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1、晶体二极管和二极管整流电路,本章学习目标,1.1晶体二极管,1.2晶体二极管整流电路,1.3滤波器和硅稳压管稳压电路,本章小结,本章学习目标,理解半导体的基本常识，掌握 PN 结的单向导电性。,熟悉晶体二极管的外形、图形符号、文字符号。,掌握晶体二极管的伏安特性和参数，会用万用表检测二极管。,4. 理解整流的含义，清楚典型的整流电路类型，能分析其工作原理，能进行相应的计算。,理解滤波的概念，能清楚整流滤波器件和常用的滤波方式，掌握滤波的电路形式，理解电容滤波及电感滤波的工作原理，了解选择滤波电容的选择要求。,熟悉稳压二极管的工作特性和参数，理解硅稳压二极管稳压电路的工作原理。,1晶体二极管的单
2、向导电特性,(1)外形：由密封的管体和两条正、负电极引线所组成。管体外壳的标记通常表示正极。如图所示；,(2)符号： 三角形正极， 竖杠负极， V二极管的文字符号。,1晶体二极管,2晶体二极管的单向导电性：,动画PN 结的单向导电性,(1)正极电位 负极电位，二极管导通；,(2)正极电位 负极电位，二极管截止。,即二极管正偏导通，反偏截止。这一导电特性称为二极管的单向导电性。,例 1如图所示电路中，当开关 S 闭合后，H1、H2 两个指示灯，哪一个可能发光？,解由电路图可知，开关 S 闭合后，只有二极管 V1正极电位高于负极电位，即处于正向导通状态，所以 H1 指示灯发光。,2PN 结,PN
3、结的形成,二极管由半导体材料制成。,1半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。 如硅(Si)或锗(Ge)半导体。,半导体中，能够运载电荷的的粒子有两种：,载流子：在电场的作用下定向移动的自由电子和空穴，统称载流子，如图 所示。,半导体的两种载流子,动画两种载流子,2本征半导体：不加杂质的纯净半导体晶体。如本征硅或本征锗。,本征半导体电导率低，为提高导电性能，需掺杂，形成杂质半导体。,3杂质半导体：为了提高半导体的导电性能，在本征半导体(4 价)中掺入硼或磷等杂质所形成的半导体。,根据掺杂的物质不同，可分两种：,(1)P 型半导体：本征硅(或锗)中掺入少量硼元素(3 价)所形成的半导体，
4、如P型硅。多数载流子为空穴，少数载流子为电子。,(2)N 型半导体：在本征硅(或锗)中掺入少量磷元素(5 价)所形成的半导体，如 N 型硅。其中，多数载流子为电子，少数载流子为空穴。,将 P 型半导体和 N 型半导体使用特殊工艺连在一起，形成PN 结。,4PN 结：N 型和 P 型半导体之间的特殊薄层称为 PN 结。PN 结是各种半导体器件的核心。如图所示。,PN 结,晶体二极管之所以具有单向导电性，其原因是内部具有一个PN 结。其正、负极对应于 PN 结的 P 型和 N 型半导体。,P 区接电源正极，N 区接电源负极，PN 结导通；反之，PN 结截止。,PN 结具有单向导电特性。即：,动画P
5、N 结的形成,3二极管的伏安特性,测试二极管伏安特性电路,1定义：二极管两端的电压和流过的电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性。,2测试电路：如图所示。,伏安特性曲线：如图所示。,特点：,结论：正偏时电阻小，具有非线性。,导通后 V 两端电压基本恒定：, VFVT时，V 导通，IF 急剧增大。, 正向电压 VF 小于门坎电压 VT 时，二极管 V 截止，正向电流 IF = 0； 其中，门坎电压,(1)正向特性,(2)反向特性,VR VRM 时，IR 剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压 VRM 称为反向击穿电压。,反向电压 VR VRM(反向击穿电压)时，反向电流 IR很小，且近似为常数，
