二极管及其应用.docx

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二极管及其应用

++++++++++++++++++++++++++++第一章二极管及其应用

教学重点

1．了解二极管的伏安特性和主要参数。

2．了解硅稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等各种二极管的外形特征、功能和应用。

3．能用万用表检测二极管。

4．掌握单相半波、桥式全波整流电路的组成、性能特点和电路估算。

5．了解电容滤波电路的工作原理和估算。

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。

学时分配

序号

内容

学时

1

1.1晶体二极管

2

2

1.2晶体二极管整流电路及滤波电路

4

3

技能实训——单相整流、滤波电路的测试

4

4

本章总学时

10

1.1二极管

1.1.1半导体的奇妙特性

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗等，其导电能力受多种因素影响。

热敏特性——温度升高，导电能力明显增强。

光敏特性——光照越强，导电性能越好。

掺杂特性——掺入杂质后会改善导电性。

1.1.2二极管结构与电路图形符号

通过实物认识各类二极管

动画：

PN结的形成

1.1.3二极管的单向导电特性

做一做：

二极管的单向导电特性

1．二极管的单向导电特性

（1）加正向电压二极管导通

（2）加反向电压二极管截止

2．二极管特性曲线

二极管两端的电压、电流变化的关系曲线，即二极管的伏安特性曲线。

演示实验：

利用晶体管特性图示仪测出二极管伏安特性曲线

（1）正向特性

正向电压较小，这个区域常称为正向特性的“死区”。

一般硅二极管的“死区”电压约为0.5V，锗二极管约为0.2V。

正向电压超过“死区”电压后，电流随电压按指数规律增长。

此时，两端电压降基本保持不变，硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.3V。

（2）反向特性

二极管加反向电压，此时流过二极管的反向电流称为漏电流。

当加到二极管两端的反向电压超过某一规定数值时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为反向击穿现象，该反向电压称为反向击穿电压，用U（BR）表示。

实际应用时，普通二极管应避免工作在击穿范围，否则会因电流过大而损坏管子失去单向导电性。

1.1.4二极管的使用常识

1．二极管的型号

国产二极管的型号命名规定由五部分组成（部分二极管无第五部分），国外产品依各国标准而确定。

2．二极管的主要参数

（1）最大整流电流IFM

（2）反向饱和电流IR

（3）最高反向工作电压URM

（4）最高工作频率fM

例：

利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，可以构成限幅（削波）电路来限制输出电压的幅度。

图（a）所示为一单向限幅电路。

设输入电压ui=10sinωt（V），Us=5V，为简化分析，常将二极管理想化，即二极管导通时，两端电压降很小，可视为短路，相当于开关闭合，；二极管反向截止时，反向电流很小，相当于开关断开，如图所示。

