二极管及其应用

第一章 二极管及其应用 第一章二极管及其应用 1 1晶体二极管的特性 结构与分类1 2整流电路及应用1 3滤波电路类型及应用1 4直流稳压电源 本章知识目标了解二极管器件的外形和电路符号 掌握二极管的单向导电性和主要参数 了解伏安特性 了解硅稳压管 发光二极管 光电二极管 变容二极管等特殊二极管的外形特征 功能和实际应用 了解整流电路的作用及工作原理 了解滤波电路及输出电压的估算 本章技能目标会使用万用表检测二极管好坏和判别极性 会用万用表 示波器测量和观察整流滤波电路输出波形 会查阅半导体手册 能按要求选用二极管 1 1晶体二极管的特性 结构与分类 半导体器件是现代电子技术发展必不可少的重要组成部分 由于它具有体积小 重量轻 使用寿命长 输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用 随着科学技术的发展 我们生活中的很多电子产品如电话 收音机 电视机 计算机 手机MP3 MP4等 都用到了半导体器件 下面我们一起来学习常用的半导体器件中的二极管及其应用 PN结 人们按照物质导电性能 通常将各种材料分为导体 绝缘体和半导体三大类 导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 例如硅 Si 锗 Ge 等都是半导体 纯净的不含任何杂质的半导体叫做本征半导体 它其中有两种等量的导电粒子 即载流子 电子和空穴 本征半导体的导电能力差 为增强导电性 通常在其中掺入某种微量元素 如果在本征半导体 如硅 中掺入微量三价元素 如硼 就形成P型半导体 P型半导体中空穴占多数 称为多数载流子 电子相对少 称为少数载流子 如果在本征半导体 如硅 中掺入微量五价元素 如磷 就形成N型半导体 N型半导体中电子占多数 称为多数载流子 空穴相对少 称为少数载流子 如果通过一定的生产工艺 将一块半导体的P型区和N型区结合在一起 则在它们的交界处就形成了一个具有单向导电性的薄层 称为PN结 以PN结为管芯 在P型区和N型区的两侧接上电极引线 就制成了半导体二极管 简称二极管 利用不同的半导体材料 采用不同的工艺和几何结构 现在已研制出种类繁多 功能用途各异的二极管 可用来产生 控制 接收 变换 放大信号和进行能量转换 晶体二极管的频率覆盖范围可从低频 高频 微波 毫米波 红外直至光波 1 1 1晶体二极管的结构及符号 二极管的结构 二极管是由一个PN结构成的 从P区引出的电极为二极管正极 N区引出的电极为二极管负极 用管壳封装起来即成二极管 根据管芯结构的不同 二极管可分为点接触型和面接触型 如图1 4所示 a 点接触型b 面接触型图1 4二极管常见结构 点接触型二极管 PN结面积很小 极间电容很小 适用于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件 也可用作小电流整流 面接触型二极管 PN结面积大 极间电容也大 适用于较大电流的整流 而不宜用于高频电路中 电路符号与实物图 二极管的电路符号如图1 5a 所示 用VD表示 图中箭头所指方向是二极管正向电流方向 二极管有两个引脚 箭头的一边代表正极 或阳极 另一边代表负极 或阴极 a 二极管电路符号b 二极管实物图 图1 5二极管符号与实物图 课堂实验一二极管单向导电性测试 实验目的 1 了解二极管的导电特性 2 会肉眼识别实物图的二极管正极 3 会画电路原理图 1 识别二极管正负极 靠近银色色环的一端为负极 2 按图1 6a 所示连接电路 即将二极管正极与电源高电位相接 二极管负极与电源低电位相接 即二极管两端加正向电压 观察指示灯的变化情况 将观察的现象记入表1 1 再按图1 6b 接电路 即将二极管两端对调 观察记录现象 实验内容 3 在图1 7中填入二极管的符号 使a 图灯亮 表1 1实验数据表 实验结论 