《電工電子技術(shù)》課件-項(xiàng)目六

二極管的認(rèn)知與應(yīng)用工程導(dǎo)讀二極管、三極管等半導(dǎo)體器件具有體積小、能耗低、壽命長、工作可靠、易集成等特點(diǎn)，是構(gòu)成電子電路的根本部件。其中二極管的應(yīng)用非常廣泛，利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進(jìn)行合理的組合，構(gòu)成不同功能的電路，可以實(shí)現(xiàn)對交流電整流，對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位，以及對電源電壓進(jìn)行穩(wěn)壓等多種功能。本工程將主要介紹二極管的特性、整流濾波電路的結(jié)構(gòu)及原理、穩(wěn)壓電路及三端集成穩(wěn)壓器。目錄CONTENTS認(rèn)識二極管認(rèn)識整流濾波電路認(rèn)識穩(wěn)壓電路認(rèn)識二極管我們在日常生活中常會用到插線板，上面大都安裝有一個很小的電源指示燈，用來指示電源的開關(guān)狀態(tài)，這種指示燈便是一種特殊的二極管——發(fā)光二極管。插線板電源指示燈電路如下圖，電路端口處的電壓為220V交流電，電阻R用于限流。任務(wù)引入二極管作為最簡單的半導(dǎo)體器件，同三極管、電阻、電容、電感一起，組成了我們身邊形形色色的電子電路。任務(wù)引入你知道二極管是如何工作的嗎？它具有哪些特性呢？半導(dǎo)體器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。電阻率小于的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如銅、鋁、銀等電阻率大于的物質(zhì)稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物等。在電子器件中，用得最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。一、半導(dǎo)體概述1．半導(dǎo)體的根本知識一、半導(dǎo)體概述1．半導(dǎo)體的根本知識半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體指完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。它有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低若在本征半導(dǎo)體中有選擇地?fù)饺肷倭科渌?，將會使其?dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。這些摻入的元素統(tǒng)稱為雜質(zhì)。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。一、半導(dǎo)體概述1〕N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入微量五價元素磷，由于磷原子有5個價電子，當(dāng)它與周圍的硅原子組成共價鍵時，多余的一個價電子很容易擺脫原子核的束縛成為自由電子。每摻入一個磷原子就能提供一個自由電子，從而使半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)目大大增加，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，所以稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，如圖所示。N型半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子（即多子），空穴是少數(shù)載流子（即少子）。一、半導(dǎo)體概述2〕P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中摻入少量三價元素硼，由于硼原子只有3個價電子，它與周圍硅原子組成共價鍵時，因缺少一個價電子而形成一個空穴，相鄰的價電子很容易填補(bǔ)這個空穴，形成新的空穴。每摻入一個硼原子就能提供一個空穴，從而使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目大大增加，這種半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，所以稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，如圖所示。在P型半導(dǎo)體中，空穴是多子，自由電子是少子。一、半導(dǎo)體概述在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，盡管摻入的雜質(zhì)很少〔即摻雜濃度低〕，但由雜質(zhì)原子提供的載流子數(shù)卻遠(yuǎn)大于本征載流子數(shù)，所以，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力要比本征半導(dǎo)體大得多。此外，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。如下圖，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處，由于P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，N型半導(dǎo)體中的自由電子多于空穴，所以，在交界面附近將產(chǎn)生多子的擴(kuò)散運(yùn)動。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)的自由電子復(fù)合；N區(qū)的自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)的空穴復(fù)合。一、半導(dǎo)體概述2．PN結(jié)的形成1〕N型半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體概述上述這種擴(kuò)散運(yùn)動使N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到電子產(chǎn)生負(fù)離子，結(jié)果在交界面兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)。在這個區(qū)域內(nèi)，由于多子已擴(kuò)散到對方區(qū)域并復(fù)合掉，好似耗盡了一樣，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。空間電荷區(qū)的形成，建立了由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。顯然，內(nèi)電場對多子的擴(kuò)散運(yùn)動起阻礙作用，故空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，內(nèi)電場有助于少子的漂移運(yùn)動，因此，在內(nèi)電場作用下，N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的自由電子向N區(qū)漂移，其結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場削弱。一、半導(dǎo)體概述2〕少子的漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動是對立的，當(dāng)二者的運(yùn)動到達(dá)動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度便根本穩(wěn)定下來。這種寬度穩(wěn)定的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。3〕動態(tài)平衡單向?qū)щ娦允荘N結(jié)的根本特性，只有在外加電壓時才能顯示出來。當(dāng)PN結(jié)無外加電壓時，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動處于動態(tài)平衡，流過PN結(jié)的電流為0。當(dāng)PN結(jié)有外加電壓時，根據(jù)所加電壓極性的不同，PN結(jié)的導(dǎo)電性能會截然相反。通常將加在PN結(jié)上的電壓稱為偏置電壓。偏置電壓可分為正向偏置電壓和反向偏置電壓兩種。一、半導(dǎo)體概述3.

