模拟基础技术电路 5

课题一整流滤波电路1任务1半导体二极管的识别与检测任务2整流滤波电路的安装与测试2任务1半导体二极管的识别与检测3

学习目标1．掌握本征半导体、P型半导体、N型半导体的概念以及PN结的形成过程。2．了解半导体二极管的结构、符号和类型。3．掌握半导体二极管的伏安特性。4．掌握半导体二极管主要参数的含义，能正确选用半导体二极管。5．了解特殊半导体二极管的符号和用途。6．能正确识别常用半导体二极管，并能正确检测半导体二极管。4半导体二极管（简称二极管）是最基本的电子元件之一，其应用实例如图所示。二极管的种类繁多，因其具有单向导电性而在电子产品中起整流、检波等作用。常用二极管的外形如图所示。本任务将以半导体基础知识为起点，学习二极管的基本知识、使用常识和检测方法，练习正确识别与检测二极管，并通过测量二极管的伏安特性进一步熟悉其性能。5

任务引入二极管的应用实例6常用二极管的外形a）大功率整流二极管b）整流二极管c）稳压二极管

d）柱形贴片二极管e）贴片发光二极管f）贴片快恢复整流二极管7一、半导体基础知识1．本征半导体半导体材料经过高度提纯后形成的半导体，称为本征半导体，也称为纯净半导体。本征半导体的原子排列非常整齐，硅半导体共价键示意图如图所示。在绝对零度（约

