流反偏电压就可以达到改变电容量的目的。不同型号的管子其电容量最大值可能是5～300pF。最大电容与最小电容之比约5:1。变容二极管可用于高频电路，例如用作电视接收调谐回路中的可变电容器，用改变直流偏压的方法来选择频道。

第28页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4295.肖特基二极管肖特基二极管是由金属和Ｎ型或Ｐ型半导体接触形成具有单向导电性的的二极管。图2-24a是肖特基二极管电路符号。肖特基二极管具有反向恢复时间短（最低可小于10ns）和正向压降低（可达0.4V）的特点。在数字集成电路中，它与晶体三极管做在一起，形成肖特基晶体管，可以提高开关速度。6.快恢复二极管快恢复二极管工作原理与普通二极管相似，但制造工艺与普通二极管不同，在靠近ＰＮ结的掺杂浓度很小，可获得较高的开关速度，正向压降亦较低，反向恢复时间约为200～750ns，高速的可达10ns，与肖特基二极管相比，其耐压高得多。它主要用在高速整流元件、开关电源和逆变电源作整源二极管，以降低关断损耗，提高效率和减少噪声。图2-24b是它的电路符号。图2-24

第29页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/430

2.3整流电路二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变为单向脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相桥式电路。2.3.1单相半波整流电路

1.电路组成及工作原理设：

图2-25

在的正半周二极管VD因正向偏置而导通，有电流流过二极管和负载。

在的负半周时，二极管反向偏置而截止，因此二极管电流和负载电流均为零。

此时，二极管两端承受一个反向电压，其值就是变压器二次侧电压，即

第30页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/431图2-26

2.负载上的直流电压和电流的计算直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。半波整流电路为

负载的电流平均值为图2-26中画出了整流电路中各处的波形图。这种电路利用二极管的单向导电性，使电源电压的半个周期有电流通过负载，故称为半波整流电路。半波整流在负载上得到的是单向脉动直流电压和电流。第31页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4323.二极管的选择流经二极管的电流与负载电流相等，故选用二极管要求其由图2-26可见，二极管承受的最大反向电压就是变压器二次侧交流电压的最大值，即根据和计算值，查阅有关半导体器件手册，选用合适的二极管型号使其定额接近或略大于计算值。

第32页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4332.3.2单相全波整流电路

1.变压器中心抽头的全波整流电路

全波整流电路利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使VD1、VD2在正半周和负半周内轮流导电，而且二者流进的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。当的极性为上正下负时（设正半周）VD1导通，VD2截止流过，在负载上得到的输出电压极性上正下负；当的极性为上负下正时，（设负半周）VD1截止，VD2导通，由图可见，流过时产生的电压极性与正半周时相同，因此在负载上可以得到一个单方向的脉动电压。全波整流电路的波形见图2-28。

(1)电路组成及工作原理第33页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/434(2)负载上的直流电压和电流的计算全波整流电路负载上得到的输出电压或电流的平均值是半波整流电路的两倍图2-28

(3)整流二极管的选择流经二极管的电流平均值为负载电流的一半，故对选择二极管要求其在正半周VD1导通，VD2截止，此时变压器两个二次侧电压全部加在二极管VD2的两端，因此二极管承受的反向峰值电压是的两倍，即

第34页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.单相桥式整流电路

(1)电路组成及工作原理

为了克服单向半波整流电路的缺点，可采用单向桥式整流电路，其由四个二极管接成电桥形式，因此而称为桥式整流电路，图2-30所示为桥式整流电路的几种画法。

图2-30

第35页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4362.单相桥式整流电路

在的正半周，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；在的负半周，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。这样，在负载上得到的是一个全波整流电压。四个二极管两两轮流导通，因此正、负半周内都有电流流过第36页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/437(2)负载上的直流电压和电流的计算桥式整流电路的输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，因此，桥式整流电路的输出电压平均值为

桥式整流电路中，由于每只二极管只导通半个周期，故每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即在的正半周，VD1、VD3导通，将它们看做短路，这样，VD2、VD4就并联在两端，承受的最大反向峰值电压为(3)整流二极管的选择

二极管的最大整流电流

二极管的最大反向电压，按其截止时所承受的反向峰值电压有

第37页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/438将单向桥式整流电路中的4个二极管集成在一起，就成为一个整流桥，整流桥的外形如图2-32所示。在电路连接时，整流桥的a、b两个端子与交流输入电压相连接，c、d两个端子与直流输出电压相连接，其中c端为正极性，d端为负极性。