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓的正極接PN結(jié)的P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)時，稱此電壓為正向偏置電壓。此時的PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，簡稱正偏，如下圖。一、半導(dǎo)體概述1〕正向偏置電壓由于外加電源產(chǎn)生的外電場的方向與PN結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)電場方向相反，因此，擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動的平衡被破壞。外電場有利于擴(kuò)散運(yùn)動，不利于漂移運(yùn)動，于是，多子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)，中和一局部空間電荷，使整個空間電荷區(qū)變窄，并形成較大的擴(kuò)散電流，方向由P區(qū)指向N區(qū)，稱為正向電流。此時，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。一、半導(dǎo)體概述1〕正向偏置電壓當(dāng)外加電壓的正極接PN結(jié)的N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)時，稱此電壓為反向偏置電壓。此時的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，簡稱反偏，如圖6-5所示。一、半導(dǎo)體概述1〕反向偏置電壓由于外加電場與內(nèi)電場的方向一致，因而加強(qiáng)了內(nèi)電場，促進(jìn)了少子的漂移運(yùn)動，阻礙了多子的擴(kuò)散運(yùn)動，使空間電荷區(qū)變寬。此時，主要由少子的漂移運(yùn)動形成的漂移電流將超過擴(kuò)散電流，方向由N區(qū)指向P區(qū)，稱為反向電流。由于常溫下少子的數(shù)量很少，所以反向電流很小。此時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。一、半導(dǎo)體概述1〕反向偏置電壓二極管可看作是PN結(jié)的一個物化器件，PN結(jié)上具有的特性均可在二極管上反映出來。二極管的結(jié)構(gòu)如下圖，它可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三種。從二極管的P區(qū)引出的電極稱為陽極，從N區(qū)引出的電極稱為陰極。一、二極管1．二極管的結(jié)構(gòu)雖然二極管的本質(zhì)是一個PN結(jié)，但對于實(shí)際的二極管，考慮到制作工藝的影響，其特性與PN結(jié)的理論特性略有差異。一、二極管2．二極管的特性二極管的電路符號如圖所示。一、二極管1〕伏安特性二極管的伏安特性曲線如下圖。根據(jù)二極管所加電壓方向的不同，其伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩局部。當(dāng)二極管所加的正向偏置電壓較小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，正向電流很小，幾乎為零。與這一局部相對應(yīng)的電壓稱為死區(qū)電壓或閾值電壓。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料及溫度等因素有關(guān)。在室溫下，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。一、二極管〔1〕正向特性當(dāng)正向偏置電壓大于死區(qū)電壓后，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，二極管正向?qū)?。?dǎo)通后，隨著正向偏置電壓的升高，正向電流急劇增大，電壓與電流的關(guān)系根本上為一指數(shù)曲線。導(dǎo)通后的正向壓降，硅管為～0.7V，鍺管為～0.3V。一、二極管〔1〕正向特性

一、二極管〔2〕反向特性二極管的伏安特性對溫度非常敏感。如下圖，溫度升高，正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降會減小2～2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流會增大約1倍。一、二極管2〕溫度特性二極管的參數(shù)是表征二極管的性能及其適用范圍的重要指標(biāo)，是選擇、使用二極管的主要依據(jù)。其中，主要參數(shù)有最大整流電流最大反向工作電壓最大反向電流最高工作頻率等。一、二極管3．二極管的主要參數(shù)一、二極管

一、二極管

一、二極管4．二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用很廣，常用于鉗位、限幅、整流、檢波、開關(guān)等電路中，且在穩(wěn)壓、變?nèi)?、溫度補(bǔ)償?shù)确矫嬉灿袘?yīng)用。下面主要介紹其在鉗位、限幅、穩(wěn)壓等方面的應(yīng)用。一、二極管1〕鉗位