6、称为反向饱和电流。,结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。,4二极管的简单测试,万用表检测二极管,将红、黑表笔分别接二极管两端。所测电阻小时，黑表笔接触处为正极，红表笔接触处为负极。,1判别正负极性,用万用表检测二极管如图所示。,2判别好坏,万用表检测二极管,万用表测试条件：R 1k。,(3)若正向电阻约几千欧，反向电阻非常大，二极管正常。,(2)若正反向电阻非常大，二极管开路。,(1)若正反向电阻均为零，二极管短路；,5二极管的分类、型号和参数,1分类,(1)按材料分：硅管、锗管,(2)按 PN 结面积：点接触型(电流小，高频应用)、面接触型(电流大，用于整流),(3)按用途：如图所示。,二极管
7、图形符号, 整流二极管：利用单向导电性把交流电变成直流电的二极管。, 稳压二极管：利用反向击穿特性进行稳压的二极管。, 发光二极管：利用磷化镓把电能转变成光能的二极管。, 光电二极管：将光信号转变为电信号的二极管。, 变容二极管：利用反向偏压改变 PN 结电容量的二极管,2型号举例如下：,整流二极管2CZ82B 稳压二极管2CW50 变容二极管2AC1 等等。,3主要参数,主要参数：稳定电压 VZ、稳定电流 IZ、最大工作电流 IZM、最大耗散功率 PZM、动态电阻 rZ 等。,(2)稳压二极管, 反向漏电流 IR ：规定的反向电压和环境温度下，二极管反向电流值。, 最高反向工作电压 VRM
8、：二极管允许承受的反向工作电压峰值。, 最大整流电流 IFM ：二极管允许通过的最大正向工作电流平均值。,(1)普通整流二极管,工程应用,发光二极管和光电二极管的检测,发光二极管的检测与普通二极管的检测方法基本相似，但由于发光二极管的正向导通电压一般在 1.5 V 以上，故检测时必须用万用表的 R 10k 挡，正向电阻小于 50 k ，反相电阻大于 200 k 时发光二极管为正常。,由于光电二极管工作时应加反向电压，故检测时着重观察反向电阻在有无光照时的变化，用万用表的 R 1k 挡，当有光照时，反向电阻小，无光照时，反向电阻大为正常，当无光照时电阻差别很小，表明光电二极管的质量不好。,晶闸管
9、及其应用,晶闸管 可控整流电路 晶闸管的触发电路 晶闸管的保护,晶 闸 管,晶闸管的结构 晶闸管又称为可控硅（SCR）, 普通型晶闸管的外壳结构主要有两种形式，一种是螺栓式，另一种是平板式，它们的外形如图7.1所示。,晶闸管的外形 (a) 螺栓式； (b) 平板式,晶闸管有3个电极：阳极A、阴极K和门极(控制极)G。在图（a）中， 下端的螺栓是阳极A，使用时把螺栓固定在散热器上，上端有两根引出线，粗的一根是阴极K，细的一根是控制极G。在图（b）平板式晶闸管中，与晶闸管中间金属环连接的引线是控制极；离控制极较近的端面是阴极，较远的端面是阳极。 晶闸管的内部有一个由硅半导体材料做成的管心。管心是一
10、个圆形薄片，它是四层（P1、N1、P2、N2）、三端（A、K、G）器件。它有三个PN结，可以把中间的N1和P2分为两部分，可看成是一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图所示。,晶闸管的结构示意图和图形符号,晶闸管的工作原理 1 反向阻断实验 如图（a）所示，晶闸管有两个回路： EA(-)RLVT（A极-K极）EA(+) EG(+)RG开关SVT（G极-K极）EG(-),前一回路称为晶闸管的主电路，后一回路称为晶闸管的控制电路。由主电路可知，此时晶闸管的阳极电位低于阴极， 加在晶闸管上的电压为反向电压。在此状态下，不论控制电路是否接通，电灯HL均不亮，晶闸管不导通。此时称晶闸管处于
11、反向阻断状态。 从晶闸管的结构图可见，当晶闸管承受反向电压时，对J2结来说虽为正向偏置，但对J1和J3结则为反向偏置，它们的电阻很大，晶闸管只有极小的反向漏电流通过，所以晶闸管处于阻断状态。,2. 正向阻断实验 如图 (b)所示，此时晶闸管虽承受正向偏压，但控制极未接通，电灯也不亮， 说明晶闸管未导通，晶闸管处于正向阻断状态。在正向电压作用下，虽然J1和J3结为正向偏置， 但J2结为反向偏置， 故晶闸管仍不能导通。,3 触发导通实验 如图（c）所示，把开关S合上，在控制极与阴极之间加上适当大小的正向触发电压UG。此时，电灯亮，晶闸管由阻断状态变为导通状态。 晶闸管导通后，即使断开控制极电路开关
