半导体二极管与整流滤波电路课件

半導體二極體與整流濾波電路

7.1半導體的基本知識

7.1.1半導體的概念

導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。自然界中不同的物質，由於其原子結構不同，因而導電能力也各不相同。根據導電能力的強弱，可以把物質分成導體、半導體和絕緣體。半導體的導電能力介於導體和絕緣體之間，如矽、鍺、砷化鎵以及金屬氧化物和硫化物等都是半導體。7.1.2半導體的特性

1.熱敏性

半導體對溫度很敏感。例如純鍺，溫度每升高10℃,它的電阻率就會減小到原來的一半左右。由於半導體的電阻對溫度變化的反應靈敏，而且大都具有負的電阻溫度係數，所以人們就把它製成了各種自動控制裝置中常用的熱敏電阻感測器和能迅速測量物體溫度變化的半導體點溫計等。

2.光敏性

與金屬不同，半導體對光和其他射線都很敏感。例如一種硫化鎘半導體材料，在沒有光照射時，電阻高達幾十兆歐;受到光照射時，電阻可降到幾十千歐，兩者相差上千倍。

利用半導體的這種光敏特性可以製成光敏電阻、光電二極體、光電三極管以及太陽能電池等。

3.摻雜性半導體對雜質很敏感。在純淨半導體中摻進微量的某種雜質，對其導電性能影響極大。例如，在純淨矽中摻入百萬分之一的硼，可使其導電能力增加幾十萬倍以上。

三、價電子與半導體的共價鍵結構

1.價電子

自然界的一切物質都是由原子組成的，而原子又是由一個帶正電的原子核與若干個帶負電的電子所組成的。電子分層圍繞原子核作不停的旋轉運動，其中內層的電子受原子核的吸引力較大，外層電子受原子核的吸引力較小，外層電子的自由度較大，因此外層的電子如果獲得外來的能量，就容易掙脫原子核的束縛而成為“自由電子”。我們把最外層的電子叫做價電子。在電子器件中，用得最多的半導體材料是矽和鍺，它們的原子結構如圖7-1所示。矽和鍺都是四價元素，其原子最外層軌道上都具有4個價電子。

圖7-1原子結構示意圖

價電子的數目越接近8個，物質的化學結構也就越穩固。對於金屬材料，其價電子一般少，因此金屬中的價電子很容易變成自由電子，所以,金屬是良導體；對於單質絕緣體，其價電子數一般多於4個，因此絕緣體中的價電子均被原子核牢牢地吸引著，很難形成自由電子，所以不能導電；對於半導體來說，原子的價電子數為4個，其原子的外層電子既不像金屬那樣容易掙脫出來，也不像絕緣體那樣被原子核緊緊束縛住，因此半導體的導電性能就比較特殊。

2.半導體的共價鍵結構

半導體一般都是晶體結構,最常見的半導體材料是矽和鍺。當矽或鍺被製成單晶體時，其原子有序排列，每個原子最外層的4個價電子不僅受自身原子核的束縛，而且還與周圍相鄰的4個原子發生聯繫。這時，每兩個相鄰原子之間都共用一對電子，使相鄰兩原子緊密地連在一起，形成共價鍵結構，如圖7-2所示。

圖7-2矽和鍺的共價鍵結構

(a)矽(Si);(b)鍺(Ge)

7.1.4本征半導體完全純淨的、結構完整的半導體，稱為本征半導體。當本征半導體的溫度升高或受到光線照射時，其共價鍵中的價電子就從外界獲得能量。由於半導體原子外層的電子不像絕緣體那樣被原子核緊緊地束縛著，因此就有少量的價電子在獲得足夠能量後，掙脫原子核的束縛而成為自由電子，同時在原來共價鍵上留下了相同數量的空位，這種現象稱為本征激發。在本征半導體中，每激發出來一個自由電子，就必然在共價鍵上留下一空位，我們把該空位稱為空穴，由於空穴失去電子，因而空穴帶正電。可見自由電子和空穴總是成對出現的，我們稱之為電子-空穴對，如圖7-3所示。圖7-3電子-空穴對

