《电工电子技术》课件-项目六

二极管的认知与应用工程导读二极管、三极管等半导体器件具有体积小、能耗低、寿命长、工作可靠、易集成等特点，是构成电子电路的根本部件。其中二极管的应用非常广泛，利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的组合，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流，对调制信号检波、限幅和钳位，以及对电源电压进行稳压等多种功能。本工程将主要介绍二极管的特性、整流滤波电路的结构及原理、稳压电路及三端集成稳压器。目录CONTENTS认识二极管认识整流滤波电路认识稳压电路认识二极管我们在日常生活中常会用到插线板，上面大都安装有一个很小的电源指示灯，用来指示电源的开关状态，这种指示灯便是一种特殊的二极管——发光二极管。插线板电源指示灯电路如下图，电路端口处的电压为220V交流电，电阻R用于限流。任务引入二极管作为最简单的半导体器件，同三极管、电阻、电容、电感一起，组成了我们身边形形色色的电子电路。任务引入你知道二极管是如何工作的吗？它具有哪些特性呢？半导体器件都是由半导体材料制成的。电阻率小于的物质称为导体，如铜、铝、银等电阻率大于的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗。一、半导体概述1．半导体的根本知识一、半导体概述1．半导体的根本知识半导体本征半导体杂质半导体指完全纯净的、具有晶体结构的半导体。它有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力很低若在本征半导体中有选择地掺入少量其他元素，将会使其导电性能发生显著变化。这些掺入的元素统称为杂质。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两种。一、半导体概述1〕N型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷，由于磷原子有5个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键时，多余的一个价电子很容易摆脱原子核的束缚成为自由电子。每掺入一个磷原子就能提供一个自由电子，从而使半导体中自由电子的数目大大增加，这种半导体主要靠自由电子导电，所以称为电子型半导体或N型半导体，如图所示。N型半导体中，自由电子是多数载流子（即多子），空穴是少数载流子（即少子）。一、半导体概述2〕P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入少量三价元素硼，由于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易填补这个空穴，形成新的空穴。每掺入一个硼原子就能提供一个空穴，从而使半导体中空穴的数目大大增加，这种半导体主要靠空穴导电，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如图所示。在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。一、半导体概述在杂质半导体中，尽管掺入的杂质很少〔即掺杂浓度低〕，但由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数，所以，杂质半导体的导电能力要比本征半导体大得多。此外，N型半导体和P型半导体都是中性的，对外不显电性。如下图，在P型半导体和N型半导体的交界处，由于P型半导体中的空穴多于自由电子，N型半导体中的自由电子多于空穴，所以，在交界面附近将产生多子的扩散运动。P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子复合；N区的自由电子向P区扩散，与N区的空穴复合。一、半导体概述2．PN结的形成1〕N型半导体一、半导体概述上述这种扩散运动使N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子，结果在交界面两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区。在这个区域内，由于多子已扩散到对方区域并复合掉，好似耗尽了一样，因此，空间电荷区又称为耗尽层。空间电荷区的形成，建立了由N区指向P区的内电场。显然，内电场对多子的扩散运动起阻碍作用，故空间电荷区又称为阻挡层。在出现了空间电荷区以后，内电场有助于少子的漂移运动，因此，在内电场作用下，N区的空穴向P区漂移，P区的自由电子向N区漂移，其结果是使空间电荷区变窄，内电场削弱。一、半导体概述2〕少子的漂移运动扩散运动与漂移运动是对立的，当二者的运动到达动态平衡时，空间电荷区的宽度便根本稳定下来。这种宽度稳定的空间电荷区称为PN结。3〕动态平衡单向导电性是PN结的根本特性，只有在外加电压时才能显示出来。当PN结无外加电压时，扩散运动和漂移运动处于动态平衡，流过PN结的电流为0。当PN结有外加电压时，根据所加电压极性的不同，PN结的导电性能会截然相反。通常将加在PN结上的电压称为偏置电压。偏置电压可分为正向偏置电压和反向偏置电压两种。一、半导体概述3.

