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1、第1章 二极管及其应用,学习目标,1.1 半导体二极管,半导体二极管（习称二极管）有阳极（正极）、阴极（负极）两个电极。它还有导通、截止和反向击穿三种工作状态。,1.1.1 初识二极管,（a）单向打开的门 (b)单向导通的二极管 图1.1 单向打开的门和二极管实物,图1.1（b）是截取电视机的电源电路，目的是把交流电变换为直流电。图中二极管标记为 ，国标是用符号示 。图中二极管有白色标记端为负极，无标记端为正极。,下面通过二极管控制灯泡发光的演示，了解二极管的作用。,演示： （1）如图1-2（a）所示连接电路，二极管的正极接电源正极，二极管的负极通过灯泡接电源负极，此时，灯亮，电路图如图1-2
2、（c）所示。 （2）在图1-2（b）所示电路中，改变二极管的连接方向，二极管的正极接电源负极，二极管的负极通过灯泡接电源负极，灯不亮。电路图如图1-2（d）所示。,图1-2 二极管单向导电性示意图,思考与分析： （1）二极管的连接方向能控制灯泡的发光状态。 （2）二极管正极接电源正极，负极通过负载接电源负极时（此时二极管称为正偏），灯L亮，说明电路中有较大的正向电流，二极管呈现出较小的电阻，电路处于导通状态，称为正向导通。 （3）二极管负极接电源正极，二极管的正极接电源负极（此时二极管称为反偏），灯L不亮。此时，灯上流过的电流应该是为或者非常小，即此时二极管应该是呈现出很大的电阻，称为反向截止
3、。 结论：二极管具有单向导电性，电流从正极流向负极，相当于沿着三角形箭头方向流动。当二极管正偏时，二极管相当于开关接通；当二极管反偏时，二极管相当于开关断开。,1.1.2 二极管的分类,表1.1 二极管种类及说明,表1.2 常见二极管的外形图,1.1.3 二极管的结构及工作原理,二极管由PN结构成。PN结是P型和N型介于导体和绝缘体之间的不同导电性能的材料（即半导体器件）连接在一起，在两者的结面处形成具有特殊性质的物理结构。PN结只允许电流从P区流向N区，即PN结具有单向导电性。常用的半导体材料有硅和锗。,图1-3 PN结构和二极管的图形符号,1.1.4 二极管工作状态,二极管有两种工作状态：
4、截止和导通。二极管导通与截止有一定的工作条件。具体见表1-3。,1.1.5 二极管型号命名方法,表1-4 美国电子工业协会半导体分立器件的命名方法,如：1N4007是整流二极管，1表示二极管，N表示器件已在美国电子工业协会注册登记，4007是编号。,1.1.6 二极管的主要参数,表1-5所示是几项常用参数说明。二极管除了正向平均电流和反向工作峰值电压外，还有反向电流、正向压降、结电容和二极管工作的上限截止频率fM等，在选用二极管时根据需要依据参数合理选择。,表1-5 二极管项常用参数说明,二极管的种类很多，二极管的参数是合理选用二极管的主要依据。二极管的参数可在产品说明书和有关手册中查到。表1
5、-6是整流二极管1N4007和1N5407的主要参数。,表1-6 二极管1N4007和1N5407的主要参数,1.1.7 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性就是指在二极管两端加电压时，通过二极管的电流与所加电压的关系。,表1-7 硅二极管的伏安特性及说明,1.2 常用二极管,除了整流二极管外，常用的二极管有稳压二极管、发光二极管、光电二极管和变容二极管。,1. 稳压二极管,表1-8 二极管的外形符号和应用电路,从外形上看，大功率稳压管镙栓端为负极，贴片二极管有白线端为负极，塑封和玻璃封装的稳压二极管管体上有黑环一端表示负极，对于同向引线的二极管，其引线长的一根为正极。,（1）稳压二极管的外形和