在產生電子-空穴對的同時,有的自由電子在雜亂的熱運動中又會不斷地與空穴相遇，重新結合，使電子-空穴對消失，這稱為複合。在一定溫度下載流子的產生過程和複合過程是相對平衡的，載流子的濃度是一定的。在常溫下，本征半導體受熱激發所產生的自由電子和空穴數量很少，同時本征半導體的導電能力遠小於導體的導電能力，導電能力很差。溫度越高，所產生的電子-空穴對也越多，半導體的導電能力也就越強。在外電場的作用下，一方面自由電子產生定向移動，形成電子電流；另一方面價電子也按一定方向依次填補空穴，即空穴產生移動，形成空穴電流。

在外電場的作用下，一方面自由電子產生定向移動，形成電子電流；另一方面價電子也按一定方向依次填補空穴，即空穴產生移動，形成空穴電流。由於電子和空穴所帶電荷的極性相反，它們的運動方向也是相反的，因此形成的電流方向是一致的，流過外電路的電流等於兩者之和。綜上所述，在半導體中不僅有自由電子一種載流子，而且還有另一種載流子——空穴。這是半導體導電的一個重要特性。在本征半導體內，自由電子和空穴總是成對出現的，也就是說，有一個自由電子就必定有一個空穴，因此在任何時候，本征半導體中的自由電子數和空穴數總是相等的。

7.15摻雜半導體

本征半導體中雖然存在兩種載流子，但因本征半導體內載流子的濃度很低，所以導電能力很差。在本征半導體中，人為有控制地摻入某種微量雜質，即可大大改變它的導電性能。按照摻入雜質的不同，可獲得N型和P型兩種摻雜半導體。1.P型半導體在本征半導體（矽或鍺的晶體）中摻入三價元素雜質，如硼、鎵、銦等，因雜質原子的最外層只有3個價電子，它與周圍矽（鍺）原子組成共價鍵時，缺少一個電子，於是在晶體中便產生一個穴位。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發條件下獲得能量時，就有可能填補這個穴位，使硼原子成為不能移動的負離子，而原來矽原子的共價鍵則因缺少一個電子，形成空穴,如圖

7-4所示。

圖74

P型半導體的共價鍵結構

這樣，摻入硼雜質的矽半導體中就具有數量相當的空穴，空穴濃度遠大於電子濃度，這種半導體主要靠空穴導電，稱為P型半導體。摻入的三價雜質原子，因在矽晶體中接受電子，故稱受主雜質。受主雜質都變成了負離子，它們被固定在晶格中不能移動，也不參與導電，如圖7-5所示。此外，在P型半導體中由於熱運動還產生少量的電子-空穴對。總之，在P型半導體中，不但有數量很多的空穴，而且還有少量的自由電子存在，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。圖7-5

P型半導體平面模型

2.

N型半導體在本征半導體中摻入五價元素雜質，如磷、銻、砷等。摻入的磷原子取代了某處矽原子的位置，它同相鄰的4個矽原子組成共價鍵時，多出了一個電子，這個電子不受共價鍵的束縛，因此在常溫下有足夠的能量使它成為自由電子，如圖76所示。這樣，摻入雜質的矽半導體就具有相當數量的自由電子，且自由電子的濃度遠大於空穴的濃度。顯然，這種摻雜半導體主要靠電子導電，稱為N型半導體。由於摻入的五價雜質原子可提供自由電子，故稱為施主雜質。每個施主原子給出一個自由電子後都帶上一個正電荷，因此雜質原子都變成正離子，它們被固定在晶格中不能移動，也不參與導電，如圖7-7所示。圖7-6