一、二極管2〕限幅利用二極管導(dǎo)通后，兩端電壓根本不變的特點(diǎn)〔硅管約為0.7V〕，可組成限幅電路，如下圖。〔a〕電路圖一、二極管2〕限幅

一、二極管2〕限幅

一、二極管3〕穩(wěn)壓利用二極管的正向特性，可組成正向穩(wěn)壓電路，如下圖。一、二極管

3〕穩(wěn)壓一、二極管此外，有一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管稱為穩(wěn)壓二極管，它正常工作在反向擊穿區(qū)，利用其反向特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管的電路符號如圖6-13所示，其伏安特性曲線如圖6-14所示。圖6-13圖6-143〕穩(wěn)壓一、二極管穩(wěn)壓管二極的正向特性曲線與普通二極管類似，而當(dāng)外加反向電壓的數(shù)值增大到一定程度時，穩(wěn)壓二極管發(fā)生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行于縱軸。所以，當(dāng)電流在很大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓二極管在電路中能起穩(wěn)壓作用。在電路中，穩(wěn)壓二極管應(yīng)串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，以防止反向電流超過其最大穩(wěn)定電流，使穩(wěn)壓二極管形成破壞性的熱擊穿。3〕穩(wěn)壓任務(wù)實(shí)施——二極管伏安特性的測試一、實(shí)施目的〔1〕加深對二極管根本特性的理解?！?〕掌握判斷二極管管腳極性和質(zhì)量的方法。〔3〕能夠用逐點(diǎn)法測試二極管的伏安特性。二、實(shí)施器材直流穩(wěn)壓電源1臺，萬用表、毫安表和微安表各1塊，電阻〔1kΩ〕、電位器〔1kΩ〕各1個，二極管4007一只，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線假設(shè)干。三、實(shí)施步驟〔詳見P174〕認(rèn)識整流濾波電路任務(wù)引入直流穩(wěn)壓電源可將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。它的輸入端是由交流電網(wǎng)提供的50Hz，220V的正弦交流電壓，輸出端是穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源通常由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四局部組成，如下圖。任務(wù)引入在圖中，變壓器將常規(guī)的交流電壓〔220V或380V〕變換成電路所需要的交流電壓，通常情況下二次電壓小于一次電壓。任務(wù)引入整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電；濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的大局部交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；穩(wěn)壓電路利用自動調(diào)整的原理，來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。你知道常用的整流電路有哪些嗎？濾波電路的工作原理是什么呢？一、整流電路

整流電路是利用半導(dǎo)體器件的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)閱畏较蛎}動的直流電。一般在電子電路中常用功率較小的單相整流電路，下面主要對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。整流交流電源相數(shù)的不同單相整流電路三相整流電路整流電壓波形的不同半波整流電路全波整流電路一、整流電路

1．單相半波整流電路1〕工作原理一、整流電路

1〕工作原理一、整流電路電路的輸出波形如下圖，由圖可見負(fù)載上得到單方向的脈動電壓。由于該電路僅在半個周期內(nèi)有輸出，所以稱為半波整流電路。1〕工作原理一、整流電路

2〕負(fù)載上的直流電壓和直流電流一、整流電路

3〕二極管的選擇一、整流電路

【例6-1】一、整流電路【例6-1解】

一、整流電路單相橋式整流電路是工程中最常用的一種單相全波整流電路。它由四只二極管組成，如下圖2．單相全波整流電路一、整流電路

2．單相全波整流電路一、整流電路1〕工作原理

一、整流電路1〕工作原理

一、整流電路2〕負(fù)載上的直流電壓和直流電流

一、整流電路3〕二極管的選擇

一、整流電路3〕二極管的選擇可根據(jù)流過二極管的平均電流和其所承受的最高反向電壓來選擇二極管的型號。與單相半波整流電路相比，單相橋式整流電路電源和變壓器利用率高，輸出電壓高，電壓脈動小。因此，這種整流電路在工程中應(yīng)用較為廣泛。一、整流電路

【例6-2】一、整流電路

【例6-2解】一、整流電路

【例6-2解】一、整流電路

【例6-2解】二、濾波電路利用整流電路雖然可以把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱我环较虻闹绷麟妷?，但該直流電壓含有較大的脈動成分，不能保證電子設(shè)備的正常工作。因此，在整流電路之后還需要利用由儲能元件組成的濾波電路，來減小電壓中的脈動成分，使輸出的電壓更加平滑。濾波電路電容濾波電路電感濾波電路復(fù)式濾波電路二、濾波電路