二极管具有外加正向电压导通 外加反向电压截止的导电特性 即二极管具有单向导电性 1 1 2晶体二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系 由此得到的曲线 称为二极管的伏安特性曲线 如图1 9所示 图中实线为硅二极管 虚线为锗二极管 图1 9二极管伏安特性曲线 正向特性 二极管正极接高电位 负极接低电位 称为二极管正偏 二极管加正向电压时伏安特性分为正向死区和正向导通区 1 正向死区 对应曲线OA段 此时所加正偏电压较小 流过二极管的电流很小 二 极管仍处于截止状态 当加给二极管的正向电压增加到某一值时流过二极管的电流迅速增 大 把这一正向电压的值称为死区电压压 用Uth表示 在常温下 硅管的Uth 为0 5V 锗管的Uth为0 1V 2 正向导通区 对应曲线AB段 当加给二极管的正向电压超过死区电压后 二极管完全导通 此时二极管电流变化范围很大 电压变化范围很小 一般硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 称为导通电压 二极管充分导通时 可认为电压基本保持不变 统一取硅管的导通电压为0 7V 锗管的导通电压为0 3V 反向特性 二极管正极接低电位 负极接高电位 称为二极管反偏 二极管加反偏电压时 伏安特性分为反向截止区和反向击穿区 1 反向截止区 对应曲线的OC段 二极管处于截止状态 此时反向电流很小 且基本保持不变 称为二极管的反向饱和电流IR 其值随温度的升高而加大 2 反向击穿区 对应曲线的CD段 当反向电压加大到某一值时 反向电流突然增大 二极管失去单向导电性 该现象称为反向击穿 所加反向电压称为反向击穿电压UBR 稳压二极管就是利用该特性制成 但普通二极管不允许进入击穿区 因为普通二极管会因反向电流过大而损坏 1 1 3晶体二极管的主要参数 1 最大整流电流IFM 最大整流电流IFM指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流 使用中电流超过此值 管子会因过热而永久损坏 2 最高反向工作电压URM 二极管正常工作时允许承受的最高反向电压 一般为反向击穿电压UBR的一半左右 3 反向电流IRM 指二极管未击穿时的反向电流 其值愈小 则二极管的单向导电性愈好 4 最高工作频率 最高工作频率指保证二极管正常工作的最高频率 否则会使二极管失去单向导电性 1 1 4其他特殊二极管 下面介绍一些具有特殊功能的二极管 详见表1 2 表1 2特殊二极管 稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触硅材料二极管 它具有稳定电压的功能 在稳压设备和一些电子电路中经常使用 故把这种类型的二极管称为稳压管 常用稳压二极管的外形与普通二极管相似 有塑料外壳 金属外壳等封装形式 它在反向击穿前的导电特性与普通二极管相似 在击穿电压下 只要限制其通过的电流就可以安全工作在反向击穿状态下 其管子两端电压基本保持不变 起到稳压的作用 如图1 12所示 图1 12稳压二极管伏安特性曲线 光敏二极管 光敏二极管又称为光电二极管 其PN结工作在反向偏置状态 目前使用最多的是硅 Si 光敏二极管 它常作为光电传感元器件 能把接收到得光转变成电流 光电二极管在光线照射下 管子的反向电流将随光照的强度的改变而改变 其顶端有能射入光线的窗口 光线可通过该窗口照射到管芯上 当制成大面积光电二极管时 可作为一种能源 称为光电池 变容二极管 变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件 被广泛用于参量放大器 电子调谐及倍频器等微波电路中 变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系 