N型半導體的共價鍵結構

圖7-7

N型半導體平面模型

此外，在N型半導體中熱運動也會產生少量的電子-空穴對。總之，在N型半導體中，不但有數量很多的自由電子，而且也有少量的空穴存在，自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。必須指出，雖然N型半導體中有大量帶負電的自由電子，P型半導體中有大量帶正電的空穴，但是由於帶有相反極性電荷的雜質離子的平衡作用，無論N型半導體還是P型半導體，對外表現都是電中性的。7.2

PN結及其特性

單純的P型或N型半導體僅僅是導電能力增強了,但還不具備半導體器件所要求的各種特性。如果通過一定的生產工藝把一塊P半導體和一塊N型半導體結合在一起，則它們的交界處就會形成PN結，這是構成各種半導體器件的基礎。一、PN結的形成當P型半導體和N型半導體通過一定的工藝結合在一起時，由於P型半導體的空穴濃度高，電子濃度低，而N型半導體的自由電子濃度高，空穴濃度低，所以交界面附近兩側的載流子形成了濃度差。濃度差將引起載流子的擴散運動，如圖7-8（a）所示。圖7-8

PN結的形成

有一些電子要從N區向P區擴散，並與P區的空穴複合；也有一些空穴要從P區向N區擴散，並與N區的電子複合。由於電子和空穴都是帶電的，因此擴散的結果就使P型半導體和N型半導體原來保持的電中性被破壞。P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子；N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。半導體中的離子雖然也帶電，但由於物質結構的關係，它們不能任意移動，因此並不參與導電。這些不能移動的帶電粒子集中在P區和N區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，這就是PN結。PN結具有阻礙載流子擴散的特性，因此又稱為阻擋層。PN結的空間電荷區內的載流子濃度已減小到耗盡程度，因此又稱為耗盡層。

空間電荷形成了一個由右側指向左側的內電場，如圖7-8（b）所示。內電場的這種方向，將對載流子的運動帶來兩種影響：一是內電場阻礙兩區多子的擴散運動；二是內電場在電場力的作用下使P區和N區的少子產生與擴散方向相反的漂移運動。

PN結形成的最初階段，載流子的擴散運動佔優勢，隨著空間電荷區的建立，內電場逐漸增強，載流子的漂移運動也在加強，最終漂移運動將與擴散運動達到動態平衡。

二、PN結的特性如果在PN結上加正向電壓（也稱正向偏置），即P區接電源正極，N區接電源負極，如圖7-9(a)所示，這時電源產生的外電場與PN結的內電場方向相反，內電場被削弱，使阻擋層變薄，多子的擴散運動大於漂移運動，形成較大的擴散電流，即正向電流。這時PN結的正向電阻很低，處於正嚮導通狀態。正嚮導通時，外部電源不斷向半導體供給電荷，使電流得以維持。如果給PN結加反向電壓（也稱反向偏置）,即N區接電源正極，P區接電源負極，如圖7-9(b)所示，這時外電場與內電場方向一致，增強了內電場，使阻擋層變厚。圖7-9

PN結的單向導電性

這就削弱了多子的擴散運動，增強了少子的漂移運動，從而形成微小的漂移電流，即反向電流。這時PN結呈現的電阻很高，處於反向截止狀態。反向電流由少子漂移運動形成，少子的數量隨溫度升高而增多，所以溫度對反向電流的影響很大，這正是半導體器件溫度特性差的原因。在一定溫度下，反向電流不僅很小，而且基本上不隨外加反向電壓變化，故稱其為反向飽和電流。由此可見,PN結在正向電壓作用下，電阻很小，PN結導通，電流可順利流過；而在反向電壓作用下，電阻很大，PN結截止，阻止電流通過。這種現象稱作PN結的單向導電性。7.3半導體二極體

