电工及其电子基础 5

272第四章二极管和晶闸管273目录§4-1二极管§4-2直流稳压电源§4-3晶闸管274§4-1二极管275学习目标1.了解二极管的结构和图形符号。2.理解二极管的伏安特性和主要参数。3.了解常用二极管的特点及应用。276一、二极管的结构和图形符号在硅或锗等纯净半导体中掺入微量合适的杂质元素，可以使半导体的导电能力大大增强。按掺入的杂质元素不同，半导体可分为P型半导体和N型半导体，在P型半导体中空穴是多数载流子，在N型半导体中自由电子是多数载流子。如果在一块半导体基片上，一边制成P型半导体，另一边制成N型半导体，在它们的交界面两侧就会形成一个具有特殊性质的空间电荷区（又称耗尽层），即PN结。277由一个PN结加上相应的电极引线和管壳即可组成一个二极管，如图a所示。二极管的两个引出极，一个称为正极，另一个称为负极。二极管的文字符号为VD或V，图形符号如图b所示，如图b中的箭头指向为二极管正向电流的方向。二极管的结构和图形符号a）内部结构图b）图形符号278二、二极管的伏安特性和主要参数1. 二极管的伏安特性二极管最重要的特性是单向导电性，可以用伏安特性来描述。如下图所示为二极管的伏安特性曲线，即加在二极管两端的电压与通过二极管的电流之间的关系曲线。279二极管的伏安特性曲线280二极管的伏安特性包括正向特性和反向特性，如上图中，位于第一象限的曲线表示二极管的正向特性，位于第三象限的曲线表示二极管的反向特性。角频率的单位为弧度每秒（rad/s）。（1）正向特性正向特性是指在二极管两端加正向电压（正向偏置，简称正偏）时的特性。当正向电压小于某一数值（该数值的电压称为死区电压，锗二极管的死区电压约为0.1V，硅二极管的死区电压约为0.5V）时，二极管呈现的电阻很大，通过的电流很小（几乎为零），二极管不能导通。281（2）反向特性反向特性是指在二极管两端加反向电压（反向偏置，简称反偏）时的特性。当反向电压小于某一数值（该数值的电压称为反向击穿电压UBR）时，反向电流很小，而且几乎不随反向电压变化。通常锗二极管的反向电流可达几百微安，硅二极管的反向电流在几十微安以下。2822. 二极管的主要参数（1）最大整流电流（IFM）最大整流电流是指二极管允许通过的最大正向工作电流的平均值。如果实际工作电流超过此值，二极管可能会因过热而损坏。（2）最高反向工作电压（URM）最高反向工作电压是指二极管允许承受的最高反向工作电压峰值，一般规定最高反向工作电压为反向击穿电压的1/3~1/2。283（3）反向饱和电流（IR）反向饱和电流是指二极管在规定的最高反向工作电压和环境温度下的反向电流值。因为PN结中的反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子的数量受温度的影响很大，所以二极管的反向电流越小，说明其热稳定性越好。284三、常用二极管根据PN结的伏安特性，利用不同的原材料和生产工艺，可制成众多不同用途的二极管，下面介绍几种常用的二极管。1. 整流二极管整流二极管的外形如图所示，其图形符号与二极管的一般符号相同。整流二极管的外形285整流二极管利用单向导电性，可以将交流电转换为脉动直流电，如图所示。整流电路波形图2862. 稳压二极管稳压二极管的外形和图形符号如图所示，其文字符号为VZ。稳压二极管的外形和图形符号a）外形图b）图形符号287稳压二极管是采用特殊工艺制作的硅二极管，其外形与普通二极管相似，其特性与普通二极管的区别是稳压二极管的反向击穿电压可根据需要制成不同的规格，当其处于反向击穿区时，只要控制反向电流不太大，稳压二极管就可以长时间工作在反向击穿状态，并保持两端电压几乎不变。如图所示为一个最简单的串联稳压电路，其中R为限流电阻。最简单的串联稳压电路2883. 发光二极管利用二极管的电致发光效应，可制成各种颜色的发光二极管。发光二极管的内部结构、外形和图形符号如图所示，其文字符号常用LED表示。发光二极管的内部结构、外形和图形符号a）内部结构图b）普通发光二极管c）贴片式发光二极管d）图形符号2894. 光敏二极管光敏二极管也称光电二极管，是一种将光信号转变成电信号的半导体器件。它的基本结构也是一个PN结，但是PN结接触面积较大，可以通过管壳上的一个窗口接收入射光。光电二极管的外形、内部结构和图形符号如图所示。光电二极管的外形、内部结构和图形符号a）外形图b）内部结构图c）图形符号290光电二极管工作在反偏状态，当无光照时，反向电流很小，称为暗电流，一般小于0.1μA；当有光照时，反向电流迅速增大，可达几十微安，称为光电流。光电流不仅与入射光的强度有关，而且与入射光的波长有关。如图所示为远红外遥控电路。其中，如下图a所示为发射电路，如下图b所示为接收电路。当按下发射电路中某一按钮时，编码器产生调制的脉冲信号，并由发光二极管转变成光脉冲信号发射出去，接收电路中的光电二极管将光脉冲信号转变成电信号，经放大、解码后由驱动电路驱动负载做出相应的动作。291远红外遥控电路a）发射电路b）接收电路292光电二极管不仅能构成光电传感器件，如果将其制成受光面积大的结构，还可以转化为一种能源器件，称为光电池。如图所示为光电池LED路灯。光电池LED路灯2935. 开关二极管开关二极管是利用PN结的正向偏置导通、反向偏置截止的特性工作的，一般用于接通或切断电路。与普通二极管相比，开关二极管的反向恢复（从截止到导通）时间更短，开关频率更快。294§4-2直流稳压电源295学习目标1.掌握常用整流电路的组成和工作原理。2.掌握常用滤波电路的组成和工作原理。3.了解三端式集成稳压器的基本知识和应用。296汽车蓄电池是直流电源，必须用直流电源对其进行充电；如果是交流电源，就必须先将其转换为直流电源才能为蓄电池充电。直流稳压电源的作用就是将交流电转换成稳定的直流电，所以直流稳压电源也称AC/DC变换器。直流稳压电路主要由整流电路、滤波电路和稳压电路等组成，如图所示。直流稳压电路的组成297一、整流电路将交流电转换为直流电的过程称为整流，具有单向导电性的二极管是最常用的整流元件。按照所接交流电源的不同，整流电路可分为单相整流电路和三相整流电路。单相整流电路又可分为单相半波整流电路、单相全波整流电路、单相桥式整流电路三种基本形式。三相整流电路又可分为三相半波整流电路和三相桥式整流电路。2981. 单相半波整流电路单相半波整流电路通常由一个降压变压器、一个整流二极管和一个负载组成，如下图a所示。电路中，变压器T的作用是将电网电压u1

