生活实例1 手持式扩音器

我们经常可以看到导游、讲解员、室外活动的组织者等用手持式扩音器进行讲解。这种扩音器的用途就是把人讲话时较弱的声音放大成较强的声音。它具有体积小、重量轻、使用方便等优点，所以在现实生活中应用非常广泛。

手持式扩音器的实物图如实例图1-1所示。

手持式扩音器的电路中要用到晶体二极管、晶体三极管等半导体器件，同时还涉及一些基本放大电路，其结构方框图如实例图1-2所示。因此按照本实例引出的相关知识点，我们将学习半导体器件的基础知识及由半导体器件组成的各类放大电路。

模块1 晶体二极管及其应用

任务导入

随着科学水平的提高，新颖的电子产品不断涌现，如大家熟悉的随身听、随身CD机、快译通和数字调频收音机等。它们的出现极大地丰富了我们的文化娱乐生活，这些电子产品都要求电源提供稳定且符合规定数值要求的直流电压。常用的供电方式有两种：一种是使用市电的直流低压电源，另一种是使用干电池。干电池又有一次性干电池和可充式干电池之分。

可充式干电池具有可以重复使用的特点，学习本模块内容后，我们可以制作充电器，既能对两节5号或7号可充干电池充电，又能在输出插口中输出一稳定的直流电压，电压的范围为1.5～6V，可自由选择，最大输出电流约为200mA。导入图1-1所示为充电器实物图。

课题1 晶体二极管的使用

相关知识

一、半导体及PN结

半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，在现代电子技术中得到了广泛的应用。

1.半导体的基本特性

在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-4Ω·cm～1010Ω·cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度、光照的变化或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。半导体材料具有如下特性。

1）热敏性

所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加的特性。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2；而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。

2）光敏性

半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性称做光敏性。某种硫化铜薄膜在暗处的电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。

3）杂敏性

所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量的杂质而发生很大变化的特性。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件。而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。

半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。

2.本征半导体

本征半导体是指完全纯净的、具有晶体结构（即原子排列按一定规律排得非常整齐）的半导体，如常用半导体材料硅（Si）和锗（Ge）。在常温下，其导电能力很弱；在环境温度升高或有光照时，其导电能力随之增强。

3.杂质半导体

在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素（称杂质），可以使半导体的导电性能发生显著的变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得它的用途大大增加。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体，根据掺入杂质性质的不同，可分为两种：N型半导体和P型半导体。

1）N型半导体（电子型半导体）

在4价的本征半导体中掺入正5价元素（如磷、砷），就形成N型半导体。N型半导体自由电子数量多，空穴数量少，参与导电的主要是带负电的自由电子，如图1-1-1（a）所示。

2）P型半导体（空穴型半导体）

在4价的本征半导体中掺入正3价杂质元素（如硼、镓）时，就形成P型半导体。P型半导体中，空穴数量多，自由电子数量少，参与导电的主要是带正电的空穴，如图1-1-1（b）所示。

由于杂质的掺入，使得N型半导体和P型半导体的导电能力较本征半导体有极大的增强。但是掺入杂质的目的不是单纯为了提高半导体的导电能力，而是想通过控制杂质掺入量的多少，来控制半导体导电能力的强弱。

4.PN结

当把一块P型半导体和一块N型半导体用特殊工艺紧密结合时，在两者的交界面上会形成一个具有特殊现象的薄层，这个薄层被称为PN结，而PN结具有单向导电的特性。二极管的核心正是PN结。

二、晶体二极管的结构、类型及符号

1.二极管的结构

图1-1-2所示是用于家用电器、稳压电源等电子产品的各种不同外形的晶体二极管（简称二极管）。

在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由P型半导体引出的电极，称做正极（或阳极），由N型半导体引出的电极，称做负极（或阴极）。二极管的内部结构示意图及电路图形符号如图1-1-3所示。

二极管的电极是由金属制成的，并被介质所隔开，因此，电极之间存在着电容，这些电容叫做极间电容。

按照结构工艺的不同，二极管有点接触型和面接触型两类。点接触型二极管的结构如图1-1-4（a）所示。这类二极管的PN结面积和极间电容均很小，不能承受高的反向电压和大电流，因而适用于制作高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。

面接触型二极管又称面结型二极管，其结构如图1-1-4（b）所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜用于高频电路中。

如图1-1-4（c）所示是硅工艺平面型二极管的结构图。

2.二极管的类型

半导体二极管的种类和型号很多，我们用不同的符号来代表它们，例如2AP9，其中“2”表示二极管，“A”表示采用N型锗材料为基片，“P”表示普通用途管（P为汉语“普通”拼音字头），“9”为产品性能序号；又如2CZ8，其中“C”表示由N型硅材料作为基片，“Z”表示整流管。国产二极管的型号命名方法如表1-1-1所示。

3.图解普通二极管电路符号

如图1-1-5所示是图解普通二极管电路图形符号示意图。电路符号中表示了二极管两根引脚极性，指示了流过二极管的电流方向，这些识图信息对分析二极管电路有着重要的作用。例如，电流方向表明了只有当电路中二极管正极电压高于负极电压足够大时，才有电流流过二极管，否则二极管无电流流过。

三、二极管的单向导电性

看一看

实验现象

图1-1-6（a）指示灯亮；图1-1-6（b）指示灯灭

1.加正向电压导通

把二极管接成如图1-1-6（a）所示的电路，当开关闭合时，二极管阳极接电源正极，阴极接电源负极，这种情况称为二极管（PN结）正向偏置；当开关闭合时，灯泡亮，这时称二极管（PN结）导通，流过二极管的电流称为正向电流。

2.加反向电压截止

将二极管接成如图1-1-6（b）所示的电路，二极管阳极（P区）接电源负极，阴极（N区）接电源正极，这时二极管（PN结）称为反向偏置。开关闭合，灯泡不亮，电流几乎为零，这时称为二极管（PN结）截止，此时二极管中仍有微小电流流过，这个微小电流基本不随外加反向电压变化而变化，故称为反向饱和电流（亦称反向漏电流），用Is表示，Is很小，但它会随温度上升而显著增加。因此，半导体二极管等半导体器件，热稳定性较差，在使用半导体器件时，要考虑环境温度对器件和由它构成电路的影响。