7.3.1二極體的結構半導體二極體是由一個PN結加上引出線和管殼構成的P型半導體一側的引出線稱為陽極或正極，N型半導體一側的引出線稱為陰極或負極。二極體按結構可分為點接觸型和麵接觸型兩種。點接觸型二極體的構成如圖7-10(a)所示。它的特點是PN結的面積非常小，因此不能通過較大電流；但結面積小，結電容也小，高頻性能好，故適用於高頻和小功率情況，一般用於檢波或脈衝電路，也可用來作小電流整流。圖7-10半導體二極體結構和符號

面接觸的二極體的結構如圖7-10(b)所示，它的主要特點是PN結的結面積很大，因而能通過較大的電流；但結電容也大，只能在較低的頻率下使用，一般用作整流。

二極體的符號如圖7-10(c)所示。

二、二極體的伏安特性二極體的伏安特性是表徵二極體電壓和電流關係的曲線。測量晶體二極體伏安特性的電路如圖7-11所示。改變RP的大小，可以測出不同電壓值時所對應的二極體中的電流。把所得的數據畫在直角坐標系中，就得到二極體的伏安特性曲線，如圖7-12所示。

圖7–11二極體伏安特性測試電路

圖7-12二極體的伏安特性

1.正向特性

1）起始段(OA)

當二極體為正向接法時，正向電壓由0開始增大，由於外加電壓較小，外電場還不足以克服PN結的內電場對載流子擴散運動的阻力，所以二極體呈現很大的正向電阻，正向電流很小，幾乎等於0。當正向電壓超過一定數值後，內電場大為削弱，電流迅速增長。這個一定數值的正向電壓稱為死區電壓，其大小與管子的材料及環境溫度有關。一般矽管的死區電壓為0.5V，鍺管約為0.2V。2）導通段(AB)

如圖7-12所示，在特性曲線B點以後，二極體在電路中相當於一個開關的導通狀態。在正常使用條件下，二極體的正向電流在相當大的範圍內變化，而二極體兩端電壓的變化卻不大。小功率管的導通壓降約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。

2.反向特性當二極體兩端加反向電壓時，反向電流很小，近乎於截止狀態，且基本上不隨外加電壓而變化，如圖7-12的OC段所示。對二極體來說，反向電流越小，表明反向特性越好，反向電流越大，表明反向特性越差。一般矽管的反向電流要比鍺管小得多。

3.反向擊穿特性

當反向電壓增加到一定數值時（如圖7-12所示的反向電壓由C繼續增大到D點時），電流突然劇增，這種現象稱為反向擊穿。發生擊穿所需的反向電壓稱為反向擊穿電壓。之所以產生擊穿，是因為加在PN結中很強的外電場可以把價電子直接從共價鍵中拉出來成為載流子，這叫做齊納擊穿。此外,強電場使PN結中的少數載流子獲得足夠的動能，去撞擊其他原子，把更多的價電子從共價鍵中拉出來，這些撞擊出來的載流子,又去撞擊更多的原子，如同雪崩一樣，這叫做雪崩擊穿。上述兩種擊穿效應能產生大量的電子-空穴對，從而使反向電流劇增。

無論是齊納擊穿還是雪崩擊穿，如果去掉反向電壓，二極體仍能恢復工作，這就屬於電擊穿。如果去掉反向電壓，二極體不能恢復工作，說明發生了熱擊穿，二極體已損壞。熱擊穿是應該避免的。一般二極體正常工作時，是不允許反向擊穿的。而有一些特殊的二極體，如後面要學到的穩壓管卻常常工作在反向擊穿狀態。溫度對二極體的特性影響較大。當溫度升高時，正反向電流都隨著增大，特別是反向電流急劇增大；而反向擊穿電壓則要下降，二極體的導通壓降則要降低。

三、二極體的主要參數晶體二極體的參數規定了二極體的適用範圍，它是合理選用二極體的依據。晶體二極體的主要參數有最大整流電流、高反向工作電壓、反向電流。

1.最大整流電流IFM

IFM是指長期工作時，二極體能允許通過的最大正向平均電流值。在選用二極體時，工作電流不能超過它的最大整流電流。

2.高反向工作電壓URM

URM是指二極體工作時所能承受的反向電壓峰值,也就是通常所說的耐壓值。為了防止二極體因反向擊穿而損壞，通常標定的最高反向工作電壓要比反向擊穿電壓低一些。在選用二極體時，加在二極體兩端的反向電壓峰值不允許超過這一數值，以保證二極體能正常工作，不致於反向擊穿而損壞。

