《汽车电工电子基础》课件 任务一 连接二极管低压直流供电电路

汽车电工电子基础二极管低压直流供电电路连接与应用CONTENTS目录01任务概述与目标02半导体基本知识03PN结及其单向导电性04二极管的结构与类型05二极管的伏安特性与参数CONTENTS目录06特殊二极管07二极管型号命名与极性判别08整流电路09滤波电路10汽车三相交流整流电路任务概述与目标01任务目标知识目标掌握半导体基本知识、PN结及其单向导电性；了解二极管的结构与类型、伏安特性及主要参数；了解硅稳压管、发光二极管等特殊二极管的外形特征、功能和实际应用；了解单相半波整流滤波电路及三相整流电路的工作原理和特性。技能目标具备利用数字万用表判别各种二极管极性和好坏的能力；具备辨析各种不同类型用途二极管的能力；具备判断和检修整流滤波电路故障的能力。核心素养培养规范操作、善于观察、认真记录、学会分析的学习习惯；培养一丝不苟，精益求精的工匠品质。任务描述

二极管在汽车领域的应用在汽车辅助蓄电池充电电路中，二极管将发电机产生的交流电转换为直流电；稳压管可为汽车仪表提供稳定电源；发光二极管普遍应用于汽车仪表盘指示、前照灯或转向灯。

任务学习目的通过实施连接二极管低压直流供电电路任务，展开对半导体基本知识、PN结结构与特性、普通二极管及几种特殊二极管的结构、基本特性及二极管在整流电路应用等内容的学习。半导体基本知识02本征半导体与载流子本征半导体的概念本征半导体是纯净的单晶半导体，导电能力介于导体与绝缘体之间，常用材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，其中硅应用最广泛。本征半导体的原子结构硅原子最外层有4个价电子，形成共价键结构，在常温或光照下，少数价电子获得能量摆脱束缚成为自由电子，同时产生空穴，此现象称为本征激发。两种载流子的产生本征激发产生自由电子（电子载流子）和空穴（空穴载流子），二者成对出现。自由电子带负电，空穴可等效为带正电，在外电场作用下定向运动形成电流。杂质半导体N型半导体的形成及特点在本征半导体中掺入五价元素（如磷），形成以自由电子为多数载流子、空穴为少数载流子的N型半导体。其导电性能由掺入杂质浓度决定，少数载流子受温度影响显著。P型半导体的形成及特点在本征半导体中掺入三价元素（如硼），形成以空穴为多数载流子、自由电子为少数载流子的P型半导体。多数载流子浓度取决于掺杂浓度，少数载流子随温度升高而增多。PN结及其单向导电性03PN结的形成01P型与N型半导体的结合采用特定制造工艺将P型半导体（空穴为多数载流子）和N型半导体（自由电子为多数载流子）结合，由于两者载流子浓度差异，引发多子扩散运动。02多子扩散运动与空间电荷区P区空穴向N区扩散，N区自由电子向P区扩散，扩散后N区因失电子带正电，P区因失空穴带负电，形成由N区指向P区的内电场，结合部形成空间电荷区（PN结）。03动态平衡与内建电位差扩散运动使空间电荷区加宽、内电场增强，阻碍多子扩散；内电场促进少子漂移运动，最终扩散与漂移达到动态平衡。常温下硅材料内建电位差0.5~0.7V，锗材料0.2~0.3V。PN结的单向导电性正向电压下的导通状态PN结加正向电压（P区接正、N区接负）时，外电场与内电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变窄，多数载流子大量扩散形成较大正向电流，PN结导通，正向电阻小。反向电压下的截止状态PN结加反向电压（P区接负、N区接正）时，外电场与内电场方向一致，内电场增强，空间电荷区加宽，多数载流子扩散被阻碍，仅少数载流子形成微小反向电流，PN结截止，反向电阻极大。单向导电特性总结PN结仅允许单方向电流通过：正向电压导通（大电流、小电阻），反向电压截止（几乎零电流、大电阻），此特性是二极管整流等应用的核心原理，如汽车整流电路中二极管将交流电转换为直流电。二极管的结构与类型04二极管的结构与符号二极管的基本结构由PN结两端引出电极引线并封装外壳构成。P区引出正极（阳极，A），N区引出负极（阴极，K），核心为PN结结构。二极管的电路符号符号中三角形箭头指向为正向电流方向（从阳极到阴极），横线端为阴极，直观体现单向导电性。二极管类型