归纳

我们把二极管（PN结）正向偏置导通、反向偏置截止的这种特性称为单向导电性。

四、二极管的伏安特性

所谓伏安特性，是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流之间关系的曲线。该曲线可通过实验的方法得到，也可利用晶体管图示仪十分方便地观测出。

看一看

利用晶体管图示仪观测二极管的伏安特性曲线（建议采用仿真演示）

实验现象

利用晶体管图示仪得到如图1-1-7所示二极管的正、反向伏安特性曲线。

二极管的伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分。如图1-1-7所示是利用晶体管图示仪得到的二极管正反向伏安特性曲线。

1.正向特性（见图1-1-7中OAB段）

（1）当二极管两端所加的正向电压由零开始增大时，在正向电压比较小的范围内，正向电流很小，二极管呈现很大的电阻，如图中OA段，通常把这个范围称为死区，相应的电压称为死区电压（又称阈值电压）。硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压为0.1～0.2V。

（2）外加电压超过死区电压以后，二极管呈现很小的电阻，正向电流ID迅速增加，这时二极管处于正向导通状态，图中AB段为导通区，此时二极管两端电压降变化不大，该电压值称为正向压降（或管压降），常温下硅二极管为0.6～0.7V，锗二极管为0.2～0.3V。

2.反向特性（见图1-1-7中OCD段）

（1）当给二极管加反向电压时，所形成的反向电流是很小的，而且在很大范围内基本不随反向电压的变化而变化，即保持恒定，如曲线OC段，称其为反向截止区，这个电流称为反向饱和电流。

（2）当反向电压大到一定数值（UBR）时，反向电流会急剧增大，如图中CD段，这种现象称为反向击穿，相应的电压称为反向击穿电压。正常使用二极管时（稳压二极管除外），是不允许出现这种现象的，因为击穿后电流过大将会损坏二极管。

不同的材料、结构和工艺制成的二极管，其伏安特性是有差别的，但伏安特性曲线的形状基本相似。

从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。

有时为了讨论方便，在一定条件下，可以把二极管的伏安特性理想化，即认为二极管的死区电压和导通电压都等于零，这样的二极管称为理想二极管。

五、二极管的主要参数

二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。各种参数都可从半导体器件手册中查出，下面只介绍几个二极管常用的参数。

1.最大整流电流IF

是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。当电流超过这个允许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。

2.最大反向工作电压URM（反向峰值电压）

是指二极管正常工作时所允许外加的最高反向电压。它是保证二极管不被击穿而得出的反向峰值电压，一般取反向击穿电压的一半左右作为二极管最高反向工作电压。

3.反向峰值电流IRM

是指在二极管上加反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明单向导电性能差，并且受温度的影响大。

六、认识二极管家族

1.二极管的种类划分

无论哪种类型二极管，虽然它们的工作特性有所不同，但是它们都具有PN结的单向导电特性。表1-1-2所示的是二极管的种类划分。

2.普通二极管

二极管的两根引脚有正、负极性之分，使用中如果接错，不仅不能起到正确的作用，甚至还会损坏二极管本身及电路中其他元器件。

二极管最基本的特征是单向导通特性，即流过二极管的实际电流只能从正极流向负极。利用这一特性，二极管可以构成整流电路等许多实用电路。

普通二极管（见图1-1-8）可以用于整流、限幅、检波等许多电路中。

3.稳压二极管

稳压二极管（见图1-1-9）用于直流稳压电路中，它也具有两根正、负引脚，也有一个PN结的结构，它应用于直流稳压电路中时，PN结处于击穿状态下，但不会烧坏PN结。稳压二极管常用VD表示。

注意：稳压二极管的电路符号与普通二极管电路符号有一点区别，可以由此来识别稳压二极管。

4.发光二极管

发光二极管（见图1-1-10）是一种在导通后能够发光的二极管，也具有PN结，有单向导电特性。为使发光二极管正常发光，发光二极管应正向偏置。

发光二极管具有体积小、功耗低、寿命长、外形美观、适应性能强等特点，广泛用于仪器、仪表、电器设备中做电源信号指示、音响设备调谐和电平指示、广告显示屏的文字、图形、符号显示等。红外线发光二极管（见图1-1-11）也是发光二极管中的一种，但是它发出的是红外线，主要用于各种红外遥控器中作为遥控发射器。

红外线发光二极管也有PN结的结构，有两根引脚，且有正、负极性之分。

发光二极管种类繁多，普通发光二极管用于各种指示器电路中，红外线发光二极管用于各类遥控器电路中。具体分类如图1-1-12所示。

5.光敏二极管

如图1-1-13所示为光敏二极管。

光敏二极管在反向偏置下并有光线照射时，光敏二极管导通；没有光线照射时，光敏二极管不导通。为使光敏二极管正常工作，光敏二极管应反向偏置。

光敏二极管在烟雾探测器、光电编码器及光电自动控制中作为光电信号接收转换用。

6.变容二极管

变容二极管（见图1-1-14）又称“可变电抗二极管”。PN结具有电容的特征和功能，叫做极闸电容或结电容。变容二极管是一种利用PN结电容（势垒电容）与其反向偏置电压uR的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、反向击穿电压、标称电容、电容变化范围（以pF为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用具有不同电容和反向击穿电压特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管，适用于参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。为使变容二极管正常工作，变容二极管应反向偏置。

用于自动频率控制（AFC）和调谐用的变容二极管，通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化。因此，广泛使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压uR变化，取代可变电容，用做调谐回路、振荡电路、锁相环电路，常用于电视机高频调谐器的频道转换和调谐电路。

技能训练

七、训练项目：使用万用表测量二极管

技能目标

1. 掌握万用表电阻挡的使用方法。

2. 掌握二极管极性的判别方法。

3. 能用万用表判别晶体二极管的质量优劣。

工具与仪器

万用表和各类二极管。

知识准备

1.万用表电阻挡的使用方法

万用表是装配和检修中最常见的仪表，初学者必须熟练掌握它的操作方法。万用表有数字式和指针式两种，如图1-1-15所示是这两种万用表的外形。数字式万用表的优点是指示直观，如直流电压挡显示“9”，说明直流电压为9V；而指针式万用表对元器件的检测却有独到之处，一些测量现象更能反映元器件的性能。例如，在测量频率较低的脉冲信号时，指针式万用表清晰地看到指针在来回摆动。