－273.15℃）时，本征半导体中的电子无法挣脱本身原子核束缚，呈现绝缘体特性。8

相关知识硅半导体共价键示意图9当半导体中的少量电子获得足够的能量时，即可挣脱共价键的束缚，形成自由电子，同时在电子原来的位置上留下一个空位，即空穴，如图所示。和空穴相邻的电子在空穴的吸引下与之复合（空穴与电子相遇后，自由电子便填补空穴，这种现象称为复合），而在电子原来的位置上产生一个新的空穴，从形式上看似乎是电子和空穴都在移动。此时的运动没有外电场的干涉，是一种无规则的运动。10自由电子与空穴的形成11在半导体的两端加上电压后，半导体中的自由电子和空穴就会在电场的作用下做定向移动，形成电流。当半导体导电时，自由电子向高电位端流动，空穴向低电位端流动，空穴参与导电是半导体区别于导体导电的主要特征。本征半导体的导电能力和载流子（即自由电子和空穴）的数量密切相关，环境温度越高，热激发也越强，半导体中的载流子就越多，导电能力就越强。122．杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量合适的杂质，就会使半导体的导电性能发生明显变化。人们把掺入微量元素的半导体称为杂质半导体，杂质半导体有N型半导体和P型半导体两种。（1）N型半导体在本征半导体中掺入微量五价元素，就形成N型半导体。掺杂后半导体中的自由电子为多数载流子，简称多子；空穴为少数载流子，简称少子。N型半导体也称为电子型半导体。13（2）P型半导体在本征半导体中掺入微量三价元素，就形成P型半导体。掺杂后半导体中的空穴为多子，自由电子为少子。P型半导体也称为空穴型半导体。虽然加入了杂质，但无论是P型半导体还是N型半导体，都和本征半导体一样，对外不显电性。14二、PN结的形成和特点1．PN结的形成如果将P型半导体和N型半导体制作在同一块本征半导体基片上，它们的交界面就会形成一层很薄的特殊导电层，这就是PN结。PN结是构成各种半导体元件的基础，其形成过程包括多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。15（1）多数载流子的扩散运动在自然界中，物质会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，称为扩散运动。当将P型半导体和N型半导体制作在一起时，由于P区的空穴为多数载流子，空穴的浓度高，自由电子的浓度低；而N区的自由电子为多数载流子，自由电子的浓度高，空穴的浓度低，所以在P型半导体和N型半导体的交界面两侧，出现了自由电子与空穴的浓度差，从而引起了多数载流子的扩散运动，如下图a所示。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，阻止扩散运动的进行。空间电荷区内，多数载流子已扩散到对方区域并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区有时也称为耗尽区。16PN结的形成a）载流子的扩散运动b）动态平衡时的PN结17（2）少数载流子的漂移运动在空间电荷区产生的内电场作用下，少数载流子产生漂移运动，N区的少子空穴从N区向P区运动，而P区的少子自由电子从P区向N区运动。扩散运动和漂移运动是两种作用相反的运动，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度将保持不变，于是形成了PN结，如上图b所示。182．PN结的单向导电性（1）PN结正偏当P区接电源正极、N区接电源负极时，称为PN结正偏（见下图）。此时，外加电压的电场方向与空间电荷区内建电场方向相反，使空间电荷区变窄，漂移运动和扩散运动的平衡被打破，多数载流子的扩散运动明显增强，形成了较大的扩散电流，PN结表现为一个阻值很小的电阻，即PN结导通。19PN结正偏20（2）PN结反偏当P区接电源负极、N区接电源正极时，称为PN结反偏（见下图）。此时，外电场与内电场方向一致，使内电场增强，空间电荷区变宽，阻止了多数载流子的扩散运动，而少数载流子的漂移运动明显增强，形成漂移电流，由于少数载流子的数量有限，所以漂移电流很小，PN结表现为一个阻值很大的电阻，即PN结截止。21PN结反偏22（3）PN结的单向导电性当PN结正偏时，PN结电阻值很小，PN结导通；当PN结反偏时，PN结电阻值很大，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。三、二极管1．二极管的结构与符号将PN结用外壳封装，分别在P区和N区引出两个电极，就是二极管，如图a所示。二极管的图形符号如图b所示，文字代号为V或VD。根据PN结结构的不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面型。23二极管的结构与图形符号a）二极管结构示意图b）二极管的图形符号2．二极管的单向导电性二极管的基本结构中包含一个PN结，所以二极管具有单向导电性。按图所示电路图连接实验电路，当开关放在1位置时，二极管V1正极接高电位，负极接低电位，即二极管V1加正向电压，二极管V1导通，灯泡点亮；当开关放在2位置时，二极管V2正极接低电位，负极接高电位，即二极管V2加反向电压，二极管V2截止，灯泡不能点亮。24二极管的单向导电性实验电路3．二极管的伏安特性在理想状态下，二极管导通时相当于开关接通，此时二极管两端的电压为零；二极管截止时相当于开关断开，此时流过二极管的电流为零。通常把具有这种特性的二极管称为理想二极管。但是实际使用的二极管在导通时都会产生一定的正向压降，而截止时也会有微小的电流流过。二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为二极管的伏安特性曲线，如图所示为某硅二极管的伏安特性曲线。25硅二极管的伏安特性曲线（1）二极管的正向特性在上图中，纵坐标轴右边的曲线为二极管的正向特性曲线。在正向特性曲线的起始段，即图中的

OA

段，曲线的变化很平坦，此时正向电压不断增加，但是通过二极管的电流变化却缓慢，二极管并没有导通，此区域称为“死区”。当曲线经过

A

点后，电压稍有增加，电流就会较快增加。通常将开始导通时的正向电压称为开启电压，一般硅二极管的开启电压约为0.5V，锗二极管的开启电压约为0.1V。26当电压大于开启电压后，通过二极管的电流和二极管两端的电压呈指数关系变化，如图中的

AB

段所示。当电压再进一步增加时，通过二极管的电流将急剧增大，如图中的

BC

段所示，此时二极管两端的电压基本维持恒定不变，二极管处于导通状态，此电压称为二极管的导通电压。通常硅二极管的导通电压为0.6～0.8V，锗二极管的导通电压为0.2～0.3V。27（2）二极管的反向特性在上图中，纵坐标轴左边的曲线为二极管的反向特性曲线。从图中的

OD

段可以看出，当二极管加上反向电压后，反向电流也会增加，但当电压超过－1V后，虽然电压增加很多，但流过二极管的反向电流却维持不变，此时的电流称为二极管的反向饱和电流，如图中

