二极管整流电路工作原理

+
V4
u2 3
V3
+
2
4
V1
1
V2
+
+
RL u O
-
+
Io
U
Uo
● 三相桥式整流电路
VD4 VD5 VD6
d
ua ub
iVD4 iVD5 iVD6 a b c
ud
RL
uc
iVD1 iVD2 iVD3
VD1 VD2 VD3
e
整流器件: 二极管
六个桥臂都是二极管,其中三个二极管 组成共阴极的整流电路,阴极联成一点d; 另外三个二极管组成共阳极的不控整流 电路,阳极联成一点e。
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子 的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时，产 空穴
生一个空穴。这个空穴可能吸 引束缚电子来填补，使得硼原
+4
+4
子成为不能移动的带负电的离
子。由于硼原子接受电子，所 以称为受主原子。
+3
+4
硼原子
所以扩散和漂移这一对相反扩的散运运动动 最终达到平衡，相当于两 个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。
电位V V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
四、晶体二极管
1、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
触丝线
点接触型
PN结
引线
外壳线
基片
P 二极管的电路符号：
面接触型
N
2、伏安特性
I
死区电压 硅管0.6V,锗管 0.2V。
反向击穿电 压UBR
导通压降: 硅管 0.6~0.7V,锗管 0.2~0.3V。
U
3、主要参数
1）. 最大整流电流 IOM
二、 PN结
PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
内电场越强，就使漂移运动越强，
而漂移使空间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
ID
1I 2
L
(4) uo平均值Uo： Uo=0.9U2
单相桥式整流电路的工作原理
u2正半周时 电流通路
+
T
D4
u1
u2
D1
D3
RL uo
D2
-
桥式整流电路
u2负半周时 电流通路
-
T
D4
u1
u2
D1
RL
D3
u0
D2
+
桥式整流电路
A
u2
B
u2
桥式整流电路输出波形 及二极管上电压波形
D4 D1
RL
学习目标：
l 熟悉二极管的结构组成及种类； l 了解各种二极管的特性及应用； l 了解半波整流电路。
半导体
N型半导体和P型半导体
导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有 效值为：
U2
Uo 0.45
24 0.45
53.3 V
整流二极管承受的最高反向电压为：
U RM 2U 2 1.41 53.3 75.2 V 流过整流二极管的平均电流为：
ID Io 1A 因此可选用 2CZ12B 整流二极管，其最大整流电流为 3 A， 最高反向工作电压为 200V。
D3
uo
D2
u2>0 时
D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: A D1 RLD3B
u2<0 时
D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: B D2 RLD4A
uD4,uD2
uo
uD3,uD1
t
输出是脉动的直流电压！
t
t
三、主要参数：
输出电压平均值：Uo=0.9U2 输出电流平均值:Io= Uo/RL =0.9 U2 / RL
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓 度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴 称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外层电子 是八个，构成稳定结构。
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子， 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半 导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要 的外部因素，这是半导体的一大特点。
杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区
中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子 和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下，空穴吸 引附近的电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于正电荷 的移动，因此可以认为空穴 是载流子。
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
Io 2
t 0
Uo 0.9U
Io 2
2U 1.41U 2 2U 2.83U
2U 1.41U
Tr a
D
iD
例 有一单相整流电路,负载电阻为 750,变
压器副边电压为20V，
~
试求Uo，Io及UDRM,并选用二极管。
u
uo
R
解
b
Uo 0.45U 0.45 20 9V
Io
Uo RL
9 750
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平 均电流。
2）. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增， 二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手 册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一 半。
3）. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流 大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反 向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向 电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。
u
导通。 忽略二极管正
o
向压降：
b
uo=u2
u
1
Ta
D
iL=0
u
2
RL u
u2<0时，二极 管截止,输出电 流为0。
o
uo=0
b
一、单相全波整流电路的工作原理
Ta
D1
(1) 输出电压波形： uo
u1
u2 iL RL
t
(2) 二极管上承受的
u2 uo
最高电压：
b D2
URM2 2U2
(3) 二极管上的平均电流：
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用 它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面 介绍两个交流参数。
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
二极管的应用举例1： 二极管半波整流
ui
t
ui
RL
uo
uo
t
普通二极管
发光二极管
二、PN 结正向偏置
+ P
变薄
－+ －+ －+ －+
内电场被削弱，多子的扩散加 强能够形成较大的扩散电流。
_ N
外电场
R
内电场
E
三、PN 结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强，多子的扩散 受抑制。少子漂移加强，但少 子数量有限，只能形成较小的 反向电流。
+ N
内电场
外电场
R
E
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电荷区逐 渐加宽，空间电荷区越宽。
P型半导体
漂移运动
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完 全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电 粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够 的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价 键上留下一个空位，称为空穴。
流过二极管的平均电流：Iv=IL/2 二极管承受的最大反向电压： URM= 2U2
+
4
+ u2
V4
V1
+
t
u2 3
V3
1
RL
u
uO
O
V2
t
+
2
-
+
电路
整流电压 波形
整流电压平 均值
二极管平均 电流
二极管反向 电压
Io
U
Uo
uo
U Io U Uo
uo
Io
U
Uo
uo
0
t
Uo 0.45U
Io
t 0
Uo 0.9U
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个 电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子， 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个 磷原子给出一个电子，称为施主原子。
Ta
D
(1) 输出电压波形：
u1
u2
iL
uo
RL
uo
t
(2) 二极管上的平均电流：
b
ID = IL
(3) 二极管上承受的最高电压：URM 2U2
(4) 输出电压平均值（Uo）：
U o2 1 0 2uodt 2 U 20.4U 52
单相半波整流电路的工作原理
Ta
D
u2 >0 时，二极管
u
1
u
2
iL RL
（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电 压有效值为：
U2
Uo 0.9
24 0.9
26.7
V
整流二极管承受的最高反向电压为：
URM 2U2 1.41 26.7 37.6 V 流过整流二极管的平均电流为：
ID
1 2
Iowk.baidu.com
0.5 A
因此可选用四只 2CZ11A 整流二极管，其最大整
流电流为 1 A，最高反向工作电压为 100V。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子 都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个 原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶体 结构：
硅和锗的共价键结构
12mA
U DRM 2U 2 20 28.2V
查二极管参数，选用2AP4(16mA,50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算
值大一倍左右。
例：试设计一台输出电压为 24V，输出电流为 lA 的直流电 源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式 的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。
本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数 量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂 质浓度相等。
稳压二极管
由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。
进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流
光电二极管
又名光敏传感器
五、单相整流电路
整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的 电压。
常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、 桥式和倍压整流等。
为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。