电阻挡用来测量电阻值，以及测量电路的通、断状态。

万用表转换开关置于“Ω”挡时，测量不同阻值时应使用不同挡位。

指针式万用表在测量电阻之前，我们首先要进行欧姆挡调零，也称“动态调零”。

指针式万用表欧姆挡调零方法和测量电阻方法如表1-1-3和表1-1-4所示。

2.使用万用表判别二极管极性

有的二极管从外壳的形状上可以区分电极；有的二极管的极性用二极管符号印在外壳上，箭头指向的一端为负极；还有的二极管用色环或色点来标识（靠近色环的一端是负极，有色点的一端是正极）。若标识脱落，可用万用表测其正反向电阻值来确定二极管的电极。测量时把万用表置于R×100挡或R×1k挡，不可用R×1挡或R×10k挡，前者电流太大，后者电压太高，有可能对二极管造成不利的影响。用万用表的黑表笔和红表笔分别与二极管两极相连。若测得电阻较小，与黑表笔相接的极为二极管正极，与红表笔相接的极为二极管负极；若测得电阻很大，与红表笔相接的极为二极管正极，与黑表笔相接的极为二极管负极。测量方法如图1-1-16所示。

3.判别二极管的优劣

二极管正、反向电阻的测量值相差愈大愈好，一般二极管的正向电阻测量值为几百欧姆，反向电阻为几十千欧姆到几百千欧姆。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路；若测量值均为零，则说明内部短路；若测得正、反向电阻几乎一样大，这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。

一般来说，硅二极管的正向电阻为几百到几千欧姆，锗管小于1kΩ，因此，如果正向电阻较小，基本上可以认为是锗管。若要更准确地知道二极管的材料，可将管子接入正偏电路中测其导通压降，若压降在0.6V～0.7V左右，则是硅管；若压降在0.2V～0.3V左右，则是锗管。当然，利用数字万用表的二极管挡，也可以很方便地知道二极管的材料。

4. 实训步骤

（1）按二极管的编号顺序逐个从外表标志判断各二极管的正负极。将结果填入表1-1-5中。

（2）再用万用表逐次检测二极管的极性，并将检测结果填入表1-1-5中。

5.课题考核评价表（见表1-1-6）

思考与练习

一、填空题

1.PN结具有____性，____偏置时导通；____偏置时截止。

2.半导体二极管2AP7是____半导体材料制成的，2CZ56是____半导体材料制成的。

3.光电二极管也称光敏二极管，它能将____信号转换为____信号，它有一个特殊的PN结，工作于____状态。

4.用万用表测量二极管的正向电阻时，应当将万用表的红表笔接二极管的____，将黑表笔接二极管的____极。

5.自然界中的物质，根据其导电性能的不同大体可分为____、____和____三大类。

6.在如图1-1-17所示电路中，____图的指示灯不会亮。

二、综合题

1.什么是N型半导体？什么是P型半导体？

2.怎样使用万用表判断二极管正、负极与好、坏？

3.二极管导通时，电流是从哪个电极流入？从哪个电极流出？

4.发光二极管、光敏二极管分别在什么偏置状态下工作？

5.在如图1-1-18所示的各个电路中，已知直流电压Ui=3V，电阻R=1kΩ，二极管的正向压降为0.7V，求Uo。

6.在用微安表组成的测量电路中，常用二极管来保护μA表头，以防直流电源极性接错或通过电流过大而损坏，电路图如图1-1-19所示。试分别说明图1-1-19（a）、（b）中二极管各起什么作用，说明原因。

7.在图1-1-20所示电路中，VD1、VD2为理想二极管，正偏导通时UD=0，反偏时可靠截止，Is=0，计算各回路中电流和UAB、UCD。

8.用万用表测量二极管的极性，如图1-1-21所示。

（1）为什么在阻值小的情况下，黑笔接的一端必定为二极管正极，红笔接的一端必定为二极管的负极？

（2）若将红、黑笔对调后，万用表指示将如何？

（3）若正向和反向电阻值均为无穷大，二极管性能如何？

（4）若正向和反向电阻值均为零，二极管性能如何？

（5）若正向和反向电阻值接近，二极管性能又如何？

课题2 整流电路的应用

相关知识

一、认识整流电路

电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路三种，倍压整流电路适用于负载电流很小的场合，例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号进行整流。

1.图解单相半波整流电路（见图1-2-1）

半波整流电路是电源电路中一种最简单的整流电路，它的电路结构最为简单，只用一只整流二极管。由于这一整流电路的输出电压只是利用了交流输入电压的半周，因此被称为半波整流电路。半波整流电路是各种整流电路的基础，掌握了这种整流电路工作原理的分析思路，便能分析其他的整流电路。

2.图解单相全波整流电路（见图1-2-2）

全波整流电路使用两只整流二极管构成一组全波整流电路，且要求电源变压器有中心抽头。全波整流电路的效率高于半波整流电路，因为交流输入电压的正、负半周都被作为输出电压输出了。本电路二极管极性不能接反，否则会烧毁二极管。

3.图解单相桥式整流电路（见图1-2-3）

单相桥式整流电路的变压器二次绕组不用设中心抽头，但要用四只整流二极管。从整流电路的输出电压波形中可以看出，通过桥式整流电路，可以将交流电压转换成单向脉动性的直流电压，这一电路作用同全波整流电路一样，也是将交流电压的负半周转到正半周来。

二、整流电路的工作原理

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路如图1-2-4所示。整流变压器将电压u1变为整流电路所需的电压u2，它的瞬时表达式为，波形如图1-2-5（a）所示。

看一看

实验现象

1）工作原理

设在交流电压正半周（0～t1），u2＞0，A端电位比B端电位高，二极管VD因加正向电压而导通，电流 IL的路径是A→VD→RL→B→A。注意到，忽略二极管正向压降时，A点电位与C点电位相等，则u2几乎全部加到负载RL上，RL上电流方向与电压极性如图1-2-4所示。

