第1单元 二极管及其应用.docx
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第1单元二极管及其应用
第1单元二极管及其应用
朱七二完成
第1节二极管及应用
自奇妙的PN结诞生以来,半导体便身价倍增,成为世界电子技术领域中的排头兵。
本章主要讲述了PN结的形成以及其特点,从二极管的结构到二极管的应用,学习了这些知识以后,你将进入奥妙无穷的电子世界。
本章还介绍了二极管在整流和滤波电路中的也能够用,同时也介绍了一些特殊的二极管。
一、半导体的定义
物质按导电能力分为导体、半导体、绝缘体。
所谓半导体,是指其导电能力介于导体和绝缘体之间。
用于制造半导体器件的半导体材料主要是硅(Si)和锗(Ge),它们具有晶体结构,故半导体器件又称为晶体管。
二、P型半导体和N型半导体
本征半导体中,人为掺入微量三价或五价元素构成杂质半导体,杂质半导体的导电性能不再决定于温度,而由杂质类型和数量决定。
按照杂质半导体的导电类型可将其分为N型半导体和P型半导体
1.N型半导体
本征Si和Ge中掺入微量五价元素,如磷(P)、砷(As)等,形成的杂质半导体为N型半导体。
参杂的自由电子数量远大于空穴数量,所以自由电子称为多数载流子,空穴称为少数载流子。
2.P型半导体
在本征半导体中,掺入微量三价元素如硼,可使晶体中空穴浓度大大增加,这种杂质半导体就称为P型半导体。
P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电。
三、PN结及其单向导电性
PN结是构成半导体二极管、三极管等半导体器件的核心,掌握它的基本特性是分析半导体器件的基础。
所谓PN结就是将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体,在该半导体内有一物理界面,界面附近形成一个极薄的特殊区域,称为PN结。
图1-3PN结示意图
1.PN结的正向偏置
将P区接电源正极,N区接电源负极.称为PN结正偏,如图1-4所示。
正偏时,外加电压与内电势极性相反,削弱了内电场,使空间电荷区变窄,PN结失去平衡,多子扩散运动大于少子漂移运动。
这样,在正向偏压作用下PN结开始产生正向电流。
图1-4PN结正向偏置
2.PN结的反向偏置
P区接电源负极,N区接电源正极,称为PN结反偏。
反偏时,外电场与内电场方向一致,阻止了扩散运动,加强了漂移运动。
PN结开始形成反向电流。
反向电流是由双方的少子形成的,反向电流不仅很微小,而且基本上与反偏电压的大小无关,称为反向饱和电流。
可见,PN结正偏时.产生较大的正向电流,而反偏时.反向电流很微小,常常可以忽略,这种特性称为单向导电性。
四、二极管的结构、电路符号和型号
1.二极管的结构和符号
二极管的大体结构如图1-5所示,其中(a)为结构,(b)为电路符号。
(a)结构
(b)电路符号
图1-5 二极管结构和符号
图1-6常见二极管的外形
二极管的结构按PN结形成的制造工艺方式可分为点接触型和面接触型,点接触型的二极管,因其结面积很小,结电容小,适用于高频工作,但不能承受高反压和大电流。
主要用在高频检波和混频。
面接触型二极管,因其结面积较大,结电容大,适用于低频大功率场合。
硅平面型二极管,其结面积有较大的和较小的两种。
结面积大,可通过大电流,适用于大功率整流;结面积小,结电容小,适用作高速开关管。
2.二极管的型号
二极管有各种不同的类型,我国国产半导体器件的型号采用国家标准GB/T249-1989,半导体的型号由五个部分组成:
第一部分:
用阿拉伯数字表示器件的电极数目;
第二部分:
用汉语拼音字母表示器件的材料;
第三部分:
用汉语拼音字母表示器件的用途;
第四部分:
用阿拉伯数字表示序号;
第五部分:
用汉语拼音字母表示规格号。
表1.1中国半导体二极管器件型号命名法
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
第五部分
用数字表示器件的电极数目
用字母表示器件的材料和类性
用字母表示器件的用途
用数字表示序号
用字母表示规格
符号
意义
符号
意义
符号
意义
意义
意义
2
二极管
A
B
C
D
N型,锗材料
P型,锗材料
N型,硅材料
P型,硅材料
P
V
W
C
Z
S
GS
K
T
Y
B
J
CS
BT
PIN
GJ
小信号管
混频检波器
稳压管
变容器
整流管
隧道管
光电子显示器