1．電容濾波電路二、濾波電路

1〕工作原理二、濾波電路

1〕工作原理二、濾波電路

2〕負(fù)載上電壓的計算二、濾波電路

3〕元件選擇〔1〕電容的選擇二、濾波電路

〔2〕整流二極管的選擇二、濾波電路

〔2〕整流二極管的選擇二、濾波電路

【例6-3解】

二、濾波電路

【例6-3解】二、濾波電路

【例6-3解】二、濾波電路

2．其他濾波電路1〕電感濾波電路二、濾波電路

1〕電感濾波電路二、濾波電路經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓脈動減小，而且由于濾波電感電動勢的作用，使整流二極管的導(dǎo)通角增大，減小了整流二極管的沖擊電流，延長了整流二極管的壽命。電感濾波電路的缺點(diǎn)是體積大，易引起電磁干擾。電感濾波一般只適用于低電壓、大電流的場合。1〕電感濾波電路二、濾波電路為了得到更好的濾波效果，可將電感、電容、電阻按照一定的方式組成復(fù)式濾波電路。常見的復(fù)式濾波電路有Γ型LC濾波、Π型LC濾波和Π型RC濾波三種，如下圖。2〕復(fù)式濾波電路二、濾波電路2〕復(fù)式濾波電路這幾種常用復(fù)式濾波電路的工作特點(diǎn)及適用場合如表所示常用復(fù)式濾波電路工作特點(diǎn)及適用場合Γ型LC濾波電路適用于電流較大、要求輸出電壓非常平穩(wěn)的場合，用于高頻時更為合適Π型LC濾波電路它的濾波效果比Γ型LC濾波電路更好，但整流二極管的沖擊電流較大，因此更適用于小電流負(fù)載場合Π型RC濾波電路該電路中用電阻R代替了Π型LC濾波電路中的電感線圈，克服了電感線圈體積大而笨重，成本高的缺點(diǎn)。R越大、

越大濾波效果越好。但R太大，將使直流壓降增加，所以這種濾波電路主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動小的場合任務(wù)實(shí)施——整流濾波電路的測試一、實(shí)施目的〔1〕加深對半波、橋式整流濾波電路工作原理的理解?！?〕掌握整流濾波電路的測試方法。二、實(shí)施器材低壓交流電源〔3～24V〕1臺，萬用表1塊，示波器1臺，二極管40071只，電阻〔1kΩ〕、電容〔220μF〕、開關(guān)各1個，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線假設(shè)干。三、實(shí)施步驟〔詳見P185〕認(rèn)識穩(wěn)壓電路任務(wù)引入雖然經(jīng)整流和濾波后能夠得到較為平滑的直流電壓，但是這種直流電壓會隨交流電源電壓的波動和負(fù)載的變化而變化，穩(wěn)定性差。因此，需要一種穩(wěn)壓電路，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化時根本穩(wěn)定在某一數(shù)值。你知道常用的穩(wěn)壓電路有哪些嗎？它們的工作原理是什么呢？一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

〔a〕電路〔b〕穩(wěn)壓管的伏安特性曲線一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1．工作原理

一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路一般按下式選取穩(wěn)壓管，即1〕穩(wěn)壓管的選擇2．元件的選擇一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

2〕限流電阻的選擇二、濾波電路

【例6-4】二、濾波電路

【例6-4解】二、濾波電路

【例6-4解】二、三端集成穩(wěn)壓器隨著科技開展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。集成穩(wěn)壓器因體積小、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。集成穩(wěn)壓器種類繁多，應(yīng)用較為普遍的是三端集成穩(wěn)壓器。二、三端集成穩(wěn)壓器三端集成穩(wěn)壓器有三個引出端子，故稱為三端集成穩(wěn)壓器。按其性能的不同，三端集成穩(wěn)壓器可分為三端固定式集成穩(wěn)壓器和三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。前者的輸出電壓為固定值，不能調(diào)節(jié)；后者可通過外接電路對輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。本節(jié)將介紹CW78XX〔固定輸出正壓〕、CW79XX〔固定輸出負(fù)壓〕、CW317〔可調(diào)輸出正壓〕、CW337〔可調(diào)輸出負(fù)壓〕等系列三端集成穩(wěn)壓器。二、三端集成穩(wěn)壓器CW78XX和CW79XX系列三端固定式集成穩(wěn)壓器有輸入端〔IN〕、輸出端〔OUT〕和公共地端〔GND〕三個引出端子，其外形、管腳意義和圖形符號如下圖。1．CW78XX，CW79XX系列三端固定式集成穩(wěn)壓器1〕三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形、管腳意義和圖形符號二、三端集成穩(wěn)壓器CW78XX〔正電壓輸出〕和CW79XX〔負(fù)電壓輸出〕系列三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等規(guī)格，最大輸出電流有0.1A，0.5A，1A，1.5A等規(guī)格，它們的型號組成及其意義如下圖。2〕三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號組成及其意義二、三端集成穩(wěn)壓器如表所示為CW7815穩(wěn)壓器的主要參數(shù)。2〕三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號組成及其意義表6-4