在交流电压负半周（t1～t2），u2＜0，A端电位比B端电位低，二极管VD承受反向电压而截止，u2几乎全部降落在二极管上，负载RL上的电压基本为零。

由此可见，在交流电一个周期内，二极管半个周期导通半个周期截止，以后周期性地重复上述过程，负载RL上电压和电流波形如图1-2-5（b）、（c）所示。

归纳

2）负载RL上的直流电压和电流的计算

依据数学推导或实验都可以证明，单相半波整流电路中，负载RL上的半波脉动直流电压平均值可按下式计算：

UL≈0.45U2

式中，U2为整流输入端的交流电压有效值。

为了便于计算，有时依据负载RL上的电压UL来求得整流变压器二次侧电压U2，这时，

流过负载RL的直流电流平均值IL可根据欧姆定律求出，即

3）整流二极管上的电流和最大反向电压

二极管导通后，流过二极管的平均电流IF与RL上流过的平均电流相等，即

由于二极管在 u2负半周时截止，承受全部 u2反向电压，所以二极管所承受的最大反向电压URM就是u2的峰值，即

整流二极管所承受的电压波形如图1-2-5（d）所示。

单相半波整流的特点是：电路简单，使用的器件少，但是输出电压脉动大。由于只利用了正弦半波，理论计算表明其整流效率仅40%左右，因此只能用于小功率以及对输出电压波形和整流效率要求不高的设备。

2.单相桥式整流电路

单相桥式整流电路如图1-2-6（a）所示。电路中四只二极管接成电桥形式，所以称为桥式整流电路，图1-2-6（b）为桥式整流电路的简化形式。

看一看

实验现象

1）工作原理

变压器二次绕组电压u2波形如图1-2-7（a）所示。设在交流电压正半周（0～t1），u2＞0，A点电位高于B点电位。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止，电流IL1通路是A→VD1→RL→VD3→B→A，如图1-2-8（a）所示。这时，负载RL上得到一个半波电压，如图1-2-7（b）中（0～t1）段。

在交流电压负半周（t1～t2），u2＜0，B点电位高于A点电位，二极管VD2、VD4正偏导通，二极管VD1、VD3反偏截止，电流IL2通路是B→VD2→RL→VD4→A→B，如图1-2-8（b）所示。同样，在负载RL上得到一个半波电压，如图1-2-7（b）中（t1～t2）段。

归纳

2）负载RL上直流电压和电流的计算

在单相桥式整流电路中，交流电在一个周期内的两个半波都有同方向的电流流过负载，

因此在同样的U2时，该电路输出的电流和电压均比半波整流大一倍。输出电压为：

UL≈0.9U2

依据负载RL上的电压UL求得整流变压器二次侧电压：

流过负载RL的直流电流平均值：

3）整流二极管上的电流和最大反向电压

在桥式整流电路中，由于每只二极管只有半周是导通的，所以流过每只二极管的平均电流只有负载电流的一半，即

要注意的是，在单相桥式整流电路中，每只二极管承受的最大反向电压也是u2的峰值，即

4）单相桥式整流电路二极管的正确装接

单相桥式整流电路二极管的极性不能接错，否则会烧毁二极管或变压器。其正确接法是：共阳端、共阴端接负载，其余两端接交流。

3.整流电路的作用

整流电路是电源电路中的核心部分，它的作用是将交流电压通过整流二极管转换成单向脉动性的直流电压，整流是将交流电压转换成直流电压过程中的关键一步。

无论什么类型的电源电路，都需要整流电路来完成交流电至直流电的转换。整流电路的类型比较少，但具体电路的变化比较多，电子电路中基本的整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

三、整流电路的应用

想一想

1.单相半波整流电路二极管的选择

在单相半波整流电路中，二极管中的电流等于输出电流，所以在选用二极管时，二极管的最大整流电流IF应大于负载电流IL。二极管的最高反向电压就是变压器二次侧电压的最大值。根据IF和URM的值，查阅半导体手册就可以选择到合适的二极管。

【例1-2-1】 某一直流负载，电阻为1.5kΩ，要求工作电流为10mA，如果采用半波整流电路，试求整流变压器二次绕组的电压值，并选择适当的整流二极管。

解：因为 UL=RLIL=1.5×103×10×10-3=15V

所以

流过二极管的平均电流为：

IF=IL=10mA

二极管承受的最大反向电压为：

根据以上参数，查晶体管手册，可选用一只额定整流电流为100mA，最高反向工作电压为50V的2CZ82B型整流二极管。

2.单相桥式整流电路中二极管的选择

【例1-2-2】 试设计一台输出电压为24V，输出电流为1A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二次绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。

解：（1）当采用半波整流电路时，变压器二次绕组电压有效值为：

整流二极管承受的最高反向电压为：

流过整流二极管的平均电流为：

I D =Io =1A

因此可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为3A，最高反向工作电压为200V。

（2）当采用桥式整流电路时，变压器二次绕组电压有效值为：

整流二极管承受的最高反向电压为：

流过整流二极管的平均电流为：

因此可选用4只2CZ11A整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。

变压器二次电流有效值为：

I 2 =1.11Io =1.11×1=1.11A

变压器的容量为：

S=U 2I2 =26.7 ×1.11=29.6VA

【例1-2-3】 有一直流负载，要求电压为Uo =36V，电流为Io=10A，采用图1-2-6所示的单相桥式整流电路。（1）试选用所需的整流元件；（2）若VD2因故损坏开路，求Uo和Io，并画出其波形；（3）若VD2短路，会出现什么情况？

解：（1）根据给定的条件Io =10A，整流元件所通过的电流

变压器二次绕组电压有效值

负载电阻RL=3.6Ω

整流元件所承受的最大反向电压

因此选用的整流元件，必须是额定整流电流大于5A，最高反向工作电压大于56V的二极管，可选用额定整流电流为10A，最高反向工作电压为100V的2CZ10型的整流二极管。

（2）当VD2开路时，只有VD1和VD2在正半周时导通，而负半周时，VD1、VD3均截止，VD4也因VD2开路而截止，故电路只有半周是导通的，相当于半波整流电路，输出为桥式整流电路输出电压、电流的一半。所以有

而流过二极管的电流ID和其最大反向电压URM与（1）中相同，输出uo和io波形如图1-2-9所示。

（3）当 VD2短路后，在正半周中电流的流向为A→VD1→VD3→B，一只二极管的导通压降只有0.6V，因此变压器二次电流迅速增加，容易烧坏变压器和二极管。

归纳

知识拓展

由此可见，半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。两管全波整流电路则需要变压器的二次绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。因此桥式整流电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。桥式整流电路的缺点是二极管用得较多。