DE

段所示。反向饱和电流越小，表示二极管反向阻断性能越好，锗二极管的反向饱和电流为几十至一百多微安，硅二极管的反向饱和电流很小，只有几微安或更低。28当二极管两端的反向电压进一步增加到反向击穿电压

UBR

时，流过二极管的反向电流会突然增大，此时二极管处于反向击穿状态，如图中的

EF

段所示。二极管反向击穿后，只要将流过二极管的反向电流控制在一定范围内，二极管两端的反向电压降低后，二极管还能恢复正常，不致损坏。但若反向电流足够大，使二极管的PN结发生热击穿而烧毁，二极管将永久损坏。使用二极管时，加在二极管两端的反向电压不能大于它的反向击穿电压（稳压二极管除外）。294．二极管的主要参数（1）最大整流电流

IFMIFM

是指二极管长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流，它与PN结的材料、结面积和散热条件有关。（2）最高反向工作电压

URMURM

是指允许加在二极管两端的最大反向电压。（3）反向饱和电流

IRIR

是指二极管未击穿时的反向电流。（4）最高工作频率

fMfM

是指二极管所能承受的最高工作频率，由二极管结电容的大小决定。30二极管的参数是选用二极管的重要依据。当设备中的二极管损坏时，要采用同型号的新管更换，如无法找到同型号的元件，一般用类型相同、性能相近的元件代替。额定电流大的二极管可以代替额定电流小的二极管；反向耐压高的二极管可以代替反向耐压低的二极管；对于检波二极管，还要特别注意

fM

参数，最高工作频率高的二极管可以代替最高工作频率低的二极管。315．常用二极管（1）整流二极管整流二极管是利用PN结的单向导电性，把交流电变换成脉动直流电。由于其要通过较大的电流，一般内部结构为面接触型或平面型。常用整流二极管的外形与图形符号如图所示。32常用整流二极管的外形与图形符号a）外形b）图形符号（2）检波二极管检波二极管利用其单向导电性，与滤波电路配合将高频或中频无线电信号中的低频信号提取出来。由于工作信号的频率较高，所以其内部结构一般为点接触型，选用时要特别注意

fM

的选择。常用检波二极管的外形与图形符号如图所示。33常用检波二极管的外形与图形符号a）外形b）图形符号（3）稳压二极管稳压二极管简称稳压管，它是利用二极管在反向击穿时，两端的电压保持恒定这一特性来获取稳定电压，它工作在反向击穿状态。常用稳压二极管的外形与图形符号如图所示。34常用稳压二极管的外形与图形符号a）外形b）图形符号（4）发光二极管发光二极管简称LED，在电路中常作为显示元件，采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部也有一个PN结，具有单向导电性。常用发光二极管的外形与图形符号如图所示。35常用发光二极管的外形与图形符号a）外形b）图形符号（5）光电二极管光电二极管也称为光敏二极管，对波长为400～700nm的光源高度敏感。其结构与普通二极管类似，管芯是一个具有光敏特性的PN结，具有单向导电性。常用光电二极管的外形与图形符号如图所示。36常用光电二极管的外形与图形符号a）外形b）图形符号四、二极管引脚的区分与判断1．直观区分二极管引脚的极性电路中，二极管的正、负极性不能接错，否则将导致电路无法正常工作，甚至损坏电路，烧毁二极管。为了区分二极管的引脚，制造二极管时，一般在它的外壳上用图形符号或标志环等标注出极性。二极管正、负极的常见判别方法见下表。37二极管正、负极的常见判别方法38二极管正、负极的常见判别方法392．用万用表判断二极管引脚的极性（1）用模拟式万用表判断二极管引脚极性（以MF47型万用表为例）用MF47型万用表判断二极管的引脚极性时，使用万用表的R×100或R×1k挡，测量步骤如下：1）进行欧姆调零，将万用表的两个表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使万用表的指针指向右边的零欧姆，如图所示。

40万用表欧姆调零2）分别测量二极管的正、反向电阻值，其中有一次测得的电阻值比较小，如图所示；另一次测得的电阻值很大，如图所示。测得电阻值较小的那一次，万用表的黑表笔接的引脚是二极管的正极，红表笔接的引脚是二极管的负极。41二极管正向电阻测量二极管反向电阻测量42（2）用数字式万用表判断二极管引脚极性用数字式万用表判断二极管的引脚极性时，万用表的量程选择开关应放在挡（蜂鸣挡）上。