并提高值以适用 发光二极管 发光二极管 简称LED 是一种光发射元器件 当发光二极管的PN结加上正向电压时 会产生发光现象 它是一种新型冷光源 具有功耗低 体积小 寿命长 工作可靠等特点 因此 常用来作为显示器 发光二极管的颜色主要取决于制造所用的材料 比较常见的有红色 绿色和红外光单色发光二极管 双向变色发光二极管 三色发光二极管等 其外形有圆形 方形 三角形及组合型 常见的发光二极管是红外发光二极管 它发出的是红外光 主要用在各种红外遥控器中作为遥控发射器件 a 交通灯b 数字显示器c 户外显示屏 图1 14二极管用途 技能训练一二极管的识别及检测 训练目标 1 识别二极管正负引脚 2 用万用表辅助判断二极管质量的好坏 训练材料 1 二极管 2AP9 2CW104 2CZ11 1N4148 1N4007 若干 2 万用笔1只 训练内容及步骤 1 二极管正负极引脚外观识别方法二极管实物上两个引脚的正 负极性是通过二极管外形标记来表示的 二极管外形标记有以下几种方法 a 负极用一条色环表示 b 正极上标有一个色点 c 外壳上印有二极管的电路符号 d 两个引脚 较长的为正极 较短的为负极 2 二极管实物引脚识别 通过外形标记识别以下各支二极管引脚的正 负极 将结果记入表1 3 表1 3二极管识别表 3 二极管极性及质量好坏的判别方法 1 万用表欧姆挡置于R 100或R 1K挡 2 测任意两脚间的电阻 3 交换红 黑表笔再测一次 如图1 17所示 4 测量的电阻值较小时 为正向电阻 黑表笔所接的是二极管的正极 红表笔所接的是负极 5 二极管质量判别见表1 4 表1 4二极管好坏判别表 a 测正向电阻b 测反向电阻 图1 17二极管的测量 4 用万用表检测二极管质量的好坏与极性检测以下5只不同型号的二极管 将检测结果记入表1 5中 表1 5二极管检测表 1 2整流电路及应用 在一般的电子产品中 如手机 手电筒 MP3 MP4 小型扩音器等 通常使用电池供电 但在大量电器设备中 如日常生活中常用的电视机 手机充电器 家庭影院等 往往利用交流220V电转换成直流稳压电源来供电 如图1 18所示 a 电视机b 手机充电器c 家庭影院 图1 18应用整流电路的常见家用电子设备 1 2 1整流电路作用及工作原理 直流稳压电源一般由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路等组成 其组成框图如图1 19所示 电源变压器 是将输入的交流220V或380V电压变换为所需的低压交流电 整流电路 是将低压交流电转换成脉动直流电 滤波电路 能减小电压的脉动 使输出电压平滑 稳压电路 能使输出的直流电压基本不受电网波动及负载变动的影响 整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换成直流电的电路 它在直流稳压电源中是不可缺少的一部分 图1 19直流稳压电源组成框图 常见的几种整流电路有半波 桥式整流电路 1 2 2半波整流电路及元件选用 半波整流电路的结构 半波整流电路如图1 20所示 它是最简单的一种整流电路 通过电源变压器T将初级的单相交流电压U1所需要的次级电压U2 VD是整流二极管元件 RL是负载电阻 图1 20半波整流电路 半波整流电路的工作原理 半波整流电路的工作原理如图1 22a 所示 a 电路b 波形图 图1 22半波整流电路工作原理 1 当电压U2为正半周时 二极管正向导通 理想情况下二极管的正向压降为零 负载电阻RL上的电压U0 U2 流过负载的电流I0 U0 RL 它们的波形如图1 22b 所示 2 当电压U2为负半周时 二极管反向截止 此时U0 0 I0 0 因此 负载电阻RL上得到的是一个半波整流电压 该电压方向不变 极性不变 但大小变化 我们称之为脉动直流电压 半波整流电路的基本参数 1 整流输出电压平均值 2 负载的电流 