技能训练

四、训练项目：整流电路的安装、调试与测量

技能目标

（1）掌握基本的手工焊接技术。

（2）能在万能印制电路板上进行合理布局布线。

（3）能正确安装整流电路，并对其进行安装、调试与测量。

工具、元件和仪器

（1）电烙铁等常用电子装配工具。

（2）变压器、整流二极管。

（3）万用表。

知识准备

1.焊接操作的正确姿势

掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，焊接时桌椅高度要适宜，挺胸、端坐，为减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应以30cm左右为宜。电烙铁的握法有三种，如图1-2-11所示。图1-2-11（a）为反握法，其特点是动作稳定，长时间操作不易疲劳，适用于大功率烙铁的操作；图1-2-11（b）为正握法，它适用于中功率烙铁操作；一般在印制板上焊接元器件时多采用握笔法如图1-2-11（c）所示。握笔法的特点是：焊接角度变更比较灵活机动，焊接不易疲劳。

焊锡丝一般有两种拿法，如图1-2-12所示。正拿法如图1-2-12（a）所示，它适宜连续焊接。图1-2-12（b）所示为握笔法.它适用于间断焊接。

电烙铁使用完毕，一定要稳妥地放在烙铁架上，并注意电缆线不要碰到烙铁头，以避免烫伤电缆线，造成漏电、触电等事故。

2.焊接操作的基本步骤

掌握好烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的焊接操作过程可以分为五个步骤，如图1-2-13所示。

（1）准备施焊。如图1-2-13（a）所示，左手拿焊锡丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。

（2）加热焊件。如图1-2-13（b）所示，烙铁头靠在焊件与焊盘之间的连接处，进行加热，时间约2s左右，对于在印制电路板上焊接元器件，要注意烙铁头同时接触焊盘和元件的引脚，元件引脚要与焊盘同时均匀受热。

（3）送入焊锡丝。如图1-2-13（c）所示，当焊件的焊接点被加热到一定温时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。尽量与烙铁头正面接触，以便焊锡熔化。

（4）移开焊锡丝。如图1-2-13（d）所示，当焊锡丝熔化一定量后立即向左上45°方向移开焊锡丝。

（5）移开烙铁。如图1-2-13（e）所示，当焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以形成焊件周围的合金层后，向右上45°方向移开烙铁。从第3步开始到第5步结束，时间大约2s左右。

对于热容量小的焊件，可以简化为三步操作。

① 准备：左手拿锡丝，右手握烙铁，进入备焊状态。

② 加热与送锡丝：烙铁头放置焊件处，立即送入焊锡丝。

③ 去丝移烙铁：焊锡在焊接面上扩散并形成合金层后同时移开电烙铁。

注意移去锡丝的时间不得滞后于移开烙铁的时间。

对于吸收低热量的焊件而言，上述整个过程不过2～4s，各步骤时间的节奏控制，顺序的准确掌握，动作的熟练协调，都是要通过大量实践并用心体会才能解决的问题。有人总结出了在五步操作法中用数秒的办法控制时间：烙铁接触焊点后数一、二（约2秒钟）送入焊丝后数三、四，移开烙铁，焊丝熔化量要靠观察决定。此办法可以参考，但由于烙铁功率、焊点热容量的差别等因素，实际掌握焊接火候并无定章可循，必须视具体条件具体对待。

3.万能印制电路板介绍

万能印制电路板，亦称通用板，是用单个焊盘或多孔焊盘组成的印制电路板。图1-2-14所示为单焊盘板。焊盘数的多少，根据需要而定。对初学者来说，用单焊盘板较方便，但其焊盘附着力低，反复焊接易脱落。在用万能印制电路板进行装配时，根据所设计的装配图或印制电路板图，把多个焊盘连焊成线作为印制导线。为节约焊料，也可用绝缘细导线作为焊盘间的连线，这样就可方便地把所要装配的电路，在万能印制电路板上完成装配。因其可灵活地根据设计者的意愿在印制电路板上进行装配，故称万能印制电路板。万能印制电路板为单面板，若单面印制电路不能完成任务，可在元器件面用绝缘导线或漆包线代作印制导线，穿过插孔在焊盘上焊接。

技能操作

1.电路原理图（见图1-2-15）

2.装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元器件预加工→万能电路板装配、焊接→总装加工→自检。

（1）准备：将工作台整理有序，工具摆放合理，准备好必要的物品。

（2）熟悉工艺要求：认真阅读电路原理图和工艺要求。

（3）绘制装配草图：绘制装配草图的要求和方法，如图1-2-16所示。

① 设计准备：熟悉电路原理、所用元器件的外形尺寸及封装形式。

② 按万能电路板实样1∶1在图纸上确定安装孔的位置。

③ 装配草图以导线面（焊接面）为视图方向；元器件水平或垂直放置，不可斜放；布局时应考虑元器件外形尺寸，避免安装时相互影响，疏密均匀；同时注意电路走向应基本和电路原理图一致，一般由输入端开始向输出端逐步确定元件位置，相关电路部分的元器件应就近安放，按一字排列，避免输入输出之间的影响；每个安装孔只能插一个元器件引脚。

④ 按电路原理图的连接关系布线，布线应做到横平竖直，导线不能交叉（确需交叉的导线可在元件下穿过）。

⑤ 检查绘制好的装配草图上的元器件数量、极性和连接关系应与电路原理图完全一致。

（4）清点元件：按表1-2-1配套明细表核对元件的数量和规格，应符合工艺要求，如有短缺、差错应及时补缺和更换。

（5）元件检测：用万用表的电阻挡对元器件进行逐一检测，对不符合质量要求的元器件剔除并更换。

（6）元件预加工。

（7）万能电路板装配工艺要求。

① 二极管均采用水平安装方式，紧贴板面。

② 所有焊点均采用直脚焊，焊接完成后剪去多余引脚，留头在焊面以上0.5～1mm，且不能损伤焊接面。

③ 万能接线板布线应正确、平直、转角处成直角、焊接可靠，无漏焊、短路现象。

基本方法：

a. 将导线理直。

b. 根据装配草图用导线进行布线，并与每个有元器件引脚的安装孔进行焊接。

c. 焊接可靠，剪去多余导线。

（8）总装加工：电源变压器用螺钉紧固在万能电路板的元件面，一次绕组的引出线向外，二次绕组的引出线向内，万能电路板的另外两个角上也固定两个螺钉，紧固件的螺母均安装在焊接面。电源线从万能电路板焊接面穿过打结孔后，在元件面打结，再与变压器一次绕组引出线焊接并完成绝缘恢复，变压器二次绕组引出线插入安装孔后焊接。