开关管
半导体闸流管
体效应器件
雪崩管
阶跃恢复管
场效应器件
半导体特殊器件
PIN管
激光管
反映了极限参数、直流参数和交流参数的差别
反映承受反向击穿电压的程度。
如规格号为A、B、C、D…。
其中A承受的反向击穿电压最低,B次之…
3
三极管
A
B
C
D
E
PNP型,锗材料
NPN型,锗材料
PNP型,硅材料
NPN型,硅材料
化合物材料
3.二极管的单向导电特性
图1-7二极管单向导电性
a)正偏导通b)反偏截止
如图1-7a所示,二极管正极接电源的正端,二极管负极接电源的负端(称二极管外加正偏电压),此时灯亮,表明有较大的电流通过二极管,称二极管导通。
如图1-7b所示,二极管正极接电源的负端,二极管负极接电源的正端(称二极管外加反偏电压),此时灯不亮,表明无电流通过二极管,称二极管截止。
结论:
二极管具有单向导电特性,即正偏导通,反偏截止。
五、二极管的伏安特性及主要参数
1.二极管的伏安特性
图1-8二极管的伏安特性测试电路
a)二极管正向特性b)二极管反向特性
实验电路如图1-8所示,通过调节电位器RP,可改变二极管两端的电压和流过二极管的电流,其实验结果可绘制成图1-9所示的曲线。
该曲线是描述加到二极管两端电压和通过二极管的电流之间的关系的特性曲线,称为伏安特性曲线,它有以下特点:
图1-9二极管的伏安特曲线
(1).正向特性
当正向电压比较小的时,正向电流几乎为零,曲线OA段称为死区电压;当正向电压超过死区电压(锗管约为0.2V,硅管约为0.5V)时,二极管的电阻变得很小,正向电流增长很快,进入导通状态。
二极管导通后,由图7-4可见正向电流和正向电压非线性关系,正向电流变化较大时,二极管两端正向压降近于定值,硅管的正向压降约为0.7V,锗管约为0.3V。
(2).反向特性
当二极管的两端加上反向电压时,它的反向电阻很大,反向电流很小,它不随反向电压而变化,称为反向饱和电流。
通常,硅二极管反向电流为10-9A数量级,锗二极管的反向电流为10-6A数量级。
锗管的反向电流比较大,它受温度影响比较明显。
当二极管的外加反向电压大于一定数值(如图7-4中的B点的反向击穿电压)时,反向电流突然急剧增加称为二极管反向击穿。
反向击穿电压一般在几十到几百伏。
2.二极管的主要参数
(1).最大整流电流IFM
在一定的温度下,二极管长期工作所允许流过的最大正向电流的平均值。
使用时若超过此值,会导致二极管过热而损坏。
(2).最高反向工作电压URM
指二极管所能承受的最高反向工作电压的峰值。
一般规定其值是反向击穿电压的一半。
(3).反向漏电流IR
指在规定的反向电压和环境温度下测得的二极管反向电流值,这个电流值越小,二极管的单向导电性能越好。
六、特殊二极管
1.稳压二极管
稳压二极管(简称稳压管)是用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管。
工作在反向击穿区,二极管在反向击穿区内,其电流变化很大而电压基本不变,利用这一特性可实现直流电压的稳定。
稳压二极管的符号和伏安特性如图1.10所示。
图1.10稳压二极管的符号和伏安特性
2.发光二极管(LED)
发光二能把电能直接转化成光能。
它是由镓(Ga)、砷(AS)、磷(P)等元素的化合物制成。
由这些材料构成的PN结在加上正向电压时,就会发出光来,光的颜色主要取决于制造所用的材料。
如砷化镓发出红色光、磷化镓发出绿色光等。
目前市场上发光二极管的颜色有红、橙、黄、绿、蓝五种,其外型有圆型、长方型等数种。
图1.11发光二极管的符号、外形
3.光电二极管
光电二极管又称光敏二极管,是一种光接收器件,其PN结工作在反偏状态。
图1.12为光电二极管的符号和结构。
图1.12光电二极管的符号和结构。
光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口以便接受光照。
当窗口受到光照时,就形成反向电流,通过接在回路中的电阻R就可获得电压信号,从而实现了光电转换。
光电二极管作为光电器件,广泛应用于光的测量和光电自动控制系统。
如光纤通信中的光接收机、电视机和家庭音响的遥控接收,都离不开光电二极管。
4.变容二极管
变容二极管是利用PN结的电容效应工作的,它工作于反向偏置状态,它的电容量与反偏电压大小有关。
改变变容二极管的直流反偏电压,就可以改变电容量。
变容二极管被广泛应用于谐振回路中。