6、应用,表1-9 稳压电路的原理分析,注意：1. 为避免二极管被击穿，限流电阻一定要连接。 2.使用时，根据稳压管的额定电流和IL来确定限流电阻的阻值。,（2）稳压二极管稳压值的读数,a)较大体积的稳压二极管，管体上标有稳压值。如标8V2，表示稳压值为8.2V。 b)若小功率稳压二极管体积小，在管子上标注型号较困难时，则采用色环来表示它的标称稳压值。,2发光二极管,发光二极管是用特殊的半导体材料制成的。材料不同所发出的光的颜色就不同。,表1-10 常见发光二极管的外形、符号和应用,注意：可以用肉眼观察发光二极管识别它的正、负极，透过玻璃观察两条引出线在管体内的形状较小的是正极。未使用过的发光二极
7、管可根据管脚长短来区分正负极，管脚较长的就是正极。,发光二极管特点是：正向工作电压为（1.53.0）V，比普通二极管的正向工作电压要高，不同颜色的发光二极管正向工作电压不同。当通过发光二极管的电流越大时，发光越亮，但电流不允许超过最大值，以免将二极管烧毁。发光二极管的工作电流较小，通常为（1030）mA，发光二极管的反向击穿电压一般在5V左右使用中不应使发光二极管承受超过5V的反向电压。,表1-11 发光二极管应用电路及分析,图1-4 是由发光二极管构成的发光数码管。控制不同的发光二极管发光就可以显示不同的数字,3光电二极管,光电二极管常用于光控开关，是一种能将接收的光信号转换成电信号输出的半
8、导体二极管，又称光敏二极管，其基本特性是在光的照射下能产生电流。,光电二极管常工作在反向偏置状态，其几种光种二极管的实物、电路符号及工作电路如图1-5所示。,图1-5 光电二极管的实物图、图形符号与应用电路,光电二极管在无光照时，其反向电阻很大，只有极小的反向漏电流（0.3A）流过，称为暗电流；当有光照时，产生与光强成正比的电流（称为光电流），该电流流经负载，产生输出电压UO，这就实现了光信号到电信号的转换。,4变容二极管,变容二极管是利用反向偏压来改变二极管电容量的一种二极管。正常工作，变容二极管工作在反偏状态，相当于一个电压调节容量的小电容。其几种变容二极管的实物外形，符号和应用电路见图1
9、-6 。,a)几种变容二极管实物图 b)符号 c)应用电路 图1-6 变容二极管的实物、图形符号和应用电路,5.肖特基二极管,肖特基二极管属于一种低功耗、超高速半导体器件。它最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.3V左右。其多用做高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管等。肖特基二极管的图形符号如图1-7所示。,图1-7 肖特基二极管图形符号,【边学边练】,1.用指针式万用表判别二极管的极性和质量优劣,二极管性能好坏说明：通常，锗材料二极管的正向电阻值为1k左右，反向电阻值为300k左右。硅材料二极管的电阻值为5k左右，反向电阻值为（无穷大）。正向电阻
10、越小越好，反向电阻越大越好。若测量时，表针左右摆动，则说明二极管热稳定性差。,表1-12 用指针式万用表识别二极管极性方法说明,2稳压二极管的检测,（1）稳压二极管其极性与性能好坏的测量,测量稳压二极管的极性与性能好坏的方法 与普通二极管的测量方法相似，不同之处在于：当使用万用表的Rlk挡测量二极管时，测得其反向电阻是很大的，此时，将万用表转换到R10k档，如果出现万用表指针向右偏转较大角度，即反向电阻值减小很多的情况，则该二极管为稳压二极管；如果反向电阻基本不变，说明该二极管是普通二极管，而不是稳压二极管。此方法仅用于稳压值小于万用表R10k档表内电池电压的稳压二极管。,（2）稳压二极管稳压
11、值的测量,表1-13 稳压二极管稳压值的测量,3.发光二极管的检测,正、负极的判别与普通二极管极判定相同，利用R10k档（此档用于测量的内部电池通常为9V），通过测量发光二极管的正、反向电阻值可判别二极管的极性。 性能好坏的判断： 利用R10k档测量发光二极管，当指针偏转时，发光二极管会发光，此时黑表笔接的为发光二极管的正极，且说明发光二极管正常。 若用万用表R1k档测量发光二极管的正、反向电阻值，则会发现其正、反向电阻值均接近（无穷大），这是因为大多数发光二极管的正向压降大于1.6V（高于万用表R1k档内电池的电压值1.5V）的缘故。 此外，也可以采用直流电源串接电阻来测量发光二极管的好坏。