PN结的单向导电性当外加电压的正极接PN结的P区，负极接N区时，称此电压为正向偏置电压。此时的PN结处于正向偏置状态，简称正偏，如下图。一、半导体概述1〕正向偏置电压由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，因此，扩散运动与漂移运动的平衡被破坏。外电场有利于扩散运动，不利于漂移运动，于是，多子的扩散运动加强，中和一局部空间电荷，使整个空间电荷区变窄，并形成较大的扩散电流，方向由P区指向N区，称为正向电流。此时，PN结处于导通状态。一、半导体概述1〕正向偏置电压当外加电压的正极接PN结的N区，负极接P区时，称此电压为反向偏置电压。此时的PN结处于反向偏置状态，简称反偏，如图6-5所示。一、半导体概述1〕反向偏置电压由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，促进了少子的漂移运动，阻碍了多子的扩散运动，使空间电荷区变宽。此时，主要由少子的漂移运动形成的漂移电流将超过扩散电流，方向由N区指向P区，称为反向电流。由于常温下少子的数量很少，所以反向电流很小。此时，PN结处于截止状态。一、半导体概述1〕反向偏置电压二极管可看作是PN结的一个物化器件，PN结上具有的特性均可在二极管上反映出来。二极管的结构如下图，它可分为点接触型、面接触型和平面型三种。从二极管的P区引出的电极称为阳极，从N区引出的电极称为阴极。一、二极管1．二极管的结构虽然二极管的本质是一个PN结，但对于实际的二极管，考虑到制作工艺的影响，其特性与PN结的理论特性略有差异。一、二极管2．二极管的特性二极管的电路符号如图所示。一、二极管1〕伏安特性二极管的伏安特性曲线如下图。根据二极管所加电压方向的不同，其伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两局部。当二极管所加的正向偏置电压较小时，二极管呈现较大的电阻，正向电流很小，几乎为零。与这一局部相对应的电压称为死区电压或阈值电压。死区电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关。在室温下，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。一、二极管〔1〕正向特性当正向偏置电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，二极管正向导通。导通后，随着正向偏置电压的升高，正向电流急剧增大，电压与电流的关系根本上为一指数曲线。导通后的正向压降，硅管为～0.7V，锗管为～0.3V。一、二极管〔1〕正向特性

一、二极管〔2〕反向特性二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图，温度升高，正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降会减小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流会增大约1倍。一、二极管2〕温度特性二极管的参数是表征二极管的性能及其适用范围的重要指标，是选择、使用二极管的主要依据。其中，主要参数有最大整流电流最大反向工作电压最大反向电流最高工作频率等。一、二极管3．二极管的主要参数一、二极管

一、二极管

一、二极管4．二极管的应用二极管的应用很广，常用于钳位、限幅、整流、检波、开关等电路中，且在稳压、变容、温度补偿等方面也有应用。下面主要介绍其在钳位、限幅、稳压等方面的应用。一、二极管1〕钳位

一、二极管2〕限幅利用二极管导通后，两端电压根本不变的特点〔硅管约为0.7V〕，可组成限幅电路，如下图。〔a〕电路图一、二极管2〕限幅

一、二极管2〕限幅

一、二极管3〕稳压利用二极管的正向特性，可组成正向稳压电路，如下图。一、二极管

3〕稳压一、二极管此外，有一种特殊的面接触型半导体硅二极管称为稳压二极管，它正常工作在反向击穿区，利用其反向特性实现稳压作用。稳压二极管的电路符号如图6-13所示，其伏安特性曲线如图6-14所示。图6-13图6-143〕稳压一、二极管稳压管二极的正向特性曲线与普通二极管类似，而当外加反向电压的数值增大到一定程度时，稳压二极管发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴。所以，当电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。在电路中，稳压二极管应串联一个适当的限流电阻，以防止反向电流超过其最大稳定电流，使稳压二极管形成破坏性的热击穿。3〕稳压任务实施——二极管伏安特性的测试一、实施目的〔1〕加深对二极管根本特性的理解。〔2〕掌握判断二极管管脚极性和质量的方法。〔3〕能够用逐点法测试二极管的伏安特性。二、实施器材直流稳压电源1台，万用表、毫安表和微安表各1块，电阻〔1kΩ〕、电位器〔1kΩ〕各1个，二极管4007一只，实验板1块，导线假设干。三、实施步骤〔详见P174〕认识整流滤波电路任务引入直流稳压电源可将交流电转换成直流电。它的输入端是由交流电网提供的50Hz，220V的正弦交流电压，输出端是稳定的直流电压。直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四局部组成，如下图。任务引入在图中，变压器将常规的交流电压〔220V或380V〕变换成电路所需要的交流电压，通常情况下二次电压小于一次电压。任务引入整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电；滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大局部交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电；稳压电路利用自动调整的原理，来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出电压稳定。你知道常用的整流电路有哪些吗？滤波电路的工作原理是什么呢？一、整流电路

整流电路是利用半导体器件的单向导电性将交流电变为单方向脉动的直流电。一般在电子电路中常用功率较小的单相整流电路，下面主要对其进行详细介绍。整流交流电源相数的不同单相整流电路三相整流电路整流电压波形的不同半波整流电路全波整流电路一、整流电路

1．单相半波整流电路1〕工作原理一、整流电路

1〕工作原理一、整流电路电路的输出波形如下图，由图可见负载上得到单方向的脉动电压。由于该电路仅在半个周期内有输出，所以称为半波整流电路。1〕工作原理一、整流电路

2〕负载上的直流电压和直流电流一、整流电路

3〕二极管的选择一、整流电路

【例6-1】一、整流电路【例6-1解】

一、整流电路单相桥式整流电路是工程中最常用的一种单相全波整流电路。它由四只二极管组成，如下图2．单相全波整流电路一、整流电路

2．单相全波整流电路一、整流电路1〕工作原理

一、整流电路1〕工作原理

一、整流电路2〕负载上的直流电压和直流电流

一、整流电路3〕二极管的选择

一、整流电路3〕二极管的选择可根据流过二极管的平均电流和其所承受的最高反向电压来选择二极管的型号。与单相半波整流电路相比，单相桥式整流电路电源和变压器利用率高，输出电压高，电压脉动小。因此，这种整流电路在工程中应用较为广泛。一、整流电路