例如,在电视机中就使用它作为调谐回路的可变电容器,实现电视频道的选择。
在高频电路有广泛应用,如电压-功率交换、电子调谐、功率调制等。
图1.13变容二极管的符号
5.激光二极管
激光(是英文Laser的意译)是由人造的激光器产生的,在自然界中尚未有发现。
激光器分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。
半导体激光器是所有激光器中效率最高、体积最小的一种,现在已投入使用的半导体激光器是砷化镓激光器,即激光二极管。
激光二极管的应用非常广泛,计算机的光驱、激光唱机(即CD唱机)和激光影碟机(有LD、VCD和DVD影碟机)中都少不了它。
激光二极管工作时,接正向电压,当PN结中通过一定的正向电流时,PN结发射出激光。
图1-14激光二极管的结构图和符号
二极管的简单检测
利用二极管的单向导电特性,可用万用表欧姆档对二极管进行极性判别和质量测定。
1.判别二极管的正负极性
图1-15用万用表检测二极管
a)测出正向电阻小b)测出反向电阻大
测量时,万用表拨至“欧姆档”的R×l00或R×lk位置。
将万用表的红黑两表笔分别接到二极管的两个电极,如图7-5所示。
若此时电表指示的电阻比较小,如图7-5a所示,黑表笔接的一端是二极管的正极,红表笔接的一端是二极管的负极;若此时电表指示的电阻很大,如图7-5b所示,黑表笔接的一端是二极管的负极,红表笔接的一端是二极管的正极。
2.二极管质量测定
如果正向电阻为几百到几千欧,反向电阻大于几百千欧,表明二极管是好的,阻值相差越大,质量越好;如果正反向电阻都很小,则管子内部短路;如果正反向电阻都无穷大,则管子内部断路;如果正反向电阻比较接近,则管子质量差。
3.二极管检测注意事项
(1)用万用表欧姆档测电阻时,黑表笔为正极,红表笔为负极。
(2)不用R×1挡去测二极管,因该档内部电流较大,容易烧坏二极管。
(3)不用R×10K挡去测二极管,因该档内部电压较高,可能击穿管子内部的PN结。
1.二极管按材料不同可分为___________和___________;按PN结的结构不同分为___________和___________两种。
2.半导体二极管具有___________特性,即外加________电压,二极管导通,有_________电流通过二极管;外加_________电压,二极管截止,只有_______的反向电流通过二极管。
3.在判别锗、硅二极管时,当测出正向压降为______V,此二级管为锗二级管,当测出正向压降为______V,此二级管为硅二级管。
第2节整流电路及应用
在家用电器以及工控机中,经常会用到一些直流电,如给芯片提供工作电压等等。
通常的做法是将交流电转化为直流电。
将交流电转化为直流电的电路,称之为整流电路。
整流后得到的是脉动直流,经过滤波和稳压,就可以得到平稳的直流。
利用二极管的单向导电性可以得到单相和三相整流电路。
一、单相半波整流电路
1.半波整流电路的组成
如图1.16所示,是用于整流的二极管的外形和单相半波整流电路。
变压器T将电网的正弦交流电u1变成u2。
图1-16单相半波整流电路
【实验电路】
图1-17单相半波整流电路实验电路
【实验现象】
用示波器观察电阻两端电压的波形
图1-18电阻两端电压的波形
【实验分析】
在电源电压的正半周期,二极管正偏导通,电流经过二极管流向负载,在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的电压。
在电源电压的负半周期间,二极管反偏截止,负载上几乎没有电流流过。
所以负载上得到了单方向的直流脉动电压,负载中的电流也是直流脉动电流。
2.二极管的选择
在半波整流电路中,二极管中的电流任何时候都等于输出电流,所以在选用二极管时,二极管的最大正向电流IF应大于负载电流IO。
二极管的最大反向电压URM就是变压器副边电压的最大值。
根据IF和URM的值,需要查阅半导体手册,要选择参数合适的二极管型号。
二、单相桥式整流电路
1.电路组成和工作原理
电路如图1.19所示。
桥式整流电路中的四只二极管可以是四只分立的二极管,也可以是一个内部装有四个二极管的桥式整流器(桥堆)。
图1-19单相桥式整流电路
【实验电路】
图1-20单相桥式整流电路实验电路
【实验现象】
用示波器观察电阻两端电压的波形
图1-21电阻两端电压的波形
【实验分析】
在u2的正半周内,VD1、VD3因正偏而导通,VD2、VD4因反偏而截止;在u2的负半周内,二极管VD2、VD4导通,VD1、VD3截止。