挡为数字式万用表测量二极管、电路通断的专用挡，该挡的正向直流电流约为1mA，正向直流电压约为2.8V，一般当外接电阻小于70Ω时，表内蜂鸣器鸣响。用数字式万用表正、反两次测量二极管，万用表有一次显示为数字1（表示电阻无穷大，开路），如图所示；另一次显示一个几百的数字，如图所示，这次测量中，万用表红表笔接的是二极管的正极，黑表笔接的是二极管的负极，万用表显示的数字为所测二极管的正向压降（电流约1mA），图中所测二极管的正向压降是0.514V。43用数字式万用表测量（反向）用数字式万用表测量（正向）3．用LCR晶体管测试仪判断二极管引脚极性LCR晶体管测试仪是一种专门测量电子元件的自动化仪表，测量时将电子元件插入测试插孔，测试仪即可自动判断元件类型并显示元件符号及引脚位置，同时还能显示元件的基本参数，为维修、检测带来极大便利。如图所示为测量1N4007二极管时的画面。44测量1N4007二极管45五、二极管的检测1．普通二极管的检测用万用表判断普通二极管的好坏时，模拟式万用表用R×100或R×1k挡，数字式万用表用

挡。分别测量二极管的正、反向电阻（压降），假设测得的正、反向电阻阻值分别为

R1

和

R2。（1）如果

R1

较小，R2

为无穷大，则二极管的性能良好。（2）如果

R1

和

R2

都为无穷大，则表示二极管开路。（3）如果

R1

和

R2

都很小，则表示二极管短路。（4）如果

R2

比较小，则二极管反向漏电严重，不能使用。462．稳压二极管的检测测量稳压二极管时，使用的挡位和测量普通二极管时相同，性能良好的稳压二极管的测量结果和普通二极管相同。此外，还可以用模拟式万用表的R×10k挡，区分普通二极管和低稳压值的稳压二极管。473．发光二极管的检测测量发光二极管时，可以直接用模拟式万用表的R×10k挡分别测量其正、反向电阻。当测量合格发光二极管的正向电阻时（万用表黑表笔接正极，红表笔接负极），除了万用表指针将发生一定偏转外，发光二极管还会微微点亮，如图所示。用模拟式万用表测量发光二极管的正向电阻48用数字式万用表测量发光二极管如果使用数字式万用表测量发光二极管，应使用万用表的

挡。对于性能良好的发光二极管，当红表笔接正极，黑表笔接负极时，发光二极管将点亮，万用表显示屏将显示其正向压降，如图所示。从显示值可以看出，发光二极管的正向压降明显大于普通二极管。49六、二极管的命名国产二极管根据使用的半导体材料、用途等进行命名，具体命名方法见下表。国产二极管的命名方法50从理论上讲，二极管由P型半导体和N型半导体结合而成，命名时应无P型二极管和N型二极管之分，但在实际制造二极管时，并不是将两块一样的P型半导体和N型半导体结合成二极管，而是常常采用单一的P型半导体或N型半导体作为基底，然后在基底中掺杂形成另一种半导体。贴片二极管的命名方法因厂家不同而不同，常用元件代码表示，实际应用中请查阅相关手册。任务2整流滤波电路的安装与测试51

学习目标1．理解整流的概念，掌握单相半波、全波、桥式整流电路的工作原理。2．能对单相半波、全波、桥式整流电路进行计算和分析，并正确选择整流二极管的参数。3．掌握整流电路的测试方法，能准确测量其输入、输出电压和波形。4．掌握滤波电路的作用和种类，能简单描述其工作原理。5．能熟练使用常用无线电装接工具及仪表仪器，正确安装、测试整流滤波电路。52白炽灯、日光灯、电风扇等电器都是采用220V交流电（市电）供电的，而全自动洗衣机、智能冰箱、空调、电视机等虽然也采用交流电源供电，但其内部部分电路则是采用直流电源供电的；手机、电动自行车等由电池供电，但其充电电路是将市电变换成直流电来给电池充电的。可见，生活中常需要将交流电变换成直流电，而要将220V交流电变换成稳恒的直流电，需要经过变压、整流、滤波和稳压四个步骤：第一步，由变压器完成变压，它将输入的市电变换成适当的低电压；第二步，由二极管组成的整流电路把交流电转变成脉动直流电；第三步，由电容器、电感器等组成的滤波电路把脉动直流电变换成平滑直流电；第四步，由稳压电路将平滑直流电变换成大小恒定的直流电。53