图2-32

第38页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/439整流电路小结1.单相半波整流电路输出电压的平均值负载的电流平均值二极管的电流二极管承受的最大反向电压第39页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4402.单相全波整流电路

输出电压的平均值负载的电流平均值二极管的电流二极管承受的最大反向电压第40页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4413.单相桥式整流电路负载的电流平均值二极管的电流二极管承受的最大反向电压输出电压的平均值第41页，共67页，2023年，2月20日，星期四697页泛读第42页，共67页，2023年，2月20日，星期四第43页，共67页，2023年，2月20日，星期四第44页，共67页，2023年，2月20日，星期四第45页，共67页，2023年，2月20日，星期四应用二：自动感应节能灯电路自动感应节能灯电路

第46页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4472.4滤波电路2.4.1滤波的概念整流电路的输出电压是脉动的直流电压，含有较大的谐波成分，不适合电子电路使用。为使其适用于电子电路，需要用低通滤波器将高频成分滤除，使脉动直流电压变为平滑的直流电压。常用的低通滤波器一般由电容滤波器、电感滤波器和型滤波器等。利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

脉动系数Ｓ为纹波因数γ为

脉动系数Ｓ便于理论计算，而纹波因数γ便于测量。

第47页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/448

2.4.2桥式整流电容滤波电路

在整流电路的输出端并联一个大电容即构成一个包含滤波环节的桥式整流电路滤波电路，如图2-33所示。图2-33

第48页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/449根据以上分析可知，采用电容滤波后，有如下几个特点：

1．负载电压中的脉动成分降低了许多。2．负载电压的平均值有所提高。在一定时滤波电容越大，越大。工程估算时可按下式进行为使滤波效果良好，一般取时间常数的值大一些，通常选取

3.在含有电容滤波的桥式整流电路中，由于滤波电容C充电时的瞬时电流很大，形成了浪涌电流，浪涌电流极易损坏二极。因此，在选择二极管时，必须留有足够电流裕量。一般可按2～3倍的输出电流来选择二极管。

考虑电网电压的波动，电容C的耐压值可选为（1.5～2）U2第49页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4502.4.3其他滤波电路1.桥式整流电感滤波电路

电感滤波的桥式整流电路一般适用于低电压、大电流的负载电路，在整流电路与负载电路之间串接一个电感线圈L，就构成一个含有电感滤波环节的桥式整流滤波电路，如图2-35所示。

图2-35

频率越高，电感的感抗值越大，对整流电路输出电压中的高频成分压降就越大，而全部直流分量和少量低频成分降在负载电阻上，从而起到了滤波作用。频率愈高电感愈大，滤波效果愈好。采用电感滤波后，延长了整流管的导通角，因此避免了过大的冲击电流。在理想电感条件下，。第50页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4512.型桥式整流滤波电路

上述电容滤波器和电感滤波器都属于一阶无源低通滤波器，滤波效果一般。若希望获得更好的滤波效果，则应采用二阶无源低通滤波器，如图2-36所示。图2-36

图(a)所示的是型LC滤波器的桥式整流滤波电路，由于电容对交流的阻抗很小，电感对交流的阻抗很大，因此，负载上谐波电压很小；如果负载电流较小时，可采用如图(b)所示的型RC滤波器的桥式整流滤波电路，但RC整流滤波电路由于其电阻要消耗功率，所以电源的损耗功率较大，致使其效率较低。第51页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/452

2.5倍压整流电路倍压整流的目的是:不仅要将交流电转换成为直流电，而且要求在一定的变压器二次侧电压之下，得到高出若干倍的直流电压。实现倍压整流的方法，是利用二极管的整流和导引作用，将较低直流电压分别存在多个电容器上，然后将它们按照相同的极性串接起来，从而得到较高的输出直流电压。所以倍压整流电路的主要元件是二极管和电容器。

图2-37是一种二倍压整流电路。图2-37

正半波来到时，a端为正，b为负，通过正向偏置的VD1对C1充电，VD2因反偏而截止。经过几个正半周期的充电后，C1两端的电压最终可充至接近的峰值，极性是左端为正,右端为负。

的负半波来到时，b端为正，a端为负，VD1因反偏而截止。此时与C1同极性串联相加，使VD2导通，并对C2充电，由于负载电阻较大，可近似看开路。

因此，经过几个负半周的充电后，C2

两端的电压(即输出电压),为上负下正，其值为uC2=uO=U2m+uC1=2U2m。第52页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/4532.6应用电路介绍应用一：具有静音功能的对讲机电路图2-38是具有静音功能的对讲机原理图。图2-38