但是无论在u2的正半周或负半周,流过RL中的电流方向是一致的。
在u2的整个周期内,四只二极管分两组轮流导通或截止,负载上得到了单方向的脉动直流电压和电流。
桥式整流电路中各处的波形如图1.21所示。
2.二极管的选择
在桥式整流电路中,由于四只二极管两两轮流导电,即每只二极管都只是在半个周期内导通,所以每个二极管流过的平均电流是输出电流平均值的一半,即:
IF=IO/2二极管上承受的最大反向峰值电压:
。
根据IF和URM的值,需要查阅半导体手册,要选择参数合适的二极管型号。
1、将交流电转化为直流电的电路,称之为。
2、单相半波整流后加在负载上电压的波形为;单相桥式整流后加在负载上电压的波形为。
3、根据和的值,查阅半导体手册,选择合适的二极管型号。
第3节滤波电路的类型及应用
图1-22为电子节能灯原理图,节能灯在生活中随处可见,在节能灯的设计中用到了滤波电路。
整流电路输出的直流电的脉动成分较大,而节能灯设备所需直流电源的脉动系数要求很小。
故整流输出的电压必须采取一定的措施.尽量降低输出电压中的脉动成分,同时要尽量保存输出电压中的直流成分,使输出电压接近于较理想的直流电,这样的电路就是直流电源中的滤波电路。
构成无源滤波器主要元件是电容器和电感器。
由于电容器和电感器对交流电和直流电呈现的电抗不同,合理地安排在电路中,就可以达到减小交流成分,保留直流成分的目的,实现滤波的作用。
图1-22电子节能灯原理图
一、电容滤波电路
1.电容滤波电路的构成
如图1.23所示,是单相桥式整流电容滤波电路。
图1.23单相桥式整流电容滤波电路
【实验电路】
图1-24电容滤波实验电路
【实验现象】
用示波器观察电阻两端电压的波形
图1.25单相桥式整流电容滤波电路中电压和电流的波形图
【实验分析】
设电容C上初始电压为零。
接通电源时u2由零逐渐增大,二极管VD1、VD3正偏导通,此时u2经二极管VD1、VD3向负载RL提供电流,同时向电容器C充电,因充电时间常数很小(τ充=RnC,Rn是由电源变压器内阻、二极管正向导通电阻构成的总等效直流电阻),电容C上电压很快充到u2的峰值,即uc=U2。
u2达到最大值以后按正弦规律下降,当u2<uc时,VD1、VD3的正极电位低于负极电位,所以VD1、VD3截止,电容C只能通过负载RL放电。
放电时间常数:
τ放=RLC,放电时间常数越大,放电就越慢,uO(即uc)的波形就越平滑。
在u2的负半周,二极管VD2、VD4正偏导通,u2通过VD2、VD4向电容C充电,使电容C上电压很快充到u2的峰值。
过了该时刻以后,VD2、VD4因正极电位低于负极电位而截止,电容又通过负载RL放电,如此周而复始。
负载上得到的是脉动成分大大减小的直流电压。
2.输出直流电压UO和负载电流的估算
一般按经验公式来估算输出直流电压UO:
UO≈1.2U2
负载电流IO:
IO=1.2U2/RL
在半波整流电容滤波时,输出直流电压UO:
UO≈U2
3.滤波电容器的选择
在负载RL一定的条件下,电容C越大,滤波效果越好,电容量的值经过实验可按下述公式选取:
C≥2T/RL(T为交流电压的周期)
电容器的耐压值:
UC>2U2
滤波电容器型号的选择应查阅有关器件手册,并取电容器的系列标称值。
二.电感滤波电路
1.电感滤波电路的构成
如图1.26所示,是单相桥式整流电感滤波电路。
图1.26单相桥式整流电感滤波电路
【实验电路】
图1-27电感滤波实验电路
【实验现象】
用示波器观察电阻两端电压的波形
图1.28单相桥式整流电感滤波电路中电压和电流的波形图
【实验分析】
桥式整流电感滤波电路,电感L串联在负载RL回路中。
由于电感的直流电阻很小,交流阻抗很大,因此直流分量经过电感后基本上没有损失,而交流分量大部分降在电感上,所以减小了输出电压中的脉动成分,负载RL上得到了较为平滑的直流电压。
电感滤波的波形如图1.28所示。
三.π型滤波电路
1.π型滤波电路的构成
如图1.26所示,是单相桥式整流电感滤波电路。
图1.29单相整流π型滤波电路
【实验电路】
图1-27π型滤波实验电路
【实验现象】
用示波器观察电阻两端电压的波形
图1.28单相桥式整流π型滤波电路中电压和电流的波形图
【实验分析】
交流电经过整流后得到的脉动直流电再经过电容C1滤波以后,剩余的交流成分在电感L中受到感抗的阻碍而衰减,然后再次被电容C2滤波,使负载得到的电压更加平滑。