3.反向電流IRIR是指二極體未擊穿時的反向電流值。此值越小，二極體的單向導電性越好。由於溫度增加，反向電流會急劇增加，所以在使用二極體時要注意溫度的影響。

現簡單介紹一下限幅電路。限幅器又稱削波器，主要是限制輸出電壓的幅度。為討論方便起見，假設二極體V為理想二極體，即正偏導通時，忽略V的正向壓降，近似認為V短路；反偏截止時，近似認為V開路。

例7.1電路如圖7-13(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖713(b)所示。畫出輸出電壓uo的波形。解當ui＞+5V時,uo＝+5V(V正偏短路)；

ui≤+5V時,uo＝ui(V反偏開路)。故可畫出輸出電壓uo的波形，如圖7-13(b)所示。圖7-13例7.1電路

(a)電路；(b)波形

7.4特殊二極管

二極體的類型較多，除前面討論的普通二極體外，還有若干種特殊二極體，如穩壓二極體、光電二極體、發光二極體等。

7.4.1穩壓二極體

1.結構原理

穩壓二極體是一種用特殊工藝製造的面接觸型半導體二極體，這種管子的摻雜重，擊穿電壓值低，正向特性和普通二極體一樣。當反向電壓加到某一定值時，反向電流劇增，產生反向擊穿，反向擊穿特性很陡峭。擊穿時通過管子的電流在很大範圍內變化，而管子兩端的電壓卻如圖7-14(b)所示幾乎不變，穩壓二極體就是利用這一特性來實現穩壓的。圖7-14穩壓管符號及伏安特性曲線

(a)符號；(b)伏安特性曲線

可見，穩壓管就是工作在反向擊穿狀態下的矽二極體。因此，在使用時，穩壓管必須反向偏置（利用正向穩壓的除外）。另外，穩壓管可以串聯使用，一般不能並聯使用，因為並聯有時會因電流分配不勻而引起管子超載損壞。穩壓管的符號如圖714(a)所示。

2.主要參數

1)穩定電壓UZUZ就是穩壓管的反向擊穿電壓。相當於圖7-14中特性曲線AB段間的IZ對應的電壓值，由於電晶體參數的分散性，即使同一型號的管子，UZ的值也有不同。例如，2CW75管的UZ值為10~11.8V，是指該管的穩定電壓是10~11.8V範圍內的某一數值，而不是指一個具體的2CW75管的穩定電壓在10~11.8V之間變化。2)穩壓電流IZ

IZ是指穩壓管維持穩定電壓的工作電流。手冊中規定有最小測試電流IZmin(IZ1)和正常測試電流IZ(IZ2)兩項，通常應用取IZ值作為標稱值。

3)最大穩定電流IZmax

最大電流是穩壓二極體允許通過的最大反向電流。穩壓管工作時的電流應小於這個電流，若超過這個值，管子會因電流過大造成管子過熱而損壞；正常工作時，IZmin＜I＜IZmax。4)最大耗散功率PZ

max

PZmax是指穩壓管不致因過熱而損壞的最大耗散功率。

PZmax＝UZIZ

max

5)動態電阻rZrZ是反映穩壓管穩壓性能好壞的一個參數。它等於穩壓管兩端電壓的變化量和對應的電流變化量之比，即

rZ=

動態電阻越小，說明曲線越陡，穩壓管的穩壓性能越好。

二、光電二極體光電二極體又稱為光敏二極體。它的結構與普通二極體類似，但在它的PN結處，能通過管殼上的一個玻璃窗口接收外部的光照。如圖715所示，它的PN結工作在反向偏置狀態其反向電流隨光照強度增加而上升。通過回路電阻RL可獲得電信號，從而實現光電轉換或光電控制。光電二極體的應用很廣泛，主要用於需要光電轉換的自動探測、控制裝置，在光導纖維通訊與系統中還可以作為接收器件等。其外形及符號如圖7-16(a)、(b)所示。圖7-15光電二極體結構

