《汽车电工电子》教案 车用整流器.docx

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《汽车电工电子》教案车用整流器

模块一车用整流器

一、教学目标

1．了解半导体二极管的结构和特性，熟悉整流电路的结构及种类；

2．能正确用万用表检测二极管的好坏及极性。

二、课时分配

本项目共3个课题，安排2课时。

三、教学重点

通过本模块的学习，让学生了解半导体二极管的结构及特性；能正确用万用表检测二极管的好坏及极性；了解整流电路的种类、结构及特点；会检测车用整流器；了解滤波电路的种类和结构。

四、教学难点

1．会检测车用整流器。

五、教学内容

课题一半导体二极管

一、半导体基础知识

自然界中的物质，按照它们的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三类。

自然界中三种导电物质的名称及其典型举例

1．N型、P型半导体

典型的半导体材料有硅和锗，它们都是四价元素，即每个原子的最外层有四个价电子。

（1）N型半导体

在纯净半导体（硅或锗）的晶体中掺入微量的五价元素，如磷（P）或砷（As）、锑（Sb）等，使某些位置的硅原子被五价原子代替。

N型半导体

P型半导体

（2）　P型半导体

在纯净半导体（硅或锗）的晶体中掺入微量的三价元素，如硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）等，每个三价原子的最外层只有三个电子，当它与邻近的四个硅原子相结合而形成共价键时，就自然提供了一个空穴。

2．PN结

把P型半导体和N型半导体按一定的工艺结合在一起时，在他们的交界面形成一个带电的空间电荷区，称为PN结，它是各种半导体器件的核心结构。

①　当PN结两端无外加电压时，在交界面处，空穴和自由电子基本耗尽，形成空间电荷区（又称耗尽层），空间电荷区的宽度基本上是固定的。

PN结的形成

②　PN结两端加正向电压。

P区接电源正极，N区接负极，这样的接法称PN结正向偏置（正偏）。

PN结加正向电压

③　PN结两端加反向电压。

PN结加反向电压

二、半导体二极管

1．结构

半导体二极管（简称二极管）是由一个PN结加上两个电极引线做成管芯，并且用塑料、玻璃或金属等材料作为管壳封装而成。

二极管的结构与符号

常见普通二极管和车用二极管外形

2．单向导电特性

二极管的单向导电特性是二极管的最基本和重要的特性。

二极管单向导电性的实验图

二极管的伏安特性曲线

3．伏安特性

加在二极管两端的电压与流过二极管电流的关系称为伏安特性，其关系曲线称为二极管伏安特性曲线。

①　二极管加正向电压时，存在一个“死区”，对硅二极管来说，其范围为0～0.5V，对锗二极管来说，其范围为0～0.2V。

②　二极管加反向电压时，反向电流很小，而且基本不随电压大小而变化，这一电流称做二极管的反向饱和电流。

4．主要参数

二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。

这些参数是半导体器件的质量指标，是合理选用二极管的依据。

①　最大整流电流IF

②　最高反向工作电压URM

③　反向饱和电流IS

④　最高工作频率

5．分类和应用

二极管种类繁多，通常是根据用途将二极管分为普通整流二极管、稳压二极管、光敏二极管及发光二极管等。

（1）普通整流二极管

在工程应用中，常需要利用二极管的单向导电性，将交流输入电压变为直流电压。

二极管构成的钳位电路

（2）稳压二极管

稳压二极管是一种用特殊工艺制成的二极管，其工作在反向击穿状态，起到稳压作用，具体内容将在后面模块中叙述。

（3）光敏二极管

光敏二极管的结构与普通二极管类似，但在其PN结处，通过管壳上的一个玻璃管窗口能接受外部的光照。

光敏二极管的符号

发光二极管的符号

（4）发光二极管

发光二极管简称“LED”，是具有一个PN结的半导体器件，通常由元素周期表中的Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物制成，如砷化镓、磷化镓等化合物半导体材料。

