模块教学二二极管.ppt

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。,晶体二极管,1晶体二极管的单向导电特性,2PN 结,3二极管的伏安特性,4二极管的简单测试,5二极管的分类、型号和参数,工程应用,1晶体二极管的单向导电特性,(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 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，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PN 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，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：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。,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)v2 正半周时，A 点电位高于 B 点电位，二极管 V 正偏导通，则 vL v2；,(2)v2 负半周时，A 点电位低于 B 点电位，二极管 V 反偏截止，则 vL 0。,由波形可见，v2 一周期内，负载只用单方向的半个波形，这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。,上述过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电 v2 变成脉动直流电 vL。由于电路仅利用 v2 的半个波形，故称为半波整流电路。,3负载和整流二极管上的电压和电流,(1)负载电压 VL VL=0.45 V2(1),(2)负载电流 IL(2),(3)二极管正向电流 IV 和负载电流 IZ(3),(4)二极管反向峰值电压 VRM(4),选管条件,(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；,(2)二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。,电路缺点：电源利用率低，纹波成分大。,解决办法：全波整流。,单相桥式整流电路,1电路如图,V1 V4 为整流二极管，电路为桥式结构,(2)v2 负半周时，如图(b)所示，A 点电位低于 B 点电位，则 V2、V4 导通(V1、V3 截止)，i2 自上而下流过负载 RL。,桥式整流电路工作过程,2工作原理,(1)v2 正半周时，如图(a)所示，A 点电位高于 B 点电位，则 V1、V3导通(V2、V4截止)，i1 自上而下流过负载 RL；,由波形图可见，v2 一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流 i1 和 i2 叠加形成了 iL。于是负载得到全波脉动直流电压 vL。,桥式整流电路工作波形图,3负载和整流二极管上的电压和电流,(1)负载电压 VL,(2)负载电流 IL,(3)二极管的平均电流 IV,(4)二极管承受反向峰值电压 VRM,优点：输出电压高，纹波小，VRM 较低，应用广泛。,4桥式稳流电路的简化画法,例有一直流负载，需要直流电压 VL=60 V，直流电流 IL=4 A。若采用桥式整流电路，求电源变压器二次电压 V2 选择整流二极管。,解,因为VL=0.9V2,所以,流过二极管的平均电流,二极管承受的反向峰值电压,查晶体管手册，可选用整流电流为 3 安培，额定反向工作电压为 100 V 的整流二极管 2CZ12A(3 A/100 V)4 只。,半桥和全桥整流堆,整流元件组合件称为整流堆，常见的有：,(1)半桥：2CQ 型，如图(a)所示；,(2)全桥：QL 型，如图(b)所示。,优点：电路组成简单、可靠。,可控整流电路,单相半波可控整流电路1.电阻性负载单相半波可控整流电路1）工作原理(1)u2为正半波时，uaub，晶闸管承受正向阳极电压。此时若在门极加上正向触发电压，则晶闸管导通，电流io流向：aVTRLb。忽略管压降uT，则uo=u2，io=u2/RL。当u2的正半波电压逐渐减少时，io也逐渐减少，当u2 0时，io0，晶闸管关断。,(2）u2为负半波时，uaub,晶闸管承受反向电压，处于反向阻断状况，uo0，u2的下一个周期情况与前述相同，重复出现。电路中各电压、电流波形图如下图(b)所示。,图 电阻性负载单相半波可控整流电路图及波形图(a)电路图；(b)波形图,2）控制角与导通角从晶闸管承受正向电压起到晶闸管触发导通时的空间电角度称为控制角，一个周期内导通的范围称为导通角，显然，-。改变晶闸管的触发时刻就可以改变控制角，亦即可以改变晶闸管的导通范围，从而改变uo。的变化范围称为移相范围，值的改变称为移相。,3）负载直流平均电压Uo与平均电流Io设,则负载上的直流平均电压Uo为,式中，Uo为uo波形的平均值；U2为电源有效电压；为控制角。Uo和及u2有关，若电源电压给定后，Uo只与有关。当0时，Uo=0.45U2,为最大输出直流平均电压；当=时，Uo0。所以的移相范围为0，而Uo在00.45U2范围连续可调。,负载电流的平均值为,式中，Io为负载电流的平均值；U2为电源电压有效值；RL为负载电阻。,4）晶闸管的电压和电流(1）晶闸管所承受的最大正反向电压URM。,(2）流过晶闸管的电流平均值IT。,2.电感性负载单相半波可控整流电路实际电路中有许多负载是电感性负载，它们既含有电阻又含有电感。电感性负载单相半波可控整流电路如下图所示。,图 电感性负载单相半波可控整流电路图及波形图（a）电路图;(b)波形图,1）工作原理当u2为正半波时，晶闸管VT承受正向电压u2，控制极未加触发脉冲时，晶闸管不导通，uo0。在t1时刻，晶闸管被触发导通，u2加在负载上，uou2。io只能逐渐增加，因为电感L的自感电动势阻碍io增加。当uo达到最大值后又开始减少时，io增大速度变慢，直至最大，再开始减少。当io减少时，电感L的自感电动势阻碍io减少。