（9）自检：对已完成的装配、焊接的工件仔细检查质量，重点是装配的准确性，包括元件位置、电源变压器的绕组等；焊点质量应无虚焊、假焊、漏焊、搭焊及空隙、毛刺等；检查有无影响安全性能指标的缺陷；元件整形。实物图如图1-2-17所示。

3.调试、测量

将电路通电，使用万用表电压挡（交、直流）测量整流电路的输入、输出电压，并将测量结果记录在表1-2-2中。

4.课题考核评价表

思考与练习

一、填空题

1.整流电路是利用二极管的____，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压。

2.在单相全波整流电路中，所用整流二极管的数量是____只。

3.在整流电路中，设整流电流平均值为Io，则流过每只二极管的电流平均值ID = Io的电路是单相 整流电路。

4.整流电路如图1-2-18所示，变压器二次侧电压有效值为U2，二极管VD所承受的最高反向电压是。

5.整流电路如图1-2-19所示，输出电流平均值Io = 50 mA，则流过二极管的电流平均值ID是。

6.单相半波整流电路中，变压器二次侧电压有效值U2为25V，输出电流的平均值Io = 12mA，则二极管应选择。（见表1-2-4）

7.桥式整流电路中，已知 U2=10 V，若某一只二极管因虚焊造成开路时，输出电压Uo=____。

A.12V

B.4.5V

C.9V

8.在桥式整流电路中，（1）若U2=20 V，则输出电压直流平均值UL=____；

A.20V

B.18V

C.9V

（2）桥式整流电路由四只二极管组成，故流过每只二极管的电流为____；

A.IL/4

B.IL/2

C.IL

（3）每只二极管承受的最大反向电压URM为。

A.

B.

C.

9.在单相桥式整流电路中，若有一只整流管极性接反，则____。

A.输出电压约为2Uo

B.变为半波直流

C.整流管将因电流过大而烧坏

二、综合题

1.什么叫整流？整流电路主要需要什么元器件？

2.半波整流电路、桥式整流电路各有什么特点？

3.在题图1-2-20所示电路中，已知 RL=8kΩ，直流电压表V2的读数为110V，二极管的正向压降忽略不计，求：

（1）直流电流表A的读数；

（2）整流电流的最大值；

（3）交流电压表V1的读数。

4.设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？

5.在单相桥式整流电路（见图1-2-6）中，问（1）如果二极管 VD2接反，会出现什么现象？（2）如果输出端发生短路时，会发生什么情况？（3）如果VD1开路，又会出现什么现象？画出VD1开路时输出电压的波形。

6.在题图1-2-21所示电路中，已知输入电压ui为正弦波，试分析哪些电路可以为整流电路？哪些不能，为什么？应如何改正？

7.在单相桥式整流电路中，已知变压器二次侧电压有效值U2=60 V，RL=2kΩ，若不计二极管的正向导通压降和变压器的内阻，求：（1）输出电压平均值Uo；（2）通过变压器二次绕组的电流有效值I2；（3）确定二极管的ID、URM。

课题3 滤波电路的类型和应用

前提知识

1.电容器储能特性

理论上讲电容器不消耗电能，电容器中所充的电荷会储存在电容器中，只要外电路中不存在让电容器放电的条件（放电电路），电荷就一直储存在电容器中，电容器的这一特性称为储能特性。

2.电容两端电压不能突变的特性

许多电容电路分析中需要用到电容两端电压不能突变的特性，这是分析电容电路工作原理时的一个重要特性，也是一个难点。电容两端电压不能突变的特性理解非常困难，在电容电路的分析中这一特性的运用也很困难。电容是个储能元件。电容两端的电压变化是由电容极板上电荷的积累和释放决定的，电荷的转移是需要时间的，所以电压的变化也是需要时间的，不能突变。根据公式可知，电容器内部没有电荷时，电容两端的电压为0V；电容中电荷越多，电容两端的电压越大。当电容开始充放电的瞬间，电容两端的电压也不能发生突变。因为电容上的电荷量在充、放电时只能逐渐积累或释放，它是一个渐变的过程，因此其上的电压也只能是渐变而非突变。

3.电感线圈的储能特性

当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化，所以，流过电感的电流不能突变。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。

相关知识

一、认识滤波电路

单相半波和单相桥式整流电路，虽然都可以把交流电转换为直流电，但是所输出的都是脉动直流电压，其中含有较大的交流成分，因此这种不平滑的直流电仅能在电镀、电焊、蓄电池充电等要求不高的设备中使用，而对于有些仪器仪表及电气控制装置等，往往要求直流电压和电流比较平滑，因此必须把脉动的直流电变为平滑的直流电。保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的交流成分，这就是滤波。这样的电路叫做滤波电路（也叫滤波器）。滤波电路直接接在整流电路后面，它通常由电容器、电感器和电阻器按照一定的方式组合而成。

1.图解电容滤波电路（见图1-3-1）

2.图解电感滤波电路（见图1-3-2）

3.图解复式滤波电路（见图1-3-3）

二、滤波电路的工作原理及应用

1.电容滤波电路

1）电路结构

在桥式整流电路输出端并联一个电容量很大的电解电容器，就构成了它的滤波电路，如图1-3-4所示。

2）电容滤波工作原理

看一看

实验现象

单相桥式整流电路，在不接电容器C时，其输出电压波形如图1-3-5（a）所示。在接上电容器C后，当输入次级电压为正半周上升段期间，电容充电；当输入次级电压u2由正峰值开始下降后，电容开始放电，直到电容上的电压uC＜u2，电容又重新充电；当u2＜uC时，电容又开始放电，电容器C如此周而复始进行充放电，负载上便得到近似如图1-3-5（b）所示的锯齿波的输出电压。

从上面分析可知，电容滤波的特点是电源电压在一个周期内，电容器C充放电各两次。比较图1-3-5（a）和（b）可见，经电容器滤波后，输出电压就比较平滑了，交流成分大大减少，而且输出电压平均值得到提高，这就是滤波的作用。

归纳

3）基本参数

桥式整流电容滤波的负载上得到的输出电压为UL=1.2U2

桥式整流电容滤波输出端空载时的输出电压为UL=1.4U2

4）电路特点

在电容滤波电路中，RLC越大，电容C放电越慢，输出的直流电压就越大，滤波效果也越好，但是在采用大容量的滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大。电容滤波器只用于负载电流较小的场合。