3 二极管的正向电流 4 二极管承受的反向峰值电压 综上分析 半波整流电路简单易行 所用二极管数量少 半波整流电路的输出电压不到输入电压的一半 交流分量大 效率低 因此 这种电路仅适用于整流电流较小 对脉动要求不高的场合 半波整流电路二极管的选用 当整流电路的变压器二次电压有效值和负载电阻值确定后 电路对二极管参数的要求也就确定了 一般应根据流过二极管电流和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号 半波整流二极管应满足 额定电压URM不低于 额定电流IFM不低于负载电流I0 1 2 3桥式整流电路及元件选用 为了克服半波整流电路的缺点 在实用电路中多采用全波整流电路 最常用的全波整流电路是桥式整流电路 桥式整流电路的结构 桥式整流电路如图1 23所示 它是由变压器T 四个整流二极管VD1 VD4 以及负载RL组成 也常称为整流桥 图1 23桥式整流电路 桥式整流电路的工作原理 其工作原理如图1 24所示 a 正半周b 负半周c 波形图 图1 24桥式整流电路工作原理 1 当输入信号为正半周时 VD1 VD3导通 VD2 VD4截止 负载上有半波输出 2 当输入为负半周时 VD2 VD4导通 VD1 VD3截止 负载上有半波输出 在输入信号的一个周期内 负载上得到两个半波 桥式整流电路的基本参数 1 流输出电压平均值 2 负载的电流 3 二极管的正向电流 4 二极管承受的反向峰值电压 综上分析 桥式整流电路与半波整流电路相比 在相同的变压器次级电压下 对二极管的参数要求是一样的 并且还具有输出电压高 变压器利用率高 脉动小等优点 因此 得到相当广泛的应用 桥式整流电路二极管的选用 桥式整流电路中整流二极管应满足 额定电压URM不低于 额定电流 不低于负载电流 整流桥 将桥式整流电路的4个二极管制作在一起 封装成为一个元器件就称为整流桥 在许多电源电路中都会使用整流桥来构成整流电路 如图1 25所示 整流电路中采用整流桥后 电路的结构得到明显简化 电路中只需用一个元器件 即整流桥构成整流电路 而不是多只二极管构成整流电路 因此 电路分析比较简单 1 整流桥电路符号 如图1 26所示 图中 是交流电压输入引脚 每个整流桥各有两个交流电压输入引脚 这两个引脚没有极性之分 图中 是正极直流电压输出引脚 是负极直流电压输出引脚 2 整流桥的检测 整流输出端 即 两端 正向电阻几千欧 反向电阻数百千欧 交流输入端 即 两端 正 反向电阻均为数百千欧 图1 28整流桥的检测 技能训练二整流桥组成的应用电路的搭接与参数测试 简单充电器电路 训练目标 1 会识别及检测色环电阻 电容 整流桥 变压器 稳压块等器件的质量好坏 2 会搭接整流 滤波电路 3 会通过示波器观察整流滤波波形 训练材料 训练材料清单见教材 相关原理介绍 1 电路功能给常见5号电池4节充电 其标准充电方法是 用电池额定容量的1 10电流即145mA充电14 16h 本充电器实测充电电流为170mA左右 充电时间约为12h 2 电路原理图电路原理如图1 29所示 图1 29简单充电器电路原理图 电路中J1接电源变压器的初级输入 220V J2接电池组盒子 其中的U为硅整流桥 1 电路元器件的检测 1 色环电阻器 其标称电阻值 并用万用表测量其实际电阻值 2 电解电容 其类型与引脚的排列 并用万用表检测其质量的好坏 3 瓷片电容 用表检测其质量的好坏 4 变压器 其质量的好坏 5 集成稳压器7812W7812集成电路的引脚功能如图1 31所示 图1 31W7800系列外形 2 电路的制作与调试 1 按原理图搭接电路 并进行焊接 2 用示波器接J1 J2端 同时在屏幕上显示输入输出波形 3 观察波形 记录峰 峰值 频率等参数 填入表1 10中 实训结果 将测量数据记入表1 9中 表1 9实训数据表 1 3滤波电路类型及应用 