变换为所需的交流电压u2。单相半波整流电路的波形图如下图b所示。单相半波整流电路a）电路图b）波形图299当u2

为正半周时，设A

端为正，B

端为负，二极管VD正偏导通，电流由A

端流出，经VD、负载RL

回到B端。忽略二极管正向压降，负载RL

两端电压uL≈u2。当u2

为负半周时，则B

端为正，A

端为负，二极管VD反偏截止，负载RL

中无电流通过，uL≈0。单相半波整流电路负载上得到的脉动直流电压在一个周期内的平均值为UL=0.45U2式中，U2

为变压器二次侧电压的有效值。3002. 单相桥式整流电路单相桥式整流电路通常由一个降压变压器、四个整流二极管和一个负载组成，如下图a所示。单相桥式整流电路的波形图如下图b所示。单相桥式整流电路的其他两种常见画法如下图c所示。301单相桥式整流电路 a）电路图b）波形图c）其他两种常见画法302当u2

为正半周时，设A

端为正，B

端为负，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流通路如上图a中实线箭头所示，负载RL

中的电流方向为由上向下，两端电压极性为上正、下负。当u2

为负半周时，则B

端为正，A

端为负，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流通路如上图a中虚线箭头所示，负载RL

中的电流方向和两端电压极性与u2

正半周时相同。单相桥式整流电路负载上得到的脉动直流电压在一个周期内的平均值为UL=0.9U2单相桥式整流电路具有变压器利用率高、平均直流电压大和脉动小等优点，因此得到了广泛应用。3033. 三相桥式整流电路单相整流电路输出功率不大，大功率的直流电源需要采用三相整流电路。三相桥式整流电路如图所示，电源变压器的一次绕组接成三角形，二次绕组接成星形，整流二极管VD1、VD2、VD3共阴极连接，VD4、VD5、VD6共阳极连接。三相桥式整流电路304三相桥式整流电路的波形图如图所示。三相桥式整流电路的波形图a）工作波形b）实测输出波形305在t1~t2

时间内，U相电位最高，共阴极组中，VD1优先导通，V相电位最低，共阳极组中，VD5优先导通，其余二极管截止，电流通路为U→VD1→RL→VD5→V。此时，uL=uUV。在t2~t3