注意

【例1-3-1】 在桥式整流电容滤波电路中，若负载电阻RL为240Ω，输出直流电压24V，试确定电源变压器二次侧电压，并选择整流二极管和滤波电容。

解：（1）电源变压器二次侧电压U2。

根据表1-3-2可知UL≈1.2U2，所以U2≈UL/1.2=24/1.2=20V

（2）整流二极管的选择。

负载电流：IL=UL/RL=24/240=0.1A

通过每只二极管的直流电流：IF=IL/2=0.1/2=50mA

每只二极管承受的最大反向电压：URM= U2≈1.41×20≈28V

查晶体管手册，可选用额定正向电流为100mA，最大反向电压为100V 的整流二极管2CZ82C。

（3）滤波电容的选择。

根据表1-3-1及IL=0.1A，可选用500μF电解电容器。

根据电容器耐压公式：UC≥ U2≈1.41×20≈28V

因此，可选用容量为500μF，耐压为50V的电解电容器。

2.电感滤波电路

当一些电气设备需要脉动小、输出电流大的直流电时，往往采用电感滤波电路，即在整流输出电路中串联带铁心的大电感线圈。这种线圈称为阻流圈，如图1-3-6（a）所示。

由于电感线圈的直流电阻很小，脉动电压中直流分量很容易通过电感线圈，几乎全部加到负载上；而电感线圈对交流的阻抗很大，因此脉动电压中交流分量很难通过电感线圈，大部分降落在电感线圈上。根据电磁感应原理，线圈通过变化的电流时，它的两端要产生自感电动势来阻碍电流变化，当整流输出电流增大时，它的抑制作用使电流只能缓慢上升；而整流输出电流减小时，它又使电流只能缓慢下降，这样就使得整流输出电流变化平缓，其输出电压的平滑性比电容滤波好，如图1-3-6（b）中所示。

一般来说，电感越大，滤波效果越好，但是电感太大的阻流圈其铜线直流电阻相应增加，铁心也需增大，结果使滤波器铜耗和铁耗均增加，成本上升，而且输出电流、电压下降。所以滤波电感常取几亨到几十亨。如果忽略电感线圈的铜阻，滤波电路输出电压为Uo≈0.9U2。

有的整流电路的负载是电动机线圈、继电器线圈等电感性负载，那就如同串入了一个电感滤波器一样，负载本身就能起到平滑脉动电流的作用，这时可以不另加滤波器。

3.复式滤波电路

复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器，通常有LC型、LCπ型、RCπ型几种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。

图1-3-7所示是LC型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动电压经过双重滤波，交流分量大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上的交流分量也很小，便可达到滤除交流成分的目的。

图1-3-8所示是LCπ型滤波电路，可看成是电容滤波和LC型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。由于LCπ型滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取C1＜C2，以减小浪涌电流。

图1-3-9所示是RCπ型滤波电路。在负载电流不大的情况下，为降低成本，缩小体积，减轻重量，选用电阻器R来代替电感器L。一般R取几十欧到几百欧。

当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数，如图1-3-10所示。

以上讨论了常见的几种滤波器，它们的特性不一，电容滤波、RCπ型滤波流过整流器件的电流是间断的脉冲形式，峰值较大，外特性较差，适用于小功率而且负载变化较小的设备；电感滤波、LC型滤波流经整流器件的电流平稳连续，无冲击现象，外特性较好，适用于大功率而且负载变化较大的设备；电子滤波只能在小电流情况中应用。

技能训练

三、训练项目：用示波器观测滤波电路输出波形

技能目标

（1）掌握基本的手工焊接技术。

（2）能熟练地在万能印制电路板上进行合理布局布线。

（3）能正确安装整流滤波电路，并对其进行安装、调试与测量。

（4）能熟练使用示波器观测波形。

装配工具和仪器

（1）电烙铁等常用电子装配工具。

（2）万用表。

（3）EM6520双踪示波器。

知识准备

1.示波器的使用方法介绍

1）EM6520双踪示波器面板结构介绍

EM6520双踪示波器面板外形如图1-3-11所示，面板按钮如表1-3-3所示。

2）测量方法

（1）测量前的检查和调整。

接通电源开关，电源指示灯亮，稍等一会儿，机器进行预热，屏幕中出现光迹，分别调节亮度旋钮和聚焦旋钮，使光迹的亮度适中、清晰，如图1-3-12所示。

在正常情况下，被显示波形的水平轴方向应与屏幕的水平刻度线平行，由于外界干扰等原因造成误差，可按下列步骤检查调整。

先预置仪器控制件，使屏幕获得一个扫描线；后调节垂直位移，看扫描基线与水平刻度线是否平行，如不平行，用起子调整前面板“轨迹旋转TRACE ROTATION”控制件。

（2）测量电压。

对被测信号峰—峰电压的测量步骤如下。

① 将信号输入至CH1或CH2插座，将垂直方式调至被选用的通道；

② 设置电压衰减器并观察波形，使被显示的波形幅度在5格左右，将衰减器微调顺时针旋足（校正位置）；

③ 调整触发电平，使波形稳定；

④ 调整扫描控制器，使波形稳定；

⑤ 调整垂直位移，使波形的底部在屏幕中某一水平坐标上（见图1-3-13A点所示）；

⑥ 调整水平位移，使波形的顶部在屏幕中央的垂直坐标上（见图1-3-13B点所示）；

⑦ 测量垂直方向A-B两点的格数；

⑧ 按公式计算被测信号的峰—峰值：

Up-p=垂直方向的格数×垂直偏转因数

例如：在图1-3-13中测出A-B两点的垂直格数为4.6格，用1∶1探头，垂直偏转因数为5V/DIV。则：Up-p=4.6×5=23（V）

（3）测量时间，如图1-3-14所示。

对一个波形中两点时间间隔的测量，可按下列步骤进行。

① 将被测信号接入CH1或CH2插座，设置垂直方式为被选用的通道；

② 调整触发电平使波形稳定显示；

③ 将扫描微调旋钮顺时针旋足（校正位置），调整扫速选择开关，使屏幕显示1～2个信号周期；

④ 分别调整垂直位移和水平位移，使波形中需测量的两点位于屏幕中央的水平刻度线上；

⑤ 测量两点间的水平距离，按公式计算出时间间隔：

例如：在图1-3-14中，测量C、D两点的水平距离为6格，扫描时间因数为2ms/DIV，水平扩展为×1，则

t=5格×2ms/DIV=10ms

在图1-3-14的例子中，A、B两点的时间间隔的测量结果即为该信号的周期（T），该信号的频率则为1/T。例如，测出该信号的周期为10ms，则该信号的频率为：

技能操作

1.电路原理图及工作原理分析

电路由变压器、整流电路、滤波电路组成，滤波后波形如图1-3-16所示。

整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的直流电压。

2.装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元器件预加工→万能电路板装配、焊接→总装加工→自检。

