第8章二极管及整流电路

第8章二极管及整流电路8.3半导体二极管8.4稳压二极管8.2PN结及其单向导电性8.1半导体基础8.6滤波器8.7直流稳压电源8.5整流电路第8章半导体二极管及整流电路本章要求：一、理解PN结的单向导电性；二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。

器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差，工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。

对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。

学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。8.1

半导体基础半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强8.1.1

本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的鍺、硅、硒，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理本征激发：空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴8.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴8.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si多子：空穴少子：自由电子B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba8.2PN结及其单向导电性PN结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层1.PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负

外电场IFPN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–多子在外电场作用下定向移动，形成较大的正向电流。PN结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。–+2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。PN结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR8.3

半导体二极管8.3.1基本结构（一个PN结）(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D8.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。8.3.3主要参数1.

最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.

反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.

反向峰值电流IRM指二极管加最高反向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，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABV阳

=－6V，V阴=－12VV阳>V阴，二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–解：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，钳位，使D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:流过D2

的电流为求：UABD2：钳位作用，D1：隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––解：8.4

稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。8.5

整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性直流稳压电源结构小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压uDO8.5.1单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通，3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止，1.电路结构–++–aTrDuoubRLioutOuoOu0=u；u0=0。4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM5.整流二极管的选择

平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID

，URWMUDRM

7.常见故障分析6.特点及应用

电路简单，但变压器利用率低，UO小，且脉动大。用于小电流、脉动要求不严格的电路。（1）D短路：无整流，uD=0，uO=u（2）D虚焊：无输出，uD=u

，uO=08.5.2单相桥式整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止,3.工作波形uD2uD41.电路结构－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－uu0=u；2.工作原理u

负半周，Va﹤Vb，二极管

D2、D4

导通，D1、D3

截止，3.工作波形uD2uD41.电路结构uouDttRLuiouo1234ab+–+–u8.5.2单相桥式整流电路－－uD1uD3u0=-u。4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM5.整流二极管的选择同半波整流一样，选管时应满足：

IOM

ID

，URWMUDRM

7.常见故障分析6.特点及应用

变压器利用率高，输出脉动小，但元件多，二极管的管压降大。用于中、小功率的整流电路。RLu1234ab+–×RLu1234ab+–aRLu1234b+–（1）一只D短路：

半周短路，烧坏二极管、变压器（2）一只D虚焊：半波整流（3）一只D接反：

半周短路，半周无输出，烧坏二极管、变压器例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器二次电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器二次电压U

122V

可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。解：例2：

试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D38.5.3三相桥式整流电路2.工作原理在每一瞬间共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。1.电路D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––o

三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形共阳极组共阴极组

在t1~

t2

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中b点电位最低，D4导通。负载两端的电压为线电压uab。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9

在t2~

t3

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压uaC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo

在t3~

t4

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压ubC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo

在t4~

t5

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中a点电位最低，D2导通。负载两端的电压为线电压uba。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2.工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理结论：

在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通（导通角为120°）。D1RLuoD6D3D5D4D2iocbau++––

o变压器副边电压负载电压负载两端的电压为线电压。uouaubuC23.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM8.6

滤波器

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联或将电感与负载RL串联。

8.6.1电容滤波器

1.电路结构2.工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形（半波、全波）uoutOtO（桥式）4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U

无电容滤波0.45UUooIO

结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。iDtuotOO例：

有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器二次电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CZ55BIOM=1000mAURWM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器8.6.2电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理

对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。

当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。8.6.3形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。N1N3C20.047FD2D3D4D12CZ12A×4N2FU23A2000F/50V+C1–24VFU11A直流24V交流～220V交直流收扩两用机电源8.7

直流稳压电源

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。8.7.1稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)=UI–URIZ1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路8.7.1稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZUIUZ设负载RL一定，UI变化UO

基本不变IRRIZIR1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz3.参数的选择(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)IOM(3)UI

=(2~3)UO(4)为保证稳压管安全工作为保证稳压管正常工作

适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。8.7.2恒压源

由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。U0RFR2R1+–++–RL+–UZRDZ+UUORFR2R1++–+–RLRDZ+–UZ+U反相输入恒压源同相输入恒压源改变RF即可调节恒压源的输出电压。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R18.7.3串联型稳压电路1.电路结构

串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件比较放大基准电压取样电路

当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO

升高时，有如下稳压过程：2.稳压过程

由电路图可知UOUfUBUOICUCE

由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R13.输出电压及调节范围

输出电压UiTR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R18.7.4

集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.

分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入端3—公共端2—输出端78xxW7900系列稳