时间内，U相电位最高，VD1继续导通，而W相电位变为最低，VD6导通，其余二极管截止，电流通路为U→VD1→RL→VD6→W。此时，uL=uUW。在t3~t4

时间内，V相电位最高，W相电位最低，VD2和VD6导通，电流通路为V→VD2→RL→VD6→W。此时，uL=uVW。306依次类推，可得到如下结论：在任一瞬间，共阴极组和共阳极组中各有一个二极管导通，每个二极管在一个周期内导通120°，负载上获得的脉动直流电压是线电压uUV、uUW、uVW、uVU、uWU、uWV的波顶连线。在一个周期内出现六个波头，负载电压为正压输出，输出的直流电压平均值为UL=2.34U23074. 硅整流堆 将硅整流器件按某种整流方式连接后封装成一体就制成硅整流堆，简称硅堆。采用硅整流堆构成的整流电路占用线路板空间小，安装方便，可靠性好。硅整流堆品种较多，在内部结构上，低压小电流硅整流堆的整流二极管按半桥或全桥方式组合，简称桥堆，通常采用塑料或陶瓷封装；大电流硅整流堆则采用特殊工艺制造，通常采用金属封装，有的还带有散热器。常见硅整流堆的外形如图所示。308常见硅整流堆的外形a）单相整流桥堆b）贴片式单相整流桥堆c）三相整流桥堆d）高压硅整流堆309二、滤波电路交流电经过整流后转换为脉动直流电，其中还含有较大的交流成分。为了得到平滑的直流电，必须在整流电路之后接入滤波电路，从而把脉动直流电中的交流成分过滤掉，使负载上能够得到更多的直流成分。最常用的滤波元件是电容器和电感器。常用的滤波电路分为电容滤波电路、电感滤波电路、LC型滤波电路和LC-Π型滤波电路、RC-Π型滤波电路等。3101. 电容滤波电路桥式整流电容滤波电路如图所示，滤波电容与负载并联（如图中单相桥式整流电路采用简化画法）。桥式整流电容滤波电路a）电路图b）波形图311设接通电源前电容C两端电压为零。当接通电源后，在u2

正半周，二极管VD1、VD3导通，电容C迅速充电（同时也向负载供电），电容C两端电压uC（即负载两端电压uo）随u2

同步升高，并达到

u2

的峰值。u2

由峰值开始下降，即u2<uC

时，VD1、VD3截止（VD2、VD4仍截止），电容C通过RL

放电，uo

下降。312当下一个半周到来，且u2>uC

时，VD2、VD4导通，电容重复上述充放电过程。由于滤波电容的充放电作用，负载输出电压的脉动程度大为减弱，波形相对平滑，输出的直流电压平均值也得到提高。只有当滤波电容较大而负载电流较小时，电容放电慢，波形才比较平滑。当滤波电容较大时，在接通电源的瞬间会有很大的充电电流，该电流称为浪涌电流。因此，电容滤波电路适用于负载电流较小且变化不大的场合。3132. 电感滤波电路桥式整流电感滤波电路如图所示，滤波电感与负载串联。桥式整流电感滤波电路a）电路图b）波形图314当负载中的电流发生变化时，电感线圈两端要产生自感电动势来阻碍电流的变化，因此负载电流的脉动程度大为减弱，负载输出电压的波形变得较为平滑。电感滤波对整流二极管没有电流冲击。一般来说，感抗越大，滤波效果越好。为了增大感抗，电感多用带铁芯的线圈，但其体积大，较笨重，成本高，输出电压也会降低，因此滤波电感常取几亨到几十亨。电感滤波电路主要用于负载电流较大或经常变化的场合。有些整流电路的负载是电动机线圈、继电器线圈等电感性负载，负载本身就能起到平滑脉动电流的作用，这时可以不必另加滤波电感。3153. 复式滤波电路为了进一步提高滤波效果，可以将电容器和电感器（或电阻器）组合成复式滤波电路。（1）LC型滤波电路在电感滤波电路的基础上，在负载RL