当使用者对着扬声器讲话时，声音压强使扬声器的振膜前后振动，扬声器的线圈在扬声器磁钢中切割磁力线而产生感应电动势，因此扬声器不但可以发出声音，也可以当话筒(传声器)使用。第53页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/454从图2-38可以看出，SB1平时是置于上方触点，也即主机方的扬声器被接到功率放大器的OUT端，而分机的扬声器被接到功率放大器的IN输入端。因此在平时，主机处于“听”状态，分机处于“讲”状态。当主机使用者按下SB1后，主、分机的扬声器相对于功率放大器的IN、OUT端被切换，变成主机“讲”、分机“听”。

由上述分析可知，主机可以随时听到分机旁边的一切声响，这既造成了主机方的噪声，也不利于从机方的声音保密。若在分机回路中串接两只并联二极管和一只按钮SB2

就可以解决上述矛盾。

若按钮SB2不接通，这时即使在扬声器旁大声聊天，虽然扬声器音圈能将声音信号转变成电信号，但所产生的信号电压辐值很小，约为几十mV小于二极管的死区电压而无法传递出去。但对主机送来的电压辐度大的呼叫信号影响很小，所以分机能正常听到主机的呼叫。分机回话时，按下按钮就将二极管短路，可以与主机正常通话。讲完话后松开按钮就可防止分机方内部谈话内容泄密。第54页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/455应用二：二极管在仪表输入回路中起保护作用的电路

在工厂车间经常存在高强度的电火花造成的干扰电压，它们与有用信号迭加在一起被送到某些检测控制仪表的放大器输入端。其幅值有时达几十伏以上。如果不采取抗干扰措施，会引起仪表的误动作。在图2-39中，两只二极管反向并联组成了简单而有效的钳位电路，它们将干扰信号钳制在0.7V以内，使放大器免于被击穿，在干扰消失后对于需要接收的有用信号，其幅值只有几个毫伏，小于这两个二极管的死区电压，所以不影响放大器的正常工作。图2-39

第55页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/456应用三：二极管用于电感性负载的续流

当直流回路中的某些诸如继电器、电磁铁、直流电动机等电感性负载突然被切断电源时，由于铁心中的磁通迅速减小，将在线圈中产生很高的感应电动势，可能在开关S的两触点间产生很大的火花或使半导体电子开关击穿，造成永久性损坏。由楞次定律可知，感应电流所产生的磁通是阻止主磁通变化的，所以感应电流的方向与原来的电流方向一致，如图2-40所示。图2-40

如图所示的接法，使二极管VD在续流期间处于正向偏置导通状态，而在Ｓ闭合时VD处于反向偏置状态，无电流流过VD，不影响电感性负载的正常工作。第56页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/457应用四：欠压保护电路某些电路或器件不允许长期工作于电压过低的情况下利用可稳压二极管避免这种现象的产生。图2-41所示的输入电压超过稳压管击穿电压时，VDZ击穿导通，继电器KA得电，触点KA1闭合。电源通过KA1向负载供电。当输入电压过低，达不到稳压管击穿电压，继电器失电。触点断开。这样保证负载上得不到比还低的工作电压。

图2-41

第57页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/458应用五：限幅电路限幅电路及输入、输出波形图如图2-42所示。串联限幅的输出电压波形是输入电压波形中高于稳压管击穿电压的部分，可用来抑制干扰脉冲，也可用以鉴别输出电压的幅值。并联限幅的输出电压是输入波形中低于击穿电压的部分，可整形和稳定输出波形的幅值。图b输出梯形电压在单结晶体管的晶闸管触发电路中作为同步电源。图2-42

第58页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/459应用六：交流电源指示灯

图2-43(a)中发光二极管VL在开关S闭合后发光，作为工作指示灯，起限流作用。如果没有VD，将引起VL反向击穿，二极管VD须选用最高反向工作电压大于的管子。流过VL的电流为半波波形。也可将VD与VL并联如图(b)所示，此时VD两端的反向电压只有1.7V，可选用1N4148或1N4001等低压二极管。图2-43

第59页，共67页，2023年，2月20日，星期四2023/4/460应用七：倍压整流电路倍压整流电路如图2-44所示，它由多只整流二极管和电容器组成，变压器的二次电流分成两路进行倍压整流、滤波，C2、C3上的直流电压可以达到交流电压峰值的两倍，而A、B两端输出的直流电压是交流峰值的四倍。二极管和电容器的耐压只需按输出电压的一半，即二倍压计算。图2