在大多数电子设备中 整流电路后都需要加滤波电路 以减小整流电压的脉动程度 满足稳压电路的要求 把脉动直流变成波形平滑直流的电路 即是滤波电路 常见的滤波电路有 电容滤波电路 电感滤波电路 复式滤波电路 1 3 1电容滤波电路及输出电压的估算 电容滤波电路工作时 主要是用到了电容器的隔直通交特性和储能特性 当单向脉动直流电压处于高峰值时电容就充电 而当处于低峰值电压时就放电 这样就把高峰值电压存储起来到低峰值电压处再释放 把高低不平的单向脉动性直流电压转换成比较平滑的直流电压 电容滤波电路结构 电容滤波电路是在负载的两端并联一个电容器C 如图1 33所示 图1 33电容滤波电路 电容滤波电路工作原理 其工作原理如图1 34所示 图1 34电容滤波电路工作原理 1 当u2为正半周并且数值大于电容两端电压 时 二极管D1和D3管导通 D2和D4管截止 电流一路流经负载电阻RL 另一路对电容C充电 当uC u2 导致D1和D3管反向偏置而截止 电容通过负载电阻RL放电 uC按指数规律缓慢下降 2 当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时 D2和D4因加正向电压变为导通状态 u2再次对C充电 uC上升到u2的峰值后又开始下降 下降到一定数值时D2和D4变为截止 C对RL放电 uC按指数规律下降 放电到一定数值时D1和D3变为导通 重复上述过程 输出电压的估算 1 桥式整流电容滤波的负载上得到的输出电压为 2 桥式整流电容滤波输出端空载时 电容滤波电路中元件的选用 1 半波整流加电容滤波器的输出直流电压约为U2 而桥式整流加电容滤波时 输出直流电压约为1 2U2 负载开路时 输出直流电则为1 4U2 2 滤波电容选用 容量C 3 5 T 2RL T为脉动电压的周期 也可参考表1 10 1 3 2电感滤波电路 当一些电气设备需要脉动较小 输出电流较大的直流电源时 若采用电容滤波电路 则电容器的电容量必须很大 因此对二极管的冲击电流很大 这就使得选择二极管和电容器很困难 在此情况下 往往采用电感滤波电路 电感滤波电路工作时 是因为电感器的通直阻交特性和储能特性 电感器是把单向脉动性直流电压分解出来的交流电压部分进行阻碍 电感滤波电路结构 电感滤波电路是负载与电感器串联 如图1 35所示 图1 35电感滤波电路 电感滤波电路工作原理 其工作原理如图1 36所示 图1 36电感滤波电路波形图 对于直流成分 由于电感L的电阻一般远小于负载RL 所以它几乎全部落在RL上 对于交流分量 由于电感L呈现感抗为XL 2 fL 只要L足够大 使XL RL时 电感L对交流分量的分压结果 使交流分量几乎全部落在电感L上 而负载RL上的交流压降很小 电感滤波后 不但负载电流及电压的脉动减小 波形变得平滑 而且整流二极管的导通角增大 L愈大 滤波效果愈好 另外 由于滤波电感电动势的作用 可以使二极管的导通角接近 减小了电流冲击 平滑了流过二极管的电流 从而延长了整流二极管的寿命 输出电压的估算 桥式整流电容滤波输出端空载时 1 3 3复式滤波电路 把电容接在负载并联支路 把电感或电阻接在串联支路 可以组成复式滤波器 复式滤波电路有LC滤波电路 型RC滤波电路 型LC滤波电路等 如图1 37所示 a LC滤波电路b 型LC滤波电路c 型RC滤波电路 图1 37复式滤波电路 各种滤波电路性能的比较详见表1 11 表1 11各种滤波电路性能的比较表 技能训练三制作整流 滤波电路并用万用表和示波器测量相关电量参数和波形 桥式整流滤波电路 训练目标 1 会识别及检测色环电阻 电容 整流桥 变压器 稳压管等器件的好坏 2 会制作整流 滤波电路 3 会用万用表和示波器测量相关电量参数和波形 训练材料 实训相关材料见教材 相关原理介绍 1 电路作用将交流电变为较平滑的直流电 2 电路原理相关电路原理如图1 38所示 图1 