12、S，电灯仍保持原亮度，这说明晶闸管一经触发导通， 控制极便失去了控制作用。一旦触发导通以后，即使切除触发信号， 晶闸管仍然导通(见下图（d）)。,图 晶闸管的简单实验 （a） 反向阻断； （b） 方向阻断； （c） 触发导通； （d） 切除触发信号仍导通,由以上实验可知， 要使晶闸管导通必须同时具备下列两个条件： (1) 阳极A和阴极K之间施加正向电压。 (2) 控制极G与阴极K之间施加正向触发电压。 为了说明晶闸管的工作原理，我们把四层结构的晶闸管看成由PNP和NPN型两个晶体管连接而成，每一个晶体管的基极与另一个晶体管的集电极相连，如上图所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极， 阴极
13、K相当于NPN型晶体管V2的发射极。,图 把晶闸管看成由PNP和NPN型两个晶体管的组合,图 晶闸管的工作原理,如果晶闸管阳极加正向电压EA，控制极加正向电压EG(见图)，那么晶体管V2处于正向偏置，电压EG产生的控制极电流就是V2的基极电流，由于V2的放大作用，iC2=2iB2。而iC2又是晶体管V1的基极电流，V1的集电极电流iC1=1iC2=12iB2。 此电流又流入V2基极， 再一次放大。 这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通。这就是晶闸管的导通过程，导通后的管压降很小，即UAK1 V, 电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中就流过负载电流, 即IAEA/RL。
14、,在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子自身的反馈作用来维持，即使控制极电流iG消失，晶闸管仍然处于导通状态。所以，控制极的作用仅仅是触发一下晶闸管使其导通，导通之后控制极就失去控制作用了。 所以触发电压常常是一个具有一定幅度而存在时间很短的脉冲电压。要想关断晶闸管， 必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源切断或者在晶闸管的阳极和阴极加上一个反向电压。,晶闸管的主要参数和型号 1） 正向阻断峰值电压UFRM 在控制极断开和晶闸管正向阻断的情况下，允许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压。,2） 反向阻断峰值电压URRM 在控制极断开的情况下，允许重复加到晶闸
15、管阳极与阴极之间的反向峰值电压。 如果晶闸管的UFRM和URRM不相等，则取较小的那个电压值， 作为该元件的额定电压。在实际应用中，由于晶闸管的过载能力较差，所以在选择晶闸管的额定值时，需要留有一定的余量。 通常选额定电压和额定电流是实际工作电压和工作电流的2倍左右。例如工作在交流有效值为220 V（峰值为311 V）的电路中， 应选用额定电压为600 V的晶闸管。,3） 额定正向平均电流IF 在环境温度不超过40和规定的散热条件下，晶闸管的阳极与阴极之间允许连续通过的工频（50 Hz）正弦半波电流的平均值。 需要指出，晶闸管的额定正向平均电流并不是一成不变的， 它与环境温度、散热条件、元件的
16、导通角等因素有关。例如100 A的元件，如不加风冷，则只能用到其容量的30左右。 此外，若晶闸管中流过的平均电流相同，则导通角越小， 电流的波形越尖，峰值越大，元件发热越重。这时晶闸管所允许通过的电流平均值必须适当降低。,4） 维持电流IH 在规定的环境温度和控制极断开的情况下，维持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流，称为维持电流IH。当晶闸管的阳极电流小于此值时，晶闸管将自行关断。IH一般为几十至二三百毫安。 目前我国生产的普通型晶闸管的型号组成如下：,导通时正向平均电压的组别，（小于100A不标），共分九级，用AI表示，A级为0.4V,I级为1.2V,晶体二极管整流电路,1单相半波整流电路,2单相桥式整流电路,2晶体二极管整流电路,整流：把交流电变成直流电的过程。,整流原理：二极管的单向导电特性,二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。,单相半波整流电路,1电路 如图(a)所示,V：整流二极管，把交流电变成脉动直流电； T：电源变压器，把 v1 变成整流电路所需的电压值 v2。,2.工作原理,设 v2 为正弦波，波形如前页图 (b) 所示。,(1)