【例6-2】一、整流电路

【例6-2解】一、整流电路

【例6-2解】一、整流电路

【例6-2解】二、滤波电路利用整流电路虽然可以把交流电转变为单一方向的直流电压，但该直流电压含有较大的脉动成分，不能保证电子设备的正常工作。因此，在整流电路之后还需要利用由储能元件组成的滤波电路，来减小电压中的脉动成分，使输出的电压更加平滑。滤波电路电容滤波电路电感滤波电路复式滤波电路二、滤波电路

1．电容滤波电路二、滤波电路

1〕工作原理二、滤波电路

1〕工作原理二、滤波电路

2〕负载上电压的计算二、滤波电路

3〕元件选择〔1〕电容的选择二、滤波电路

〔2〕整流二极管的选择二、滤波电路

〔2〕整流二极管的选择二、滤波电路

【例6-3解】

二、滤波电路

【例6-3解】二、滤波电路

【例6-3解】二、滤波电路

2．其他滤波电路1〕电感滤波电路二、滤波电路

1〕电感滤波电路二、滤波电路经电感滤波后，不但负载电流及电压脉动减小，而且由于滤波电感电动势的作用，使整流二极管的导通角增大，减小了整流二极管的冲击电流，延长了整流二极管的寿命。电感滤波电路的缺点是体积大，易引起电磁干扰。电感滤波一般只适用于低电压、大电流的场合。1〕电感滤波电路二、滤波电路为了得到更好的滤波效果，可将电感、电容、电阻按照一定的方式组成复式滤波电路。常见的复式滤波电路有Γ型LC滤波、Π型LC滤波和Π型RC滤波三种，如下图。2〕复式滤波电路二、滤波电路2〕复式滤波电路这几种常用复式滤波电路的工作特点及适用场合如表所示常用复式滤波电路工作特点及适用场合Γ型LC滤波电路适用于电流较大、要求输出电压非常平稳的场合，用于高频时更为合适Π型LC滤波电路它的滤波效果比Γ型LC滤波电路更好，但整流二极管的冲击电流较大，因此更适用于小电流负载场合Π型RC滤波电路该电路中用电阻R代替了Π型LC滤波电路中的电感线圈，克服了电感线圈体积大而笨重，成本高的缺点。R越大、

越大滤波效果越好。但R太大，将使直流压降增加，所以这种滤波电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合任务实施——整流滤波电路的测试一、实施目的〔1〕加深对半波、桥式整流滤波电路工作原理的理解。〔2〕掌握整流滤波电路的测试方法。二、实施器材低压交流电源〔3～24V〕1台，万用表1块，示波器1台，二极管40071只，电阻〔1kΩ〕、电容〔220μF〕、开关各1个，实验板1块，导线假设干。三、实施步骤〔详见P185〕认识稳压电路任务引入虽然经整流和滤波后能够得到较为平滑的直流电压，但是这种直流电压会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化，稳定性差。因此，需要一种稳压电路，使输出电压在电网电压波动或负载变化时根本稳定在某一数值。你知道常用的稳压电路有哪些吗？它们的工作原理是什么呢？一、稳压管稳压电路

〔a〕电路〔b〕稳压管的伏安特性曲线一、稳压管稳压电路

1．工作原理

一、稳压管稳压电路

一、稳压管稳压电路

一、稳压管稳压电路一般按下式选取稳压管，即1〕稳压管的选择2．元件的选择一、稳压管稳压电路

2〕限流电阻的选择二、滤波电路

【例6-4】二、滤波电路

【例6-4解】二、滤波电路

【例6-4解】二、三端集成稳压器随着科技开展，稳压电路也制成了集成器件。集成稳压器因体积小、可靠性高、价格低廉等优点而得到了广泛应用。集成稳压器种类繁多，应用较为普遍的是三端集成稳压器。二、三端集成稳压器三端集成稳压器有三个引出端子，故称为三端集成稳压器。按其性能的不同，三端集成稳压器可分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器。前者的输出电压为固定值，不能调节；后者可通过外接电路对输出电压进行连续调整。本节将介绍CW78XX〔固定输出正压〕、CW79XX〔固定输出负压〕、CW317〔可调输出正压〕、CW337〔可调输出负压〕等系列三端集成稳压器。二、三端集成稳压器CW78XX和CW79XX系列三端固定式集成稳压器有输入端〔IN〕、输出端〔OUT〕和公共地端〔GND〕三个引出端子，其外形、管脚意义和图形符号如下图。1．CW78XX，CW79XX系列三端固定式集成稳压器1〕三端固定式集成稳压器的外形、管脚意义和图形符号二、三端集成稳压器CW78XX〔正电压输出〕和CW79XX〔负电压输出〕系列三端固定式集成稳压器的输出电压有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等规格，最大输出电流有0.1A，0.5A，1A，1.5A等规格，它们的型号组成及其意义如下图。2〕三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义二、三端集成稳压器如表所示为CW7815稳压器的主要参数。2〕三端固定式集成稳压器的型号组成及其意义表6-4