晶体二极管及整流滤波电路简介

1.半导体的概念、特性。(A)

2.P型、N型半导体。(A)

3.PN结的特性。(C)

4.二极管的符号、分类。(D)

5.二极管的型号命名、主要参数。(B)

6.二极管的伏安特性曲线。(B)

7.二极管的简易测量。(D)

8.单相半波、单相桥式整流电路构成和基本原理。(D)

9.波形及分析计算。(C)

10.电容滤波电路基本工作原理。(C)

11.电感、复式滤波电路基本工作原理。(A)

12.稳压二极管的稳压原理。(C)

13.发光二极管的特性、识别与质量判别。(B)

14.光电二极管的特性、识别和质量判别。(B)

近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析

续表

本章为学习后面章节的基础,因此需重视其基础地位。本章重点掌握PN结的单相导电性;理解二极管的伏安特性曲线;掌握硅稳压二极管稳压电路分析方法(此类型出题频率高,难度较大);掌握指针式和数字式测量二极管的方法;会分析单相桥式整流的整流原理及各种故障。

一、半导体的主要特性

1.概念:常温下导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。

3.本征半导体:不掺杂杂质的纯净半导体,即其内部空穴和自由电子数量相等。

注:P型半导体和N型半导体都是整体对外呈电中性。

5.PN结特性:单向导电性

二、晶体二极管

1.二极管的导电特性:单向导电性

二极管的核心是一个PN结,因此具有单向导电性。

图2-1-1 二极管的导电情况

如图2-1-1(a)所示,当二极管加正向电压导通时,PN结变窄,对电流阻碍能力变小,即正向电阻较小。

如图2-1-1(b)所示,当二极管加反向电压截止时,PN结变宽,对电流阻碍能力变大,即反向电阻较大。

2.二极管的符号、分类及型号命名方法

(1)符号:

(2)分类

①按材料分:硅二极管、锗二极管

②按PN结面积分:点接触型二极管、面接触型二极管

③按用途分:整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管

(3)二极管型号命名方法

国产半导体器件的命名方法

二极管的型号命名通常根据国家标准GB249—74规定,由五部分组成。

第一部分:用数字表示器件电极的数目。

第二部分:用汉语拼音字母表示器件材料和极性。

第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型。

第四部分:用数字表示器件序号。

第五部分:用汉语拼音字母表示规格号。

型号举例如下:

整流二极管——2CZ82B

稳压二极管——2CW50

变容二极管——2AC1

3.二极管的主要参数

(1)最大整流电流IFM:二极管长期运行时允许通过的最大正向工作电流平均值。

(2)最高反向工作电压VRM:二极管允许承受的反向工作电压最大值。

(3)反向饱和电流IS:二极管加最高反向工作电压时的反向电流,其值越小,二极管的单向导电性能越好。

(4)最高工作频率fM:二极管正常工作时的最高频率,一般小电流二极管的fM高达几百兆赫兹,而大电流整流管的fM仅几千赫兹。

4.二极管的伏安特性

伏安特性是指加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系,如图2-1-2所示。

图2-1-2 二极管的伏安特性曲线

(1)正向特性

OA(OA′)段:死区。当电压小于死区电压时,二极管电流为零,处于截止状态,相当于断开的开关。死区电压硅管约为0.5 V,锗管约为0.2 V。

AB(A′B′)段:正向导通区。当正向电压超过二极管死区电压时,正向电流迅速增大,二极管处于正向导通状态,管压降近似为定值。一般硅管正向导通电压约为0.7 V,锗管约为0.3 V。

(2)反向特性

OC(OC′)段:反向截止区。当反向电压小于击穿电压时,二极管处于截止状态。反向电流极微小且基本保持不变,等于反向饱和电流IS。

CD(CD′)段:反向击穿区。当反向电压达到或超过击穿电压时,二极管反向击穿,反向电流急剧增大。二极管被反向击穿后,就失去了单向导电性。二极管反向击穿又分为电击穿和热击穿,利用电击穿可以制成稳压管,而热击穿将引起电路故障,使用时一定要注意避免二极管发生反向热击穿的现象。

从二极管伏安特性曲线可知,二极管两端电压和电流变化不构成线性关系,其内阻不是固定值,所以二极管是一种非线性器件。

5.二极管的简单测量

(1)测量基本原理

①二极管的伏安特性:正向时,电阻小,导通;

反向时,电阻大,截止。

②万用表电阻挡内部电源

注意:表内电池的正极与黑表笔相连,不能与万用表面板的“+”、“-”相混。

(2)测量方法

①选用万用表R×100、R×1 k挡

注:不能选用R×1挡(电流较大)和R×10 k挡(电压较高,二极管损坏)。

②接线(如图2-1-3所示)