上再并联一个电容，便构成图所示的LC型滤波电路。脉动直流电经过电感L，交流成分被削弱，再经过电容C滤波，将交流成分进一步滤除，就可以在负载上获得更加平滑的直流电压。LC型滤波电路316（2）LC-Π型滤波电路在LC型滤波电路的输入端再并联一个电容，便构成LC-Π型滤波电路，如图所示。LC-Π型滤波电路317（3）RC-Π型滤波电路当负载电流较小时，常选用电阻代替LC-Π滤波电路中的电感，构成RC-Π型滤波电路，如图所示。脉动电压的交流分量在电阻R上产生较大的压降，使输出电压中的交流成分减少，同时直流分量也会在电阻R上产生直流压降和直流功率损耗，使输出直流电压降低。电阻越大，滤波效果越好，但能量损耗也越大。RC-Π型滤波电路318三、集成稳压器交流电压经整流、滤波后已变成较为平滑的直流电压，但经常会受到电网电压波动或负载变化的影响，必须采用稳压措施，才能保证负载两端的电压基本不变。目前普遍应用的是集成稳压器，根据工作方式不同，集成稳压器可分为线性集成稳压器和开关集成稳压器两类。线性集成稳压器根据引脚数可分为三端式集成稳压器、四端式集成稳压器和多端式集成稳压器，其中三端式集成稳压器应用最广。319常用三端式集成稳压器包括CW78××（固定正电压输出）、CW79××（固定负电压输出）系列等，CW78××型如下图a所示，如果要求输出电压可以调节，可选用CW117型（见下图b）、CW317型等三端可调式集成稳压器。常用三端式集成稳压器a）CW78××型b）CW117型320CW7805型集成稳压器的基本应用电路如图所示，其输出电压为+5V。CW7805型集成稳压器的基本应用电路321§4-3晶闸管322学习目标1.了解普通晶闸管的外形和图形符号。2.掌握普通晶闸管的导电特性。3.了解双向晶闸管的导电特性。4.理解晶闸管可控整流电路的组成和工作原理。5.能使用万用表检测晶闸管。323一、晶闸管1. 外形和图形符号晶闸管按封装形式不同可分为塑封式（小功率）、平板式（中功率）和螺栓式（中、大功率）等，其外形如图所示，平板式和螺栓式晶闸管使用时固定在散热器上。不同类型晶闸管的外形a）塑封式b）平板式c）螺栓式324晶闸管的文字符号为V或SCR，如图所示为普通（单向）晶闸管的图形符号，它在二极管图形符号的基础上增加了一个控制极（门极），表示其特性相当于一个带有控制端的特殊二极管。普通（单向）晶闸管的图形符号3252. 导电特性晶闸管的导电特性可通过如图所示的实验加以说明。图中晶闸管阳极A、阴极K、灯HL和电源GB1构成主回路，控制极G、阴极K、电阻R、开关S和电源GB2构成控制回路。晶闸管的导电特性实验a）正向阻断b）触发导通c）反向阻断326（1）正向阻断在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，而控制极不加正向电压，此时灯不亮，这种状态称为正向阻断，如上图a所示。（2）触发导通在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，再接通开关S，使控制极和阴极之间也加上正向电压（触发电压），此时灯亮，说明晶闸管已导通，这种状态称为触发导通，如上图b所示。327（3）维持导通晶闸管导通后，维持阳极与阴极之间的正向电压不变，断开触发电压（即断开开关S），灯仍亮，说明晶闸管一旦正向导通，控制极便失去作用，这种状态称为维持导通。使导通后的晶闸管关断的方法是将阳极电流减到足够小的程度，即维持电流以下。（4）反向阻断在晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压，此时不论是否加控制电压，也不论控制极所加的是正向电压还是反向电压，灯都不亮，晶闸管都不导通，这种状态称为反向阻断，如上图c所示。328二、双向晶闸管双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它是一种内部为NPNPN五层结构、三端引线的器件。双向晶闸管的图形符号如图a所示，其中，三个电极依次为第一阳极A1（T1）、第二阳极A2（T2）和控制极G。双向晶闸管a）图形符号b）等效电路329双向晶闸管在功能上如同控制极连在一起的两个反向并联的普通晶闸管，如上图b所示。双向晶闸管的导电特性如下：当第一阳极A1上的电压高于第二阳极A2上的电压，并有大于A2上的电压加到控制极G时，电路中便有电流由A1流向A2。当第二阳极A2上的电压高于第一阳极A1上的电压，并有小于A2上的电压加到控制极G时，电路中便有电流由A2流向A1。与普通晶闸管相似，双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。只有当流过A1或A2的电流足够小（小于维持电流）或A1、A2间的电压极性改变且无触发电压时，双向晶闸管才会关断。330三、晶闸管的应用1. 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路如图所示。单相桥式可控整流电路a）电路图b）波形图331（1）u2

为正半周时，晶闸管V1和二极管V4承受正向电压，若在晶闸管控制极未加触发电压（触发脉冲），晶闸管处于正向阻断状态，负载RL

上的电压uo=0。（2）在t1

时刻（ωt=α）输入触发脉冲uG，晶闸管V1触发导通。（3）在ωt=α~π期间，尽管触发脉冲uG

仅出现一下便消失，但晶闸管仍保持导通，直至u2

过零（ωt=π）时，晶闸管才自行关断。在此期间uo=u2，极性为上正、下负。332（4）u2

为负半周时，晶闸管V2和二极管V3承受正向电压，只要触发脉冲uG

到来，晶闸管就导通，负载上得到的仍为上正、下负的电压。在控制极加上触发脉冲使晶闸管开始导通的角度α

称为控制角。在0~α期间，晶闸管正向阻断。（π-α）被称为晶闸管的导通角，用θ表示。显然，控制角越小，导通角越大，输出电压越高。当α=0时，导通角θ=π，称为全导通。由此可知，改变触发脉冲输入的时刻，即可改变控制角α

和导通角θ，负载上的电压平均值也随之改变，从