自感电动势的方向对晶闸管来说是正方向，所以，在t2t3期间，虽然u2已变为负，但只要自感电动势大于u2，晶闸管就承受正向电压而继续导通，io继续减少，但只要io不小于IH,晶闸管就不关断，uou2。直至ioIH,晶闸管才关断，开始承受反向电压，uo0。波形图如上图(b)所示。,2）续流二极管的作用由于电感L的存在，使负载电压出现负值，平均电压Uo减少。所以必须采取一定措施，避免uo出现负值。为解决此问题，可以在负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，其电路图及波形图如下图所示。,图 续流二极管的感性负载电路图及波形图（a）电路图;(b)波形图,单相半控桥式整流电路1.单相半控桥式整流电路的组成单相半波可控整流电路虽然有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出电流小的缺点。所以，经常用的是单相桥式可控整流电路。单相桥式可控整流电路分为半控桥式整流电路和全控桥式整流电路。如图下图所示为两种常用的单相半控桥式整流电路。在下图（a）中，采用两个晶闸管和两个二极管组成桥式电路；在下图（b）中，采用四个二极管和一个晶闸管组成开关管式电路。如果在下图（a）中的四个晶体管都采用晶闸管，则称为单相全控桥式整流电路。但由于这种电路晶闸管较多，触发电路较复杂，成本较高，故不常采用。,图 单相半控桥式整流电路（a）半控式；(b)开关管式,在上图（a）中，变压器副边电压u2在正半周时，VT1和VD2承受正向电压。当t时，如对晶闸管VT1引入触发信号，则VT1和VD2导通，电流的通路为,aVT1RLVD2b,这时，VT2和VD1承受反向电压而截止。同样在电压u2的负半周时，VT2和VD1承受正向电压。这时，如对晶闸管VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流的通路为,bVT2RLVD1a,这时，VT1和VD2处于截止状态。,当整流电路为电阻性负载时，单相半控桥式整流电压uo的波形如下图所示。显然，与单相半波可控整流相比，其输出电压的平均值应增大一倍，即,输出电流的平均值,图 单相桥式可控整流的电压波形图,由上述可知，当0，即180时，负载上的电压最大，即Uo=0.9U2。改变触发脉冲uG的加入时刻，即改变控制角大小，使晶闸管在不同的时刻导通，便可调节负载电压的平均值Uo，从而实现可控整流。,滤波器和稳压器,1 滤波器,2 硅稳压二极管稳压电路,滤波器,特点：电容器与负载并联。,作用：滤除脉动直流电中脉动成分。,种类：电容滤波器、电感滤波器、复式滤波器,1电路,一、电容滤波器,2工作原理：,利用电容器两端电压不能突变原理平滑输出电压。,在 0 t1 期间，因 v2 的作用，V 正偏导通，电容 C 充电，波形如图(b)中 OA 所示；,在 t1 t2 期间，因 v2 vC，V反偏截止，电容 C 通过负载放电，波形如图(b)中 AB 所示；,在 t2 t3 期间，因 vC v2，V 正偏导通，电容再次充电，波形如图(b)中 BC。,具有电容滤波器的半波整流电路,重复上述过程，可得近于平滑波形。这说明，通过电容的充放电，输出直流电压中的脉动成分大为减小。,全波整流电容滤波输出波形如图所示。,工作原理与半波整流电路相同，不同点是：v2 正、负半周内，V1、V2 轮流导通，对电容 C 充电两次，缩短了电容 C 向负载的放电时间，从而使输出电压更加平滑。,输出电压估算公式为VL 1.2V2,应用：小功率电源。,全波整流电路电容滤波输出波形,工程应用,一、电容滤波的直流电压输出及整流管与滤波电容的选择,电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择,1电容滤波的整流电路输出电压与整流管的选择,2.滤波电容的选择,电容的选择从电容耐压和容量两个方面考虑：,(1)耐压：在电路中电容耐压值要大于负载开路时整流电路的输出电压。(2)电容容量：滤波电容器 C 的容量选择与电路中的负载电流 IL 有关，当负载电流加大后，要相应的增加电容量。表 列出的数据供选用时参考,滤波电容容量表,注：此为全波整流电容滤波在 VL=12 36 V 时的参考值。,缺点：体积大、重量大。,带电感滤波器,二、电感滤波器,1电路,特点：电感与负载串联,2工作原理,利用流过电感电流不能突变原理平滑输出电流。,当电路电流增加时，电感存储能量；当电流减小时，电感释放能量。使负载电流比较平滑，从而得到比较平滑的直流电压。,应用：较大功率电源。,三、复式滤波器,(3)应用：较大功率电源中。,结构特点：电容与负载并联，电感与负载串联。,性能特点：滤波效果好。,1L 型滤波器,(1)电路：,(2)原理：整流输出的脉动直流经过电感 L，交流成分被削弱，再经过电容 C 滤波，就可在负载上获得更加平滑的直流电压。,L 型滤波器桥式整流电路,2 型滤波器,型滤波器桥式整流电路,(3)应用：小功率电源中。,(2)原理：整流输出的脉动直流经过电容 C1 滤波后，再经电感 L 和电容 C2 滤波，使脉动成分大大降低，在负载上可获得平滑的直流电压。,(1)电路：,硅稳压二极管稳压电路,滤波电路：将脉动的直流电变成平滑的直流电。,稳压电路：抑制电网电压和整流电路负载的变化引起的输出电压变化，将平滑的直流电变成稳定的直流电。,硅稳压管的伏安特性及符号,1硅稳压二极管的特性,(1)稳压管工作在反向击穿状态。,(2)当工作电流 IZ 满足条件 IA IZ IB 时，稳压管两端电压 VZ 几乎不变。,2稳压二极管的主要参数,(1)稳定电压 VZ 稳压管在规定电流下的反向击穿电压。,(2)稳定电流 IZ-稳压管在稳定电压下的工作电流。,(3)最大稳定电流 IZmax 稳压管允许长期通过的最大反向电流。,(4)动态电阻 rZ 稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即 rZ=VZ/IZ。此值越小，管子稳压性能越好。,3稳压管稳压电路的工作原理,硅稳压管整流稳压电路,(1)电路：V 为稳压管，起电流调整作用；R 为限流电阻，起电压调整作用。,(2)电路的稳压过程：VOIZIRVRVO,(3)应用：小功率场合。,