圖7-16光電二極體的外形及符號

三、發光二極體發光二極體簡稱LED，是一種固態PN器件，常用砷化鎵、磷化鎵等製成，其結構、外形和符號如圖7-17(a)、(b)、(c)所示。

我們知道半導體在外界能量（光、熱）的激發下會產生電子-空穴對。相反，若自由電子和空穴相遇，兩者複合時會釋放出能量。發光二極體工作時，PN結正向偏置。正向偏置的PN結，N區的電子越過PN結進入P區和P區的空穴複合，P區的空穴越過PN結進入N區，也會和N區的電子複合。發光二極體是用特殊的半導體材料(如砷化鎵等)製成的,當載流子複合時，釋放出的能量是一種光譜輻射能。砷化鎵半導體輻射紅光；磷化鎵半導體輻射綠光或黃光等。圖7–17發光二極體的外形及符號

發光二極體常用來作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式或矩陣式器件，工作電流一般為幾毫安培至幾十毫安培之間。發光二極體的另一種重要用途是將電信號變為光信號，通過光纜線輸入，然後再用光電二極體接收，再現電信號。

7.5整流電路

整流就是把大小、方向都隨時間變化的交流電變換成直流電。完成這一任務的電路稱為整流電路。常見的整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。單相橋式整流電路用得最為普遍。本節主要介紹單相橋式整流電路。一、工作原理單相橋式整流電路如圖7-18(a)所示，圖中TC為電源變壓器，它的作用是將交流電壓ui變成整流電路要求的交流電壓u2=2U2sinωt，RL是要求直流供電的負載電阻，4只整流二極體V1～V4接成電橋的形式，故稱為橋式整流電路。

一、工作原理單相橋式整流電路如圖7-18(a)所示，圖中TC為電源變壓器，它的作用是將交流電壓ui變成整流電路要求的交流電壓u2=U2sinωt，RL是要求直流供電的負載電阻，4只整流二極體V1～V4接成電橋的形式，故稱為橋式整流電路。圖7-18(b)是它的另一種畫法。圖718(c)是它的簡化畫法。在u2的正半周（0≤ωt＜π），由於A端為正，B端為負，所以二極體V1和V2受到正向電壓作用而導通，電流由次級繞組的A端，依次通過V1、RL、V2而回到繞組B端，構成導電回路。二極體V3和V4因承受反向電壓而截止，如圖7-18(a)的實線所示。圖7-18橋式整流電路

在u2的負半周（π≤ωt＜2π），變壓器的A端為負，B端為正，所以V3和V4受到正向電壓作用而導通，電流由次級繞組的B端，依次通過V3、RL、V4而回到繞組A端，構成導電回路。二極體V1和V2因承受反向電壓而截止，如圖7–18(a)的虛線所示。在以後各個半週期內，將重複上述過程，4只二極體中兩個兩個地輪流導電，輪流截止。因此在整個週期，負載電阻RL上均有電流流過，而且始終是一個方向，即都是從負載的上端流向下端。負載RL上電壓、電流的波形如圖7-19所示。變壓器次級繞組在整個週期的正、負兩個半周內都有電流通過，提高了變壓器的利用率。

圖7-19電壓、電流波形圖

二、負載上的直流電壓UL和直流電流IL的計算

整流後的電壓、電流波形如圖7-19所示。從圖中可以看出，變壓器副邊電壓u2按正弦規律變化。經過整流後，負載電阻上電流的方向不變，但其大小仍作週期性變化，故稱為脈動直流電壓。脈動直流電壓、電流一般用平均值來表示，即一個週期內脈動電壓的平均值。當變壓器副邊電壓

u2=U2sinωtV

時，電壓平均值負載上的電壓平均值(7-2)電流平均值(7-3)

