半导体二极管与整流滤波电路

半导体二极管与整流滤波电路第一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.1半导体二极管第二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日PN外壳8.1.1半导体二极管的结构、符号及类型1.结构PN结+—阳极引线阴极引线2.符号阴极阳极PN第三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日3.类型（1）按材料分，有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。（2）按用途分，有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼二极管等。（3）按封装形式分，有塑封和金属封二极管等。（4）按功率分，有大功率、中功率及小功率等二极管。（5）按结构分，根据PN结面积大小，有点接触型、面接触型二极管,如下图:第四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日引线外壳触丝基片点接触型PN结面接触型小功率高频大功率低频第五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的特性——单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性，是指二极管的两端电压和流过二极管电流的关系，可用图8.2所示的电路来测试。8.1.2半导体二极管的伏安特性图8.2二极管伏安特性测试电路（a）正向特性测试电路；（b）反向特性测试电路第六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。UBR远远大于UF可以达到几十伏、上百伏UF死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止区反向击穿区UBRUBR反向击穿电压第七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.1.3半导体二极管的主要参数1.最大整流电流

IFM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.最高反向工作电压URM手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。4.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。第八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日以上均是二极管的直流参数，它是正确使用和合理选用二极管的依据。5.二极管的直流电阻R二极管的直流电阻R是指加在二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流的比值。二极管的正向电阻较小，约为几欧姆到几千欧姆；二极管的反向电阻很大，一般可达几百千欧姆以上。最高工作频率fM

最高工作频率fM是指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小与PN结的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性能变差。第九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.1.4二极管的简易测试

用万用表测试的方法:将万用表置于R×100或R×1k（Ω）档（R×1档电流太大，用R×10k（Ω）档电压太高，都易损坏管子）。如下图8.4所示。第十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日将万用表的红、黑表笔（棒）分别接被测二极管的两端，若测得阻值小，再将万用表的红、黑表笔（棒）对调测试，若测得阻值大，则表明二极管是好的；在测得阻值小的那一次中，与黑表笔（棒）相连的的管脚为二极管的正极，与红表笔（棒）相连的的管脚为二极管的负极图8.4（a）电阻小（b）电阻大第十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.1.5二极管的使用注意事项

（1）二极管应按照用途、参数及使用环境选择。（2）使用二极管时，正、负极不可接反。通过二极管的电流，承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。（3）更换二极管时，应用同类型或高一级的代替。（4）二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm，以免造成引线折断或外壳破裂。（5）焊接二极管时，应用35W以下的电烙铁，焊接要迅速，并用镊子夹住引线根部，以助散热，防止烧坏管子。（6）安装时，应避免靠近发热元件，对功率较大的三极管，应注意良好散热。（7）二极管在容性负载电路中工作时，二极管整流电流应大于负载电流的20％第十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.2.1稳压二极管8.2特殊二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗2.稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻第十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.2.2发光二极管1.单色发光二极管有红、绿、黄、橙、蓝等，几乎所有设备的的电源的指示灯、手机背景灯、七段数码显示器件都使用的是单色发光二极管。如图8.6所示。单色发光二极管的两根引线中，长引脚是正极，短引脚是负极。图8.6单色发光二极管的外形及符号（a）实物图；（b）电路符号第十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日

发光二极管的正向工作电压为2~2.5V，工作电流为5~20mA因此，发光二极管在使用时，必须在电路中加接限流保护电阻R，如图8.7所示。图8.7单色发光二极管的应用电路检测发光二极管时，一般用万用表R×10k（Ω）档，方法和普通二极管的一样。第十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.红外发光二极管

红外发光二极管是一种能把电能直接转换成红外光能的发光器件，也称为红外发射二极管。管内也是由PN结构成的，管外一般用透明树脂封装。红外发光二极管常用于红外遥控发射器中。红外发光二极管有两个引脚，如图8.8所示。两个引脚中，通常长引脚为正极，短引脚为负极。图8.8红外发光二极管的外形图红外发光二极管工作在正偏状态。检测时，一般用万用表R×1k（Ω）档，方法和普通二极管的一样。正向电阻一般在30kΩ左右，反向电阻为无穷大。说明性能变差或损坏。第十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日1.光电二极管是一种常见的光敏元件。与普通二极管相似，只是光电二极管的管壳上开有一个透明的窗口，外部光线能透过此窗口照射到光电二极管的PN结上，以改变其工作状态。2.光电二极管工作在反偏状态，它的反向电流随着光照强度的增加而上升，用于实现光电转换功能。广泛应用于遥控接收器、激广头中。当制造成大面积的光电二极管时，能将光能直接转换成电能，可当作一种能源器件，即光电池。3.检测方法是：将万用表置于R×1k（Ω）档，用手捂住或用一黑纸片遮住光电二极管的窗口，用黑表笔接光电二极管的正极，红表笔接光电二极管的负极，测得的正向电阻为10~20kΩ左右；交换表笔，指针不动，测得的反向电阻为无穷大。当受到光线照射时，反向电阻有显著变化（明显变小），正向电阻不变，说明正常。若在上述检测中，正、反向电阻都很小或都很大，则说明光电二极管已经击穿或内部开路。8.2.3光电二极管第十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日4.变容二极管变容二极管是利用PN结的结电容可变原理制成的半导体器件。它工作在反向偏置状态，当外加反向偏置电压大小变化时，其结电容随着外加反向偏置电压变化而变化，在电路中它可当作可变电容器使用。由于它无机械磨损，而且体积小，因而广泛应用于彩色电视机的调谐器中。不同型号的管子，其电容最大值不同，一般在3~300pF，最大电容值与最小电容值之比为5比1。变容二极管的电路符号和压控特性曲线如图8.10所示。图8.10变容二极管（a）电路符号；（b）压控特性曲线第十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.3整流电路利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，把大小、方向都随时间变化的交流电变换成直流电。