38整流 滤波电路 训练内容及步骤 1 电路元器件的检测 1 色环电阻器 识读其标称阻值 并用万用表测量其实际阻值 2 电解电容 识别其类型与引脚的排列 并用万用表检测其质量的好坏 3 二极管 识别其引脚 并用万用表检测其质量的好坏 4 变压器 检测其质量的好坏 2 电路的制作与调试 1 按电路原理图绘制布局草图 进行搭接 连线图如图1 39所示 2 按工艺要求对元件引脚进行成型加工 3 按布局插装 排列元件 4 按焊接工艺要求对元器件进行焊接 5 焊接各项端子 6 合上S1 S2 用示波器双通道接变压器二次侧 电容两端 负载电阻两端 整流桥西站等 观察记录波形 7 分别断开S1 S2 重复 6 的步操作 实训结果 用万用表和示波器测量相关电量参数和波形 并记入表1 13 表1 13实验数据表 1 4直流稳压电源 在日常生活中 有很多电子产品内部都有直流稳压电源 也有专门直流稳压设备 如图1 41所示 图1 41直流稳压电源实物 1 4 1三端集成稳压电源 随着集成电路工艺的发展 稳压电源中的各环节和其他附属电路大都可以制作在同一块硅片内 形成集成稳压组件 成为集成稳压电路或集成稳压器 由于集成稳压器具有体积小 外接线路简单 使用方便 工作可靠和通用性等优点 因此在各种电子设备中应用十分普遍 基本上取代了由分立元件构成的稳压电路 目前生产的集成稳压器根据输出电压是否可调 可分为固定式三端集成稳压器和可调式三端集成稳压器 图1 42所示为集成稳压器符号及封装形式 a 集成稳压器符号b 集成稳压器封装形式 图1 42集成稳压器符号及封装形式 三端固定式集成稳压器 1 三端固定式集成稳压器型号 如 三端固定式集成稳压器CW78L 的含义如下 C 代表国标 W 稳压器 78 产品序号 78输出正电压 79输出负电压 L 输出电流 输出为小电流 代号 L 例如 78L 最大输出电流为0 1A 输出为中电流 代号 M 例如 78M 最大输出电流为0 5A 输出为大电流 代号 S 例如 78S 最大输出电流为2A 无字母表示电流为1 5A 用数字表示输出电压值 例 7805表示输出电压值为5V 7812表示输出电压值为12V 79 系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器 除输入电压和输出电压均为负值外 其他参数和特点与78 系列集成稳压器相同 图1 43和图1 44所示为两种系列三端集成稳压器的外形及接线图 2 三端固定式集成稳压器外形及接线图 图1 43W78 系列外形及接线图 图1 44W79 系列外形及接线图 三端可调式集成稳压器 1 三端可调式集成稳压器外形及接线图 CW317为三端可调负输出集成稳压器 输出电压可调范围为 1 2 37V 输出电流可达1 5A 其1脚为调整端 2脚为输出端 3脚为输入端 如图1 48所示 图1 48W317外形及接线图 2 三端可调式集成稳压器的基本应用 如图1 49所示为可调输出电压电路 它克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点 继承了三端固定式集成稳压器的诸多优点 1 4 2开关式稳压电源 为了解决串联型稳压电源的损耗大 效率低等缺点 研制了开关型稳压电源 开关型稳压电源功耗小 效率高 体积小 重量轻 被广泛用于如彩电 计算机等现代电子设备中 开关式稳压电源的缺点是纹波较大 用于小信号放大电路时 还应采用第二级稳压措施 图1 50所示为开关式稳压电源原理图 当输入电压UI或负载RL发生变化时 若引起输出电压UO上升 导致取样电压VB2增加 则比较放大电路输出电压下降 控制脉宽调制器的输出信号UPO的脉宽变窄 开关调整管的导通时间减小 即输出电压的占空比减小 经滤波器后使输出平均直流电压UO下降 通过上述调整过程使输出电压UO基本保持不变 同理 输出电压UO降低时 脉宽