四、整流元件參數的計算

1.二極體的平均電流

在橋式整流電路中，二極體V1、V2和V3、V4是兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為

(7-4)

2.最大反向電壓二極體在截止時管子兩端的最大反向電壓可以從圖7-19（a）看出。在u2的正半周，V1、V2導通，V3、V4截止。此時V3、V4所承受到的最大反向電壓均為u2的最大值，即

(7-5)

同理，在u2的負半周，V1、V2也承受同樣大小的反向電。四、整流二極體的選擇應按以下原則選擇二極體：

(1)二極體的最大整流電流應大於二極體的工作電流，即

IFM≥IV=IL

(2)二極體的最高反向工作電壓URM應大於二極體承受的最大反向電壓UVM，即

URM≥UVM=U2

橋式整流電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。該電路的缺點是二極體用得較多，但目前市場上已有整流橋堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62A-L的額定電流為2A，最大反向電壓為25～1000V。例7.2一單相橋式整流電路接到220V正弦工頻交流電源上，負載電阻RL＝50Ω，負載電壓平均值＝100V。（1）根據電路要求選擇整流二極體。（2）計算整流變壓器的變比及容量。解整流電流的平均值為流過每個二極體的平均電流值為變壓器副邊電壓有效值為

考慮到變壓器副繞組及二極體上的壓降，變壓器副邊電壓一般應高出5％～10％，即每只二極體截止時承受的最高反向電壓為

為使整流電路工作安全，在選擇二極體時，二極體的最大整流電流IFM應大於二極體中流過的電流平均值IF，二極體的最高反向工作電壓峰值URM應比二極體在電路中承受的最大反向電壓UVM高出一倍左右。

因此可以選用場2CZ12D二極體，其最大整流電流為3A，反向工作電壓峰值為300V。變壓器的變比為

變壓器副繞組電流有效值為

I2＝1.11×＝1.11×2＝2.22A

變壓器的容量為

S＝U2×I2

＝122×2.22＝270.84V·A

7.6濾波電路

為了減小整流後電壓的脈動，常採用濾波電路把交流分量濾去，使負載兩端得到脈動較小的直流電。濾波電路一般由電容、電感、電阻等元件組成。濾波電路對直流和交流反映出不同的阻抗，電感L對直流阻抗為零（線圈電阻忽略不計），對於交流卻呈現較大的阻抗（XL＝ωL）。若把電感L與負載RL串聯，則整流後的直流分量幾乎無衰減地傳到負載，交流分量卻大部分降落在電感上。負載上的交流分量很小，因此負載上的電壓接近於直流。

電容器C對於直流相當於開路，對於交流卻呈現較小的阻抗（XC＝1/ωC）。若將電容C與負載電阻並聯，則整流後的整流分量全部流過負載，而交流分量則被電容器旁路，因此在負載上只有直流電壓，其波形平滑。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、複式濾波等。一、電容濾波電路圖720為單相橋式整流、電容濾波電路。在分析電容濾波電路時，要特別注意電容器兩端電壓UC對整流組件導電的影響，整流組件只有受正向電壓作用時才導通，否則便截止。圖7–20電容濾波電路

1.工作原理

(1)負載RL未接入時的情況：設電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源後，當u2為正半周時，u2通過V1、V2向電容器C充電；u2為負半周時，經V3、V4向電容器C充電，充電時間常數為

τC=RnC其中,Rn包括變壓器副繞組的電阻和二極體V的正向電阻。由於Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓u2的最大值

U2，極性如圖7-20所示。由於電容器無放電回路，故輸出電壓（即電容器C兩端的電壓UC）保持在U2，輸出為一個恒定的直流，如圖7-21中ωt＜0（即縱坐標左邊）部分所示。圖7-21電容濾波電路電流、電壓波形圖