按半导体材料分类硅管：反向电流小，正向导通压降0.6-0.8V（典型0.7V）；锗管：反向电流较大，正向导通压降0.1-0.3V（典型0.2V），受温度影响明显。

按结构分类点接触型：PN结面积小，极间电容小，适用于高频电路；面接触型：PN结面积大，能承受大电流，用于低频整流；平面型：集成电路常见结构，面积可大可小，小面积用于高频/开关电路，大面积用于低频电路。

按功能分类普通二极管：含整流、检波、开关二极管等，具有基本单向导电特性；特殊二极管：包括稳压二极管（反向击穿区稳压）、发光二极管（电光转换）、光电二极管（光电转换）、变容二极管（结电容随反向电压变化）等。二极管的伏安特性与参数05伏安特性曲线

01正向特性存在死区，硅管死区电压约0.5V，锗管约0.1V；正向电压超过死区后电流迅速增大，硅管导通压降0.6-0.8V（一般取0.7V），锗管0.1-0.3V（一般取0.2V）。

02反向特性反向电压作用下，反向电流很小且与反向电压大小几乎无关，约等于反向饱和电流IS，反向饱和电流越小，反向截止特性越好。

03反向击穿特性反向电压增至U(BR)时，反向电流急剧增大，发生反向击穿。电击穿可逆，热击穿不可逆，普通二极管应避免热击穿。温度对特性的影响正向死区电压变化温度升高时，二极管正向死区电压Uth减小，室温下温度每升高1℃，正向压降减小2-2.5mV。反向饱和电流变化温度升高，反向饱和电流增大，温度每升高10℃，反向电流约增大一倍，温度过高会导致PN结消失。主要参数

最大整流电流IFM二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，使用时超过此值可能烧坏二极管。

最高反向工作电压URM保证二极管不反向击穿的最大反向电压，是规定的最高反向电压。

反向饱和电流IR二极管未进入击穿区的反向电流值，其值越小，二极管单向导电性越好，随温度升高而急剧增加。

最高工作频率fM保证二极管正常工作的最高频率，超过此频率，单向导电性能变差甚至丧失，与PN结结电容有关，点接触型可达数百兆赫兹，面接触型硅整流二极管约3KHz。特殊二极管06稳压二极管伏安特性：反向击穿区稳压

稳压二极管正向特性与普通二极管相似，反向击穿特性曲线更陡。工作于反向击穿区时，反向电流在大范围内变化，端电压变化很小，具有稳压作用。只要反向电流不超过最大稳压电流，不会造成热击穿。主要参数

包括稳定电压UZ（反向击穿电压）、稳定电流IZ（正常工作参考电流，在IZmax与IZmin之间）、最大稳定电流IZmax（超过会发热损坏）、最大耗散功率PZM（UZ·IZmax）、动态电阻rZ（△UZ/△IZ，越小稳压性能越好）、电压温度系数CTV（温度每增1℃稳定电压变化量）。应用

借助稳压特性可为汽车仪表提供稳定电源，实际应用时需串联限流电阻保护，防止电流过大损坏。发光二极管、光电二极管与变容二极管

发光二极管发光原理：正向偏压下，内部PN结自由电子与空穴直接复合产生光辐射。正向导通压降1.05-3.5V，亮度随电流增大而增强。应用于汽车仪表板指示/报警信号灯、灯光系统（近光灯、远光灯、日间行车灯、车内照明灯等）。

光电二极管功能：将光信号转换为电信号，PN结面积较大，管壳有透光窗口。反向工作状态下，反向电流随光照强度增加而上升（光电流），无光照时反向电流小（暗电流）。应用于汽车灯光自动控制器中的光传感器，检测车辆周围亮暗程度。

变容二极管特性：PN结加反向电压时，结电容大小随外加电压变化，反向电压增大结电容减小，反之增大，容量一般为几十pF至几百pF。功能：利用结电容可变特性工作，应用于需要电容调节的电路中。二极管型号命名与极性判别07型号命名

