半导体二极管与整流滤波电路.ppt

,导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,第8章 半导体二极管与整流滤波电路,8.1 半导体二极管,P N,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,P,N,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:,点接触型,面接触型,小功率高频,大功率低频,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,伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,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。,反向截止区,反向击穿区,UBR反向击穿电压,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。,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。,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R100或R1k（）档（R1档电流太大，用R10k（）档电压太高，都易损坏管子）。如下图8.4所示。,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,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20,8.2.1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,（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,（3）动态电阻,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,发光二极管的正向工作电压为2 2.5 V ，工作电流为5 20 mA 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R10 k（）档，方法和普通二极管的一样。,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R1 k（）档，方法和普通二极管的一样。正向电阻一般在30 k左右，反向电阻为无穷大。说明性能变差或损坏。,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R1 k（）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 20k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,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,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，,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：aD1RLD3b，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：bD2RLD4a，如图中虚线箭头所示。,图 8.12 电压、电流波形图,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）,8.3.3 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）,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,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RL50，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,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。,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: C = RnC,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t0（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d 。d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。,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,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 0.9 U2,图 8.17 复式滤波电路 （a）型滤波电路；（b）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,例 8.2 一个桥式整流电容滤波电路如图 8.18 所示。电源由220 V、50Hz的交流电压经变压器降压供电，要求输出直流电压为30 V，电流为500 mA，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,有负载时的直流输出电压为,故变压器次级电压有效值为,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IFM0.5A, 最高反向工作电压URM 50 V 。 ,（2）选择滤波电容器,取标称值1000F； 电容器耐压为（1.52）U2 = （1.52）25 = 37.5 50 V 。 最后确定选1000F50V的电解电容器1只。,8.5 硅稳压管稳压电路,交流电经整流滤波可得平滑的直流电压，但由于电网电压波动和负载变化时输出电压也随之而变，因此，需要一种稳压电路，,8.5.1 稳压二极管稳压电路的工作原理,2.工作原理:,(1). 负载电阻RL不变,Ui Uo IZ IR UR Uo,(2). 电源电压不变,RL IL IR Uo IZ IR = （IL+IZ）Uo,8.5.2 硅稳压管稳压电路限