(2)接入負載RL的情況：設變壓器副邊電壓u2從0開始上升（即正半周開始）時接入負載RL，由於電容器中負載未接入前充了電，故剛接入負載時u2＜uC,二極體受反向電壓作用而截止，電容器C經RL放電。電容器放電過程的快慢，取決於RL與C的乘積，即電路時間常數τd。τd越大，放電過程越慢，輸出電壓越平穩。一般地

RLC＞(3~5)(7-6)其中，T為電源交流電壓週期。

2.電容濾波電路特性

(1)在電容濾波電路中，整流二極體的導電時間縮短了，導電角小於180°，且放電時間常數愈大，導電角愈小。由於電容濾波後，輸出直流的平均值提高了，而導電角卻減小，故整流二極體在短暫的導電時間內，將流過一個很大的衝擊電流，易損壞整流管，所以選擇整流二極體時，管子的最大整流電流應留有充分的裕量。

(2)負載直流電壓隨負載電流增加而減小。UL隨IL的變化關係稱為輸出特性或外特性，如圖7-22所示。

C值一定，當RL＝∞，即空載時，輸出電壓平均值為

圖7-22橋式整流電容濾波電路的外特性

在整流電路的內阻不太大（幾歐姆）和放電時間常數滿足式(7-6)的關係時，電容濾波電路負載電壓平均值L與U2的關係為

總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓UL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用於負載電壓較高、負載變動不大的場合。

二、電感濾波電路在橋式整流電路和負載電阻RL之間串入一個電感L，如圖7-23所示，就組成了一個電感濾波電路。利用電感的儲能作用可以減小輸出電壓的紋波，從而得到比較平滑的直流。當忽略電感L的電阻時，負載上輸出的電壓平均值和純電阻（不加電感）負載基本相同，即

≈0.9U2。電感濾波的特點是，整流管的導電角較大（電感L的反電勢使整流管導電角增大），峰值電流很小，輸出特性比較平坦。其缺點是體積大，易引起電磁干擾。因此，電感濾波一般只適用於低電壓，大電流場合。

圖7–23橋式整流電感濾波電路

此外，為了進一步減小負載電壓中的紋波，在電感L後再接一電容構成Γ型濾波電路或Π型RC濾波電路，如圖7-24所示。其性能和應用場合分別與電感濾波電路及電容濾波電路相似。例

7.3一個橋式整流電容濾波電路如圖

725所示。電源由220V、50Hz的交流電壓經變壓器降壓供電，要求輸出直流電壓為30V，電流為500mA，試選擇整流二極體的型號和濾波電容規格。解(1)選擇整流二極體。通過每只二極體的平均電流為

圖7–24複式濾波電路

圖7-25例7.3電路

有負載時的直流輸出電壓為

＝1.2U2

故變壓器次級電壓有效值為每只二極體承受的最大反向電壓為URM=U2=×25≈35V

根據IV和URM選擇二極體，查手冊或本書附錄Ⅳ，選取2CZ54B二極體4只，其最大整流電流IFM＝0.5A,最高反向工作電壓URM＝50V。

(2)選擇濾波電容器

取標稱值1000μF；電容器耐壓為（1.5～2）U2=(1.5～2)×25=37.5～50V。最後確定選1000μF／50V的電解電容器1只。

例7.4在圖7-26所示橋式整流電容濾波電路中，U2＝20（有效值），RL＝40Ω，C＝1000μF。試問：

(1)正常時＝？

(2)如果測得為下列數值，可能出了什麼故障?

①＝18V；②＝28V，③＝9V。解：（1）正常時，的值應為＝1.2U2＝1.2×20V＝24V

(2)為下列數值時：圖7-26例7.4電路

①當＝18V時，UL＝0.9U2，成為橋式整流不加電容濾波的情況，故可判定電容C開路。

②當＝