图2-1-3 二极管测量的接线图

(3)结论

①一次电阻较大(大于几百千欧),一次电阻较小(几百欧、几千欧),说明二极管正常。

②阻值小的,与黑表笔相接的为二极管的正极。

③若正反向电阻均为零,则二极管短路。

④若正反向电阻非常大,则二极管开路。

三、整流电路

整流电路是将交流电转化成脉动直流电的电路,常用的整流电路有单相半波整流电路和单相桥式整流电路,如表2-1-1所示。

表2-1-1 两类整流电路特性比较(不含滤波电路)

四、滤波电路

1.滤波电路是将脉动直流电转化成平滑直流电的电路。

3.电容滤波原理:当整流电压高于电容电压时电容充电,当整流电压低于电容电压时电容放电,在充放电过程中,使输出电压趋于平滑从而基本稳定。

电感滤波原理:当流过电感的电流变化时,电感线圈中产生的自感电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时,自感电动势与电流方向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小,使输出电压趋于平滑从而基本稳定。

复式滤波原理:常用的有L型、LC-π型、RC-π型,它们的组成原则是把交流阻抗大的元件(如电感、电阻)与负载串联,以降落较大的纹波电压,而把对交流阻抗小的元件(如电容)与负载并联,以旁路较大的纹波电流。其滤波原理和电容、电感滤波类似。

各种滤波电路特性比较如表2-1-2所示。

表2-1-2 各种滤波电路特性比较

五、特种二极管及应用

1.稳压二极管

(1)符号:

(2)稳压二极管的伏安特性曲线(见图2-1-4)

图2-1-4 稳压二极管的伏安特性曲线

稳压二极管的正向特性与普通二极管相同,反向特性曲线在击穿区域比普通二极管更陡直。当稳压管工作于反向击穿区后,通过管子的电流变化ΔIZ很大,而两端电压变化ΔVZ很小。利用这一特性,稳压二极管在电路中能起稳压作用。

(3)稳压二极管主要参数(www.chuimin.cn)

①稳定电压VZ:稳压二极管的反向击穿电压。

②稳定电流IZ:稳压二极管在正常工作时的参考电流值。

③温度系数k:反映了温度变化引起的稳定电压变化。

VZ＞6 V的稳压管,呈正温度系数。

VZ=6 V的稳压管,温度系数最小。

VZ＜6 V的稳压管,呈负温度系数。

④动态电阻rZ:反应稳压二极管的稳压性能,rZ愈小,稳压二极管稳压性能愈好。

rZ=ΔVZ/ΔIZ

(4)简单稳压电路(见图2-1-5)

图2-1-5 简单稳压电路

稳压原理:vi降低或负载超载时,导致vo下降。

稳压过程如图2-1-6所示。

图2-1-6 稳压电路的稳压过程

2.发光二极管

发光二极管简称“LED”,其电路图形符号如图2-1-7所示。当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。当加以正向电压时,发光二极管就能发光,常见的有红、黄、绿三种颜色,它的工作电流一般为几毫安到几十毫安,正向电压一般在1.5～3.6 V。LED照明一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用。

图2-1-7 发光二极管图形符号

3.光电二极管

光电二极管又称光敏二极管,其电路图形符号如图2-1-8所示。在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极管在反向电压下工作,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。

图2-1-8 光电二极管图形符号

【例1】 (2018年高考题)如图所示,已知稳压管的稳压值为6 V,稳定电流的最小值为5 m A,稳定电流的最大值为40 m A。若输入电压VI=30 V,R1=400Ω,为保证空载时稳压管能够安全工作,则电阻R2的最大值为_________Ω。

【答案】 300

【解析】 本题考查稳压二极管的稳压原理的分析。空载时RL视为断开,为保证稳压管安全工作,即稳压管稳压值为6 V,电流应在最小值和最大值的安全范围。正常工作时VZ和R2并联,IR1=IZ+IR2,输入电压VI=30 V,VZ和R2并联分得电压为6 V,R1分得电压24 V,即,所以R2最大阻值为300Ω。

【例2】 (2017年高考题)如图所示电路中的二极管均为理想二极管,其中VZ稳压值为5 V,VD1导通电压为0.7 V,则该电路的输出电压VO为_________V。

【答案】 0

【解析】 本题考查的是PN结的单向导电性和稳压二极管的稳压原理的综合应用。电路中二极管均为理想二极管。VD1的负极接高电位,正极接低电位,处于截至状态,视为断开。虽然VZ满足稳压条件,但是VD1断开,所以输出为0。

【例3】 整流滤波电路如图所示,试问:

(1)输出电压VL约为多少?标出VL的极性及电解电容C的极性;

(2)如果整流二极管VD2虚焊,VL是否为正常情况下的一半?

(3)如果把VD1的极性接反,是否能正常工作?会出现什么现象?(4)如果VD1因过载损坏造成短路,还会出现什么其他问题?

(5)如果输出端短路会出现什么问题?