当负载电流较小时,常用小电阻R代替电感L,以减小电路的体积和重量。
1、无源滤波器的主要元件是和。
2、电容滤波电路的特点是:
、、可提供的负载电流比较小。
3、电感滤波电路的特点是:
、、可提供的负载电流比较大。
一、实训目的
1.掌握电容器、二极管的简易检测。
2.掌握整流滤波电路的安装技巧。
3.掌握整流滤波电路的测试及故障排除方法。
二、实训器材
万用表 1只
双踪示波器 1台
常用安装工具(电烙铁、尖嘴钳等) 1套
电工电子实验台(具有可调单相交流电源) 1套
整流二极管(1N4007等) 4只
电解电容(470μF/50V) 1只
电阻(10kΩ/0.5W) 1只
拨动开关 1只
安装用电路板 1块
不同容量的各种电容器 若干
发光二极管、稳压二极管、光电二极管 各1只
连接导线、焊锡 若干
三、实训内容
1、电容器的识别与检测
根据提供的电容器完成表1.2。
表1.2 电容的识别和检测
序号
识 别
测量漏电电阻
质量
材 料
容 量
耐 压
量程
阻值
2、二极管的识别与检测
根据提供的二极管完成表1.3。
表1.3 万用表测试二极管
二极管型号
正向电阻
反向电阻
用途
质量
3、根据图1.29所示的电路,完成单相桥式整流、电容滤波电路的安装与调试
图1-29整流滤波电路原理图
图1.29单相桥式整流滤波电路
(1)根据图1.29列出元件清单。
备好元件,检查各元件的好坏。
(2)利用提供的安装电路板和备好的元件,完成各元件的安装。
(3)检查各元件安装无误后,装上2A的保险管,接通220V交流电源。
指导:
本实训电路中,变压器二次侧有效值为17V的交流电压可直接从电工电子实验台的可调交流输出端获得,通过实验台的电源开关将此电压送入已安装好的电路。
通电时,一定要有实训教师在现场指导,应特别注意安全。
(4)当开关SA断开时,用示波器观察桥式整流输出电压uo1的脉动波形;用万用表交流电压档测量变压器输出电压有效值U2,再用万用表直流电压档测量桥式整流输出电压的直流分量Uo1,并做好记录。
(5)合上开关SA,用示波器观察滤波输出电压uo的脉动波形;用万用表直流电压档测量其输出直流电压Uo,并作好记录。
指导:
若用断口代替开关,可用焊锡连上断口A,但必须在断电情况下焊接。
四、实训报告要求
1、画出实训电路装配图。
2、整理测试数据,填入自行设计的表格,画出观察到的波形。
3、调试过程中若遇到故障,说明故障现象、分析产生故障的原因、如何解决。
4、完成实训报告
1.半导体是现代电子线路的基础,正是有了半导体,人类才进入电子时代,可以说我们生活中所有的电子设备都是建立在此基础之上。
2.也有一些二极管使用的是PN结的反向击特性,比如稳压管工作在反向击穿区,主要用途是稳压。
3.二极管是一种非线性器件,单向导电是它的特点。
4.整流后得到的是脉动直流,经过滤波和稳压,就可以得到平稳的直流。
利用二极管的单向导电性可以得到单相和三相整流电路。
5.无源滤波器的主要元件是电容器和电感器。
由于电容器和电感器对交流电和直流电呈现的电抗不同,合理地安排在电路中,就可以达到减小交流成分,保留直流成分的目的,实现滤波的作用。
1.二极管按材料不同可分为___________和___________;按PN结的结构不同分为___________和___________两种。
2.半导体二极管具有___________特性,即外加________电压,二极管导通,有_________电流通过二极管;外加_________电压,二极管截止,只有_______的反向电流通过二极管。
3.在判别锗、硅二极管时,当测出正向压降为______V,此二级管为锗二级管,当测出正向压降为______V,此二级管为硅二级管。
4.稳压管的工作区是在其伏安特性的()。
A.正向特性区B.反向特性区C.反向击穿区
5.P型半导体中空穴多于电子,则P型半导体呈现的电性为()。
A.正电B.负电C.电中性
6.PN结加上正向电压时(),加上反向电压时()。
A.截止B.导通C.不变
7.有两个2CW15稳压二极管,一个稳压值是8V,另一个稳压值为7.5V,若把两管的正极并接、负极也并接,再与负载并联,组合成一个稳压管稳压电路,这时负载上得到的稳压值是()V。
A.8B.7.5C.1
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- 第1单元 二极管及其应用 单元 二极管 及其 应用