国产二极管型号组成国产二极管型号由五部分组成（依据GB/T249-2017），各部分符号分别代表电极材料、类型、用途、序号及规格。

型号示例解析以“2AP1”为例，“2”表示二极管，“A”为N型锗材料，“P”代表普通小信号管，“1”为序号，即N型锗材料小信号普通二极管。

国外常见命名方式国外二极管命名多以第一位数字“1”表示PN结数目，第二位字母为EIA注册标志，第三位为登记顺序号，如“1N4001”。极性识别与检测外壳标志识别法通过外壳印记符号（如箭头指向阴极）、色环标识（靠近色环端为负极）或引脚长短（长引脚为正极）判别二极管极性。数字万用表检测步骤1.万用表置于二极管档，红表笔接VΩHzC孔，黑表笔接COM孔；2.红黑表笔触碰引脚，显示0.5-0.8V（硅管）或0.1-0.3V（锗管）为正向导通，对调后显示“1”为反向截止，判断为正常。故障判断依据若两次测量均显示“1”，二极管开路；均显示数值则击穿短路；特殊二极管（稳压、发光等）检测方法可参考此原理。整流电路08单相半波整流电路电路组成由变压器、整流二极管及负载组成，利用二极管单向导电性实现整流功能。工作原理正半周时，二极管因加正向电压导通，电流经二极管流向负载，输出电压≈u2；负半周时，二极管加反向电压截止，负载电流几乎为零，输出电压≈0，仅正半周有输出。主要参数包括输出电压平均值、通过二极管的平均电流、二极管承受的最大反向电压，是评估电路性能的关键指标。二极管选择依据以最大整流电流（IVD）和反向耐压值（URM）为主要依据，实际选择时应使二极管的对应参数分别大于计算的IVD和URM数据。单相桥式整流电路电路结构由四个二极管组成整流桥，两个负责正半周整流，两个负责负半周整流，能克服半波整流缺点，提升整流效果。工作原理正半周时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流经VD1、负载、VD3形成回路，输出电压≈U2；负半周时，VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，电流经VD2、负载、VD4形成回路，负载始终有同方向电流，输出单方向全波脉动直流电压。主要参数输出电压平均值Uo=0.9U2，通过二极管的平均电流及二极管承受的最大反向电压需根据电路具体情况计算，为元件选择提供依据。电路特点与半波整流电路相比，在输入相同交流电压时，具有输出电压高、脉动小、电源电压利用率高等优点，广泛应用于各类电子设备。二极管选择依据最大整流电流和反向耐压值，所选二极管的对应参数应分别大于电路计算的通过二极管平均电流和承受的最大反向电压数据。滤波电路09电容滤波电路

电容滤波原理整流电路输出脉动直流电，经电容滤波后可获得平滑直流电。电容C初始电压为0V，t=0时接通电路，u₂正半周期二极管导通，C快速充电至接近u₂峰值；u₂下降时C向负载RL放电，放电时间常数τ=RLC较大，电压缓慢下降，形成锯齿波直流电压。

电压波形变换未滤波时整流输出为脉动波形，接入电容后，波形平滑度显著提升。充电阶段电压接近u₂峰值，放电阶段按指数规律缓慢下降，整体波形呈锯齿状，纹波大幅减小。

电路特点输出电压Uo大小与C、RL相关，C一定时，RL越大，放电时间常数越大，滤波效果越好，Uo越平滑且数值越大。实际应用中取RLC≥（3~5）T（T为输入交流电压周期），此时Uo≈1.2U₂。不同整流滤波电路特性比较未接滤波电容时输出电压输入交流电压12V，单相半波整流电路仿真万用表显示5.229V；单相桥式整流电路显示10.115V，桥式整流输出电压平均值约为半波整流的2倍。接入滤波电容后输出电压输入交流电压12V，单相半波整流滤波电路仿真显示16.423V；单相桥式整流滤波电路显示16.008V，两者输出电压数值接近，但桥式整流输出波形脉动更小。电路性能对比桥式整流电路与半波整流电路相比，在输入相同交流电压时，具有输出电压高、脉动小、电源电压利用率高等优点，更广泛应用于电子设备中。电感滤波与π型LC滤波电路

电感滤波电路电感滤波电路利用电感对交流电流的阻碍作用实现滤波。电感L与负载RL串联，交流成分通过电感时产生感抗，使得交流压降大部分落在电感上，直流成分则顺利通过负载，从而减小输出电压的脉动。

π型LC滤波电路π型LC滤波电路由电容C₁、电感L和电容C₂组成π型结构。整流后的脉动直流电先经C₁初步滤波，再经L进一步滤除交流成分，最后由C₂再次滤波，使输出电压更加平滑，滤波效果优于单一电容或电感滤波。汽车三相交流整流电路10电路结构与工作原理

三相整流电路组成由共阴极组（VD1、VD3、VD5）和共阳极组（VD2、VD4、VD6）二极管构成，负载RL连接于两组接点之间，实现三相交流电整流为直流电。二极管导通规律任意瞬间，共阴极组中电压幅值最高的二极