【答案】 (1)由于电容C足够大,即RL C值足够大,故通常估算VL=1.2V2。在图中,VL和电解电容C的极性都是上正下负。

(2)如果V2被虚焊或开路,则该电路变为半波电容滤波电路,输出电压VL=V2。相比较正常工作时输出电压为1.2V2,出现虚焊故障时输出电压略微下降,不是输出电压的一半。

(3)如果VD1极性接反,二极管将变压器副边半周短路,将形成很大的电流可能烧坏二极管或者变压器。

(4)如果VD1短路和(3)情况接近,将形成很大的电流可能烧坏二极管或者变压器。

(5)如果输出端短路,和(3)、(4)的情况接近,将形成很大的电流可能烧坏二极管或者变压器。

【解析】 本题考查的是对电容滤波电路的故障分析,应熟练掌握电容滤波电路基本原理的分析及其应用。

一、单项选择题

1.在半导体材料中,其说法正确的是( )

A.P型半导体和N型半导体材料本身都不带电

B.P型半导体中,由于多数载流子为空穴,所以它带正电

C.N型半导体中,由于多数载流子为自由电子,所以它带负电

D.N型半导体中,由于多数载流子为空穴,所以它带负电

2.用万用表判断小功率二极管管脚极性时,应选用( )

A.R×1Ω挡或R×10Ω挡 B.R×10Ω挡或R×100Ω挡

C.R×100Ω挡或R×1 kΩ挡 D.R×1 kΩ挡或R×10 kΩ挡

3.当硅晶体二极管加上0.3 V正向电压时,该晶体二极管相当于( )

A.小阻值电阻 B.阻值很大的电阻 C.内部短路 D.接通的开关

4.如图所示的电路中VZ1、VZ2分别为5 V、7 V,电阻R1、R2取值适当。当输入15 V直流电压时,输出电压vO为( )

A.5 V B.7 V C.12 V D.2 V

第4题图

第5题图

第6题图

5.由理想二极管组成的电路如图所示,其A、B两端的电压UAB为( )

A.-12 V B.+6 V

C.-6 V D.+12 V

6.如图所示的电路中,电容C足够大,若v2的有效值为20 V,则负载上的直流电压平均值为( )

A.20 V B.18 V

C.9 V D.24 V

7.桥式整流电容滤波电路如第6题图所示,已知v2=10 V,若VD2断路,则输出电压为( )

A.4.5 V B.9 V

C.10 V D.12 V

二、判断题(正确的选“A”,错误的选“B”)

1.二极管是根据PN结单向导电的特性制成的,因此二极管也具有单向导电性。( )

2.稳压二极管的动态电阻越大越好,稳定电流越大越好。( )

3.单相桥式整流电路在输入交流电压的每个半周内都有两只二极管导通。( )

4.电容和电感能够滤波,是利用了它们的抗频特性。( )

5.用指针式万用表测某晶体二极管的正向电阻时,插在万用表标有“+”号插孔中的测试表笔(通常是红色表笔)所连接的二极管的管脚是二极管的阳极,另一电极是阴极。( )

6.晶体二极管在反向电压小于反向击穿电压时,反向电流极小;当反向电压大于反向击穿电压后,反向电流会迅速增大。( )

7.滤波电容耐压必须大于变压器副边电压V2的峰值,即。( )

三、填空题

1.2AP系列晶体二极管是________半导体材料制成的,2CZ系列晶体二极管是________半导体材料制成的。

2.发光二极管是把_________能转变为_________能,它工作于_________状态;光电二极管是把_________能转变为_________能,它工作于_________状态。

3.晶体二极管正向电压随温度升高而_________。

4.表示晶体二极管中流过的电流与其两端电压之间的关系曲线叫作二极管的________特性曲线。从该曲线可以看出,当外加正向电压很小尚未达到二极管的死区电压时,正向电流_________,在该区内二极管仍处于________状态。

5.整流是将_________电压变换为_________电压的过程。

6.设二极管都是理想二极管,vi=10 2 sinωt V。当开关S闭合时,vO=________V;二极管承受的最大反向电压VRM=_________V;当开关S打开时,vO=_________V。

第6题图

7.二极管反向漏电流IS是指二极管未击穿时的反向电流,其值越________,则二极管的单向导电性越好。

四、分析计算题

1.判断如图所示的电路中理想二极管的工作状态,并求A、B两端的电压值。

第1题图

2.如图所示变压器的次级电压V2有效值为10 V,RL=1 kΩ,二极管为理想二极管,电容C的容量足够大。求:

(1)S1断开,S2闭合时,VO=_________V,IL=_________m A。

(2)S1闭合,S2断开时,VO=________V。

(3)S1闭合,S2闭合时,VO=_________V,IL=_________m A。

(4)D2虚焊,S1断开时,VO=V;S1闭合时,VO=_________V。

第2题图

3.如图所示的电路中,请回答下列问题:

(1)当VI升高时,试分析该电路的稳压过程;

(2)该电路是否允许R=0?为什么?

第3题图