12、,4数字万用表测试二极管物管脚及极性,表1-14 用数字万用表检测二极管的方法说明,1.3 简单直流稳压电源,直流稳压电源是把交流电整流变换成稳定的直流电的电子电路。通常包括整流、滤波和稳压三部分电路。,1.3.1 单相半波整流电路,1电路组成及工作原理,单相半波整流电路见表1-15，它是在变压器次级绕组回路串入一只二极管，利用其单向导电性而实现把交流电压转变为直流电压的。图中的RL表示负载。,表1-15 单相半波整流电路,2负载上直流电压与电流值的估算,整流后，负载能得到的直流电压与电流值的估算公式见表1-16。,表1-16 负载能得到的直流电压与电流值的估算公式,3二极管的选择,选配整流二
13、极管时，最大平均电流和承受的反向电压最大值不能超过规定值。具体标准见表1-17。,表1-17 整流二极管最大平均电流和承受的反向电压最大值的估算公式,1.3.2 单相桥式整流电路,常用的整流电路为桥式整流电路，它是一种全波整流电路，其整流元件使用了四只二极管接成电桥形式。,1电路组成及工作原理,电路如图1-8(a)所示，电路中的四只二极管可以用四只分立的整流二极管（如IN5408），也可以使用一个内部集成了四只二极管的桥堆构成，图1-8（b）是整流电桥的简化画法。,图 1-8 桥式整流电路图和简化符号,表1-18 桥式整流电路工作原理分析,2. 二极管的选配,在桥式整流电路故障需更换二极管时，
14、注意表1-19所示参数。,表1-19 桥式整流电路整流二极管的选配估算公式,3.整流桥堆的使用,在使用过程中，可以把四个整流二极管封装在一起，做成整流桥堆。几种整流桥堆的实物如图1-9所示。,图1-9 几种型号的整流桥实物图,【边学边做】,搭接由整流桥组成的应用电路。 步骤： 1.按图1-10(a)所示电路焊接或在面包板上连接整流桥电路。焊接后实物图如图1-10(b)所示。做完步骤（4）后再连通图中3与5，4与6. 2.采用隔离变压器进行降压，把220V的交流信号降为12V的交流信号输出，然后再整流，整流桥堆采用KBP206。 3.用示波器观察图中1、2两端波形。 4.用示波器观察图中3、4两
15、端波形，注意所测电压极性。 5.连通图中的3与5，4与6，即把虚线框中两只电容接入电路。 6.再次检测图中3与4两端的波形，注意所检测电压的极性。 7.记录测量到的波形并读出相应的电压值。,(a)实验原理图,（b）焊接后实物图 图1-10 整流桥堆整流电路,1.2.3 滤波电路,整流后得到的直流电是脉动直流电，这种直流电一般是不能作为电子电路的供电电源。通过滤波电路滤波可以获得较为平滑的直流电。边学边做中的C1和C2就是起到滤波作用。,想一想： 1经过滤波后的波形与输入有什么不同？ 2滤波电容的容量取值是大好还是小好？为什么？为什么在容量为3300uF的电容旁要并联一容量为0.1uF的小电容？
16、 思考与分析：电容能储存电荷。把电容与输出端并联，输入高电压时电容储存电荷，输入低电压时电容释放电荷，因此，输出端的信号就比较平滑。 结论：电容可作为滤波器件使用。,电容滤波电路,表1-20 电容在对脉动直流的滤波作用,（1）滤波电容的选择,对于滤波电容C电容量的数值，理论上，数值越大，滤波效果越好。实际使用时，电容太大会造成二极管在开机瞬间出现很大的电流。通常按下面公式选择电容： RLC （35）T（半波整流电路） RLC （35）T/2（桥式整流电路） 式中的T为交流电的周期。 为了保证电容器的安全，电容器的耐压值UC通常要求： UC 2 U2,（2）输出直流电压的估算,为了保证滤波效果，通常选取RLC （35）T（半波，T为交流电的周期）、RLC （35）T/2（桥式整流电路时）。此时输出电压可按下面的经验公式