这样，单向限幅电路输出电压uo被限制在＋5V～－10V之间，其波形如图（b）所示。

将电路稍作改动便可做成双向限幅电路。

利用二极管的这一特性，通常可将其用于电路的过电压保护。

3．二极管的检测

动画：

用万用表判断二极管极性

动画：

用万用表检测普通二极管的好坏

二极管正、反向电阻值检测分析

检测结果

二极管状态

性能判断

正向电阻

反向电阻

几百欧～几千欧

几十千欧～几百千欧以上

二极管单向导电

正常

趋于无穷大

趋于无穷大

二极管正、负极之间已经断开

开路

趋于零

趋于零

二极管正、负极之间已经通路

短路

二极管正向电阻增大

反向电阻减小

单向导电性变差

性能变差

做一做：

普通二极管的识别与检测

1.1.5其他类型二极管

1．稳压二极管

（1）稳压二极管的外形和图形符号

（2）稳压二极管的伏安特性

从图中可以看出，如果把击穿电流限制在一定的范围内，管子就可以长时间稳定工作在反向击穿电压UZ，即稳压值。

所以稳压二极管稳压时工作于反向击穿状态。

稳压二极管的类型很多，主要有2CW、2DW系列，如2CW15其稳定电压为7.0～8.5V。

从晶体管手册可以查到常用稳压二极管的技术参数和使用资料。

（3）稳压管二极管的检测

检测方法与普通二极管相同，但稳压二极管的正向电阻比普通二极管的正向电阻要大一些。

2．发光二极管（LED）

（1）发光二极管的电路图形符号

发光二极管与普通二极管一样也是由PN结构成，同样具有单向导电性。

其电路图形符号和文字符号如图所示。

发光二极管实物图形符号

发光二极管被广泛运用于电路的状态显示、信息显示、装饰工程、照明等领域。

（2）发光二极管发光时工作在正偏置状态

发光二极管两端有一个“管压降”，根据制造材料的不同而不同。

例：

电路如图所示，已知某发光二极管的导通电压UL=1.6V，正向电流为5～20mA时才能发光。

试问：

（1）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？

（2）为使发光二极管发光，电路中R的取值范围为多少？

解：

（1）当开关断开时发光二极管才有可能发光。

当开关闭合时发光二极管的端电压为零，因而不可能发光。

（2）因为ILmin=5mA，ILmax=20mA，所以

Rmax==kΩ=0.88kΩ

Rmin==kΩ=0.22kΩ

R的取值范围为220～880Ω

3．光电二极管

（1）光电二极管的图形符号

广泛应用于制造各种光敏传感器、光电控制器的光电二极管其外形、图形符号及文字符号如图所示。

（2）光电二极管在反向电压作用下，如果没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为亮电流。

光的强度越大，反向电流也越大。

4．变容二极管

（1）变容二极管的电路图形符号

已被广泛用于彩色电视机的电子调谐器、直接调频、自动频率控制及倍频器等微波电路中的变容二极管电路图形符号及文字标识如图所示。

2）变容二极管工作于反向偏置状态

当给变容二极管施加反向电压时，其两个电极之间的PN结电容大小随加到变容二极管两端反向电压大小的改变而变化，其特性相当于一个可以通过电压控制的自动微调电容器。

做一做：

发光二极管电平指示电路

1.2二极管整流及滤波电路

整流电路是直流电源的核心部分，它的作用是利用二极管的单向导电性，将输入的交流电压转换为脉动的直流电压。

滤波器是将整流后的脉动直流电压转变为平滑的直流电压。

常用的整流电路有半波整流电路和桥式整流电路。

1.2.1半波整流电路

做一做：

单向半波整流电路

1．半波整流工作过程

（1）当输入电压u2为正半周时，二极管VD受正向偏置而导通，电流iL由a端→VD→RL→b端，自上而下流过RL，在RL上得到一个极性为上正下负的电压UL。

若不计二极管的正向压降，此期间负载上的电压UL=u2。

（2）当u2为负半周时，二极管VD因反向偏置而截止，此期间无电流通过RL，负载上的电压uL=0。

由此可见，在交流电一个周期内，二极管有半个周期导通，另半个周期截止，在负载电阻RL上的脉动直流电压波形是输入交流电压的一半，故称为单相半波整流。

输出电压的极性取决于二极管在电路中的连接方式，如将图中二极管反接时，输出电压的极性也将随之变反。

2．负载上的直流电压与直流电流的估算

（1）负载上的直流电压UL

UL=0.45U2

式中，U2为变压器二次电压有效值。

（2）负载上的直流电流IL

IL==0.45

3．整流二极管的选择

选用二极管时要求其

IF≥ID=IL

URM≥U2

根据最大整流电流和最高反向工作电压的计算值，查阅有关半导体器件手册，选用合适的二极管型号使其额定值大于计算值。

例：

有一直流负载，电阻为1.5kΩ，要求工作电流为10mA，如果采用半波整流电路，试求电源变压器的二次电压，并选择适当的整流二极管。

解：

因为UL=RLIL=1.5×103×10×10－3V=15V

由UL=0.45U2，变压器二次电压的有效值为U2==V≈33V

二极管承受的最大反向电压为URM=U2=1.41×33V≈47V

根据求得的参数，查阅整流二极管参数手册，可选择IFM=100mA，URM=50V的2CZ82B型整流二极管，或选用符合条件的其他型号二极管，如1N4001、1N4002等。

1.2.2桥式整流电路

做一做：

桥式整流电路

1．桥式整流电路的工作过程

（1）当输入电压u2为正半周时，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电IL如图（a）中虚线箭头所示。

此电流流经负载RL时，在RL上形成了上正下负的输出电压。

（2）当u2为负半周时，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流IL如图（b）中虚线箭头所示。

该电流流经RL的方向和正半周时电流流向一致，同样在RL上形成了上正下负的输出电压。

由此可见，无论u2处于正半周还是负半周，都有电流分别流过两个二极管，并以相同方向流过负载RL，是单方向的全波脉动波形。

2．负载上的直流电压与直流电流的估算

（1）负载上的直流电压UL

UL=0.9U2

（2）负载上的直流电流IL

IL==0.9

3．整流二极管的选择

IF≥IL/2

URM≥U2

例：

有一直流负载需直流电压6V，直流电流0.4A，如果采用单相桥式整流电路，试求电源变压器的二次电压，并选择整流二极管的型号。

解：

由UL=0.9U2，可得变压器二次电压的有效值为U2==V≈6.7V

通过二极管的平均电流IF=IL=×0.4A=0.2A=200mA

二极管承受的反向电压URM=U2=9.4V

根据以上求得的参数，查阅整流二极管参数手册，可选择IFM=300mA，URM=10V的2CZ56A型整流二极管，或者选用符号条件的其他型号二极管，如1N4001等。

电路评价：

半波整流电路结构简单，使用元件少，电流利用率很低，输出电压脉动大。

桥式整流电路变压器利用率高，平均直流电压高，脉动小，二极管承受反向电压低。

1.2.3滤波电路

整流电路输出脉动的直流电，其中含有很大的交流成分，为了使输出电压接近于理想的直流电压，滤除它的交流成分，此过程称为滤波，完成这一任务的电路称为滤波电路，也称滤波器。

滤波器通常由电容器、电感器和电阻器按一定的方式组合成多种形式的滤波电路。

1．电容滤波电路

利用电容器的充、放电作用使输出电压趋于平滑。

做一做：

电容滤波电路

电容滤波电路输出直流电压的估算：

半波整流电容滤波UL≈U2

桥式整流电容滤波UL≈1.2U2

空载时（负载RL开路）UL≈1.4U2

例：

一个桥式整流电容滤波电路，电源由220V、50HZ的交流电压经变压器降压供电，负载电阻RL为40Ω，输出直流电压为20V，当开关闭合时，试求变压器二次电压，并估计滤波电容的耐压值和电容量。

解：

（1）变压器二次电压

U2==V=17V

（2）当负载空载时，电容器承受最大电压，所以电容器的耐压值为

UCM≥U2=×17V=24V

电容器的电容量应满足RLC（3～5）T/2，取RLC=2T，T=1/f，因此

C===1000µF

可选用1000µF/50V的电解电容1只。

滤波电容的电容量可根据负载电流的大小参考下表进行选择。

滤波电容的选择

输出电流IL

2A

1A

0.5～1A

0.1～0.5A

100mA以下

50mA以下

电容量C

4700µF

2200µF

1000µF

470µF

200～500µF

200µF

注：

此为桥式整流电容滤波UL=12～36V时的电压参考值。

2．电感滤