任务引入整流滤波电路是电源电路中最基本的电路，一般只要是采用市电供电的电子设备，其内部往往都有整流滤波电路。如图所示为监控摄像头用12V小型开关电源中的整流滤波电路。54小型开关电源中的整流滤波电路本任务将重点分析单相整流电路中最常用的三种整流电路的组成和工作原理，并按照电子电路安装工艺要求和方法进行整流滤波电路的安装、调试，利用示波器测量整流滤波电路的输入、输出波形，并通过变换元件参数进一步学习元件的合理选择。55一、整流电路1．单相半波整流电路（1）单相半波整流电路的组成和工作原理单相半波整流电路是组成最简单的一种整流电路，如图所示，它由变压器T、二极管V和负载电阻

RL组成。变压器在电路中起电压变换的作用，二极管起整流作用，RL

为负载电阻。

56

相关知识单相半波整流电路57单相半波整流电路的工作原理是：当

u2

为正半周期时，u2

为上正、下负，二极管V两端承受正向电压而导通，有电流流过负载电阻RL，且电流方向为自上而下，如下图a所示。当

u2

为负半周期时，u2

为上负、下正，二极管V截止，没有电流流过负载电阻RL。因此，在交流电的一个周期内，二极管导通一次。单相半波整流电路的输入、输出电压波形如下图b所示。58单相半波整流电路中的电流方向与输入、输出电压波形a）电流方向b）输入、输出电压波形5960（2）单相半波整流电路分析当变压器输出交流电压

u2

的有效值为

U2

时，负载两端的电压平均值

Uo

为：Uo≈0.45U2流过负载电阻的平均电流

IL

为：61由于单相半波整流电路中，二极管和负载电阻串联，所以流过二极管的电流和流过负载电阻的电流相同，即流过二极管的电流

ID

为：ID=IL二极管两端实际承受的最高反向工作电压

U′RM

为

u2

的峰值，即：（3）单相半波整流电路的特点单相半波整流电路组成简单，使用元件数量少，成本低。但由于二极管只在交流电的正半周期工作，故输出电压低，电压脉动大，整流效率低。2．单相全波整流电路（1）单相全波整流电路的组成和工作原理单相全波整流电路如图所示，它由两个二极管、一个变压器和负载电阻组成。62单相全波整流电路单相全波整流电路的工作原理是：当

u2a

为正半周期时，u2a

为上正、下负，二极管V1两端承受正向电压而导通，同时因

u2b

为上正、下负，V2承受反向电压而截止，电流通过二极管V1流过负载电阻RL，电流方向为自上而下，如图所示。63V1导通时的电流方向当

u2b

为正半周期时，u2b

为上负、下正，二极管V2两端承受正向电压而导通，此时

u2a

为上负、下正，V1承受反向电压而截止，电流通过二极管V2流过负载电阻RL，电流方向依然为自上而下，如图所示。64V2导通时的电流方向所以无论是在交流电的正半周期还是交流电的负半周期，负载电阻都有电流流过，并且电流方向保持不变。单相全波整流电路的输入、输出电压波形如图所示。单相全波整流电路的输入、输出电压波形6566（2）单相全波整流电路分析当变压器输出交流电压