6．检测方法

（1）极性引脚的表示方法

①　在二极管的负极用一条色带标志。

②　在二极管外壳的一端标出一个色点，有色点的一端表示二极管的正极，另一端则为负极。

③　在二极管的外壳上直接印有二极管的电路符号，根据电路符号判断二极管的极性。

（2）性能好坏检测

万用表测试条件：

R×1k或R×100。

①　若正反向电阻均为零，二极管短路。

②　若正反向电阻非常大，二极管开路。

③　若正向电阻约几千欧，反向电阻非常大，二极管正常。

万用表测量二极管极性

（3）　正负极性检测

先将万用表欧姆挡旋钮置于R×100或R×1k挡；用万用表红、黑表笔任意测量二极管两引脚间的电阻值，交换万用表表笔再测量一次，两次测量结果一大一小；以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接的二极管一端为正极，红表笔所接的二极管一端为负极。

顺口溜叫“黑小正、红大负”。

测量二极管正向电阻、反向电阻

课题二整流电路

整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换为脉动直流电的电路。

一、整流电路的种类

1．单相半波整流电路

单相半波整流电路由整流变压器T、整流二极管VD以及负载电阻RL组成。

单相半波整流电路

①纯电阻负载时单相半波整流电路输出的直流电压和直流电流

②　单相半波整流电路中的二极管

单相半波整流电路的优点是结构简单，缺点是输出电压脉动大、利用率低，一般用于直流较小、脉动要求不高的场合。

2．单相桥式整流电路

单相桥式整流电路由4个整流二极管按电桥的形式连接而成。

单相桥式整流电路

（1）工作原理

负载获得的直流电压和电流：

该直流电路输出的直流电压的平均值为

负载电流的平均值为

其中，U2——变压器次级电压的有效值。

（2）整流二极管的选择原则

①　流过二极管的平均电流：

流经每个二极管的平均电流为

②　最大反向电压URM

3．车用整流电路（整流器）

实验室用JF11A型发电机整流器外形如图所示。

JF11A型交流发电机整流器外形图

硅二极管的外形和符号

汽车交流发电机整流二极管安装图

汽车发电机整流电路及波形图

二、整流器的检测

将二极管的引线与其他连接分离，用指针万用表的两个表笔分别接到二极管的引线与壳体上，测二极管的正向与反向电阻。

整流器正负极管的检测

课题三滤波电路

1．电容滤波电路

电容滤波电路如图所示，滤波电容C与负载RL并联。

设u2的初始波形如图（a）所示，图（b）中的虚线波形为整流桥的全波整流波形。

桥式整流滤波电路

电容滤波电压波形图

（1）工作原理

当u2正半波上升时，VD1、VD3导通，电容C开始充电，电压逐渐上升，直至接近电源电压u2的最大值。

当u2正半波开始下降时，uC＞u2，VD1、VD3截止，电容C向RL放电。

同理，当u2负半波时，在t2～t3期间，uC＞u2，VD2、VD4截止，电容C向RL放电；在t3～t4期间，u2＞uC，VD2、VD4导通，电容C充电，直至uC＞u2，VD2、VD4截止，如此周而复始。

（2）参数选择

①　滤波电容。

滤波电容愈大，滤波效果越好。

②　耐压值选择。

空载时：

负载为RL时：

uO＝1.2U2

电容器耐压值应大于它实际工作时所承受的最大电压，一般取（1.5～2）U2。

（3）适用范围

电容滤波电路的优点是可以得到脉动很小的直流电压，其缺点是输出电压uo受负载变化影响较大，负载电流增大，负载电压脉动程度就会增大。

2．电感滤波电路

电感滤波电路如图所示。

电感滤波电路

（1）工作原理

将电感线圈L与负载RL串联，电流增大时，电感产生自感电动势阻止电流增加；电流减少时，电感产生自感电动势阻止电流减少，从而使负载电流变平滑。

（2）适用范围

电感滤波的缺点是由于铁心的存在，使线圈笨重，体积大，而且容易引起电磁干扰，一般只适用于低电压大电流场合。

3．复式滤波电路

复式滤波电路是由电容和电感按一定的连接方式组成的，常见的有T形滤波、π形LC滤波以及π形RC滤波等三种。

复式滤波电路

①　T形滤波

②　π形LC滤波

③　π形RC滤波

六、课后作业

完成所有课题的学后测评。