整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。单相桥式整流电路用得最为普遍。本节主要介绍单相桥式整流电路。

8.3.1工作原理

单相桥式整流电路如图8.11（a）所示，第二十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日当u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b，如图中实线箭头所示。当u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a，如图中虚线箭头所示。第二十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日图8.12电压、电流波形图

第二十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.3.2负载上的直流电压UL和直流电流IL的计算

整流后的电压、电流波形如图8.12所示。从图中可以看出，变压器副边电压u2按正弦规律变化。经过整流后，负载电阻两端的电压、负载电阻上电流的方向均不变，但其大小仍作周期性变化，故称为脉动直流电压、脉动直流电流。脉动直流电压、电流一般用平均值来表示，即一个周期内脉动电压、电流的平均值。当变压器副边电压时，负载上电压的平均值:（8.1）

（8.2）电流平均值为第二十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.3.3整流元件参数的计算

1.二极管的平均电流在桥式整流电路中，二极管V1、V3和V2、V4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为:（8.3）

2.最大反向电压二极管在截止时管子两端的最大反向电压可以从图8.11（a）看出。在u2的正半周，V1、V3导通，V2、V4截止。此时V2、V4所承受到的最大反向电压均为u2的最大值，即:

（8.4）第二十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日

8.3.4整流二极管的选择

选择原则：

IFM

≥

IV

=IL

URM

≥

UVM=U2且二极管的最大整流电流二极管的工作电流二极管的最高反向工作电压二极管承受的最大反向电压变压器副边电压最大值负载电流第二十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期日例7.1一单相桥式整流电路接到220V正弦工频交流电源上，负载电阻RL＝50Ω，负载电压平均值为100V。（1）根据电路要求选择整流二极管。（2）计算整流变压器的变比及容量。解（1）选二极管：整流电流的平均值为：流过每个二极管的平均电流值为：考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出5％～10％，即第二十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期日每只二极管截止时承受的最高反向电压为根据前面的选择原则可以选用场2CZ12E二极管，其最大整流电流为3A，反向工作电压峰值为300V。

（2）变压器的变比和容量

变比：变压器副绕组电流有效值为

I2＝1.11×Ī＝1.11×2＝2.22A

变压器的容量为

S＝U2×I2＝122×2.22＝270.84V·A

第二十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.4滤波电路为了减小整流后电压的脉动，常采用滤波电路把交流分量滤去，使负载两端得到脉动较小的直流电。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。8.4.1电容滤波电路（1）负载RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过V1、V3向电容器C充电；u2为负半周时，经V2、V4向电容器C充电，充电时间常数为:

τC=RnC第二十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期日其中，Rn包括变压器副绕组的电阻和二极管V的正向电阻。一般Rn很小，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值U2，极性如图8.13所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压UC）保持在U2，输出为一个恒定的直流，如图8.14中ωt＜0（即纵坐标左边）部分所示。图8.14电容滤波电路电流、电压波形图（2）接入负载RL的情况：设变压器副边电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器中负载未接入前充了电，故刚接入负载时u2＜uC,二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电。电容器放电过程的快慢，取决于RL与C的乘积，即电路时间常数τd。τd越大，放电过程越慢，输出电压越平稳。一般地

RLC＞（3~5）(8.5)其中，T为电源交流电压周期。第二十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期日2.电容滤波电路特性(1)整流二极管的导电时间缩短了，导电角小于180°，且放电时间常数愈大，导电角愈小。由于电容滤波后，输出直流的平均值提高了.故整流二极管在短暂的导电时间内，将流过一个很大的冲击电流图8.15桥式整流电容滤波电路的外特性(2)外特性，如图8.15所示

C值一定，当RL＝∞，即空载时，输出电压平均值为在整流电路中：缺点是输出特性较差

第三十页，共三十九页，编辑于2023年，星期日8.4.2电感滤波电路电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，从而得到比较平滑的直流。当忽略电感L的电阻时，负载上输出的电压平均值和纯电阻（不加电感）负载基本相同，即≈0.9U2第三十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期日图8.17复式滤波电路（a）Γ型滤波电路；（b）Π型RC滤波电路为了进一步减小负载电压中的纹波，可用以上电路第三十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期日例8.2一个桥式整流电容滤波电路如图8.18所示。电源由220V、50Hz的交流电压经变压器降压供电，要求输出直流电压为30V，电流为500mA，试选择整流二极管的型号和滤波电容规格。解

（1）选择整流二极管。通过每只二极管的平均电流为第三十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期日有负载时的直流输出电压为故变压器次级电压有效值为每只二极管承受的最大反向电压为URM=U2=×25≈35V

根据IV和URM选择二极管，查有关手册，选取2CZ54B二极管4只，其最大整流电流IFM＝0.5A,最高反向工作电压URM＝50V。第三十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期日（2）选择滤波电容器

取标称值1000μF；电容器耐压为（1.5～2）U2=（1.5～2）×25=37.5～5