u2

的有效值为

U2

时，负载两端的电压平均值

Uo

为：Uo≈0.9U2流过负载电阻的平均电流

IL

为：67因为工作时两个二极管轮流导通，每个二极管在交流电的一个周期中，只有一半时间有电流流过，所以流过二极管的电流

ID

为：二极管两端实际承受的最高反向工作电压

U′RM

为：68（3）单相全波整流电路的特点单相全波整流电路使用两个二极管，两个二极管交替导通，使得在交流电的正、负两个半周期都有电压输出，电压脉动小。但要使用双输出电压的变压器，两个绕组电压必须相同，才能保证输出电压的对称，变压器制造工艺复杂，成本较高。同时二极管承受的最高反向工作电压比单相半波整流电路高一倍，所以要求二极管的反向击穿电压高。3．单相桥式整流电路（1）单相桥式整流电路的组成和工作原理单相桥式整流电路如图所示，它由变压器、四个整流二极管和负载电阻组成。69单相桥式整流电路当交流电

u2

为正半周期时，u2

为上正、下负，此时二极管V1和V4的两端承受正向电压而导通，同时V2和V3承受反向电压而截止，电压

u2

通过V1、负载电阻RL

和V4形成回路，流过负载电阻RL

的电流为自上而下，如图所示。70V1、V4导通时的电流方向当交流电

u2

为负半周期时，u2

为上负、下正，此时二极管V3和V2的两端承受正向电压而导通，V1和V4承受反向电压而截止，电压

u2

通过V3、负载电阻RL

和V2形成回路，流过负载电阻RL

的电流依然为自上而下，如图所示。71V2、V3导通时的电流方向通过以上分析可知，无论是在交流电的正半周期还是负半周期，负载电阻RL

上都有电流流过，而且方向都是自上而下，电流方向保持不变。单相桥式整流电路的输入、输出电压波形如图所示。72单相桥式整流电路的输入、输出电压波形73（2）单相桥式整流电路分析当变压器输出交流电压

u2

的有效值为

U2

时，负载两端的电压平均值

Uo

为：Uo≈0.9U2流过负载电阻的平均电流

IL

为：74因工作时四个二极管分成两组轮流导通，在交流电的每个周期中，每个二极管有一半时间有电流流过，所以流过二极管的电流

ID

为：二极管两端实际承受的最高反向工作电压

U′RM

为：75（3）单相桥式整流电路的特点单相桥式整流电路使用四个二极管，工作时四个二极管分成两组，交替处于工作状态，整流效率高，输出电压脉动小。由于有两个二极管同时工作，所以电源内阻稍有增大。单相桥式整流电路虽然增加了二极管的数量，但因二极管的价格低廉，故在各种电子线路中依然得到广泛应用。二、滤波电路交流电经过整流后，变成了脉动直流电，虽然电压的方向不再改变，但其大小仍随时间变化，滤波电路就是将脉动直流电变换成平滑直流电的电路。1．电容滤波电路（1）电容滤波电路原理在整流电路的输出端并联一个电容器就形成了电容滤波电路，如下图所示为单相桥式整流电容滤波电路。76单相桥式整流电容滤波电路77当

u2

为正半周期时，整流二极管V1、V4导通，u2

通过V1、V4给负载电阻供电，同时给电容器C充电。由于充电回路电阻很小，所以充电很快，在起始段，电容器两端的电压几乎和电压

u2

同步上升，当

u2

达到最大值时，电容器C上的电压也达到最大值；此后

u2

开始下降，电容器C将通过RL

放电，两端电压将逐渐下降，如果电容器两端的电压下降速度小于

u2

的下降速度，则

uC

将大于此时的

u2，二极管V1、V4将承受反向电压而截止，负载两端电压来源于电容器两端。78当

u2

的负半周期到来时，如果没有滤波电容的存在，V2、V3将导通，但有滤波电容后，由于电容器上有电压，如果电容器两端的电压值大于

u2

的瞬时电压值，V2、V3将保持截止状态，直到

u2

的电压值上升到大于电容器两端的电压

uC

时，V2、V3才开始导通，u2

电压又将给负载电阻供电，同时给电容器充电，如此周而复始。79通过分析可以得知，在有滤波电容的电路中，二极管导通时间将变短，电路的输出波形变得平滑。当

RL

不变时，接入不同滤波电容的单相桥式整流电