（1）准备：将工作台整理有序，工具摆放合理，准备好必要的物品。

（2）熟悉工艺要求：认真阅读电路原理图和工艺要求。

（3）绘制装配草图：绘制装配草图的要求和方法，如图1-3-17所示。

（4）清点元件：按表1-3-4配套明细表核对元件的数量和规格，应符合工艺要求，如有短缺、差错应及时补缺和更换。

（5）元件检测：用万用表的电阻挡对元器件进行逐一检测，对不符合质量要求的元器件剔除并更换。

（6）元件预加工。

（7）万能印制电路板装配工艺要求。

① 电阻、二极管均采用水平安装方式，高度紧贴印制板，色码方向一致。

② 电容采用垂直安装方式，高度要求为电容的底部离板8mm。

③ 发光二极管采用垂直安装方式，高度要求元件底部离板8mm。

④ 所有焊点均采用直脚焊，焊接完成后剪去多余引脚，留头在焊面以上0.5～1mm，且不能损伤焊接面。

⑤ 万能印制电路板布线应正确、平直、转角处成直角、焊接可靠，无漏焊、短路现象。

基本方法：

a. 将导线理直。

b. 根据装配草图用导线进行布线，并与每个有元器件引脚的安装孔进行焊接。

c. 焊接可靠，剪去多余导线。

（8）总装加工：电源变压器用螺钉紧固在万能电路板的元件面，一次侧绕组的引出线向外，二次侧绕组的引出线向内，万能电路板的另外两个角上也固定两个螺钉，紧固件的螺母均安装在焊接面。电源线从万能电路板焊接面穿过打结孔后，在元件面打结，再与变压器一次侧绕组引出线焊接并完成绝缘恢复，变压器二次侧绕组引出线插入安装孔后焊接。

（9）自检：对已完成的装配、焊接的工件仔细检查质量，重点是装配的准确性，包括元件位置、电源变压器的绕组等。实物图如图1-3-18所示。

3.调试、测量

（1）接通电源使用示波器，完成表1-3-5测量，绘制相应波形。

（2）改变电容C的容量，使用示波器测量其波形完成表1-3-6，并进行比较。

4.课题考核评价表

思考与练习

一、填空题

1.滤波的作用是将____直流电变为____直流电。

2.滤波电路通常由____、____和____按照一定的方式组合而成。

3.桥式整流电容滤波电路中，已知U2=10V，空载时其输出电压Uo=。

4.桥式整流电容滤波电路如图1-3-19所示，请回答下面的问题：

（1）S断开，UL=____；

（2）S断开，VD1的一端脱焊，UL=____；

（3）S闭合，UL=____；

（4）S闭合，URM=____；

（5）S闭合，RL开路，UL=____。

5.整流电路接入电容滤波器后，输出电压的直流成分____，交流成分____。

A.增大

B.减小

C.不变

二、综合题

1.什么叫滤波？常见的滤波电路有几种形式？

2.在图1-3-20中，试分析输入端a、b间输入交流电压时，通过R1、R2两电阻上的是交流电，还是直流电？

3.一个标有220V，100W的灯泡，把它接在单相半波整流电路上，求其消耗的功率为多少。

4.在单相半波和桥式整流电路中，加或不加滤波电容，二极管承受的反向工作电压有无差别？为什么？

5.电路如图1-3-22所示，设变压器次级电压有效值U2均为12V，求各电路的直流输出电压。

课题4 晶闸管及应用电路

相关知识

一、普通晶闸管及其应用

1.晶闸管的外形与符号

晶闸管又称可控硅，从外形上区别有螺栓式和平板式等。晶闸管的外形与电路图形符号如图1-4-1所示。晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极G。在图1-4-1（a）中带有螺栓的一端是阳极A，利用它和散热器固定，另一端是阴极K，细引线为门极G。在图1-4-1（b）中所示的大功率平板式晶闸管，其中间金属环连接出来的引线为门极，离门极较远的端面是阳极A，较近的端面是阴极K，安装时用两个散热器把平板式晶闸管夹在中间，以保证它具有较好的散热效果。塑封普通晶闸管的中间引脚为阳极，且多与自带散热片相连，如图1-4-1（c）所示。晶闸管的电路图形符号如图1-4-1（d）所示，文字符号为VT。

2.晶闸管的结构及导电特性

1）结构

不论哪种结构形式的晶闸管，管芯都由四层三端器件（P1 N1 P2 N2）和三端（A、G、K）引线构成。因此它有三个PN结J1，J2，J3，由最外层的P层和N层分别引出阳极和阴极，中间的P层引出门极，如图1-4-2所示。普通晶闸管不仅具有与硅整流二极管正向导通、反向截止相似的特性，更重要的是它的正向导通是可以控制的，起这种控制作用的就是门极的输入信号。

2）导电特性

单向晶闸管可以理解为一个受控制的二极管，由其符号可见，它也具有单向导电性，不同之处是除了应具有阳极与阴极之间的正向偏置电压外，还必须给控制极加一个足够大的控制电压，在这个控制电压作用下，晶闸管就会像二极管一样导通了，一旦晶闸管导通，控制电压即使取消，也不会影响其正向导通的工作状态。

看一看

实验现象

实验说明无控制信号时，指示灯均不亮，即晶闸管不导通（阻断）；当阳极、控制极均正偏时，指示灯亮，即晶闸管导通；若二者有一个反偏时指示灯不亮，即晶闸管不导通；指示灯亮后，如果撤掉控制电压，指示灯仍亮，即晶闸管仍然导通。

综上所述，可以得到如下结论：

① 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管的正向导通必须有一定的条件——阳极加正向电压，同时门极还必须加正向触发电压。

② 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，这就是晶闸管的半控特性。要使晶闸管关断，必须做到两点：一是将阳极电流减小到小于其维持电流IH，二是将阳极电压减小到零或使之反向。

3.晶闸管的应用

可控整流电路的作用就是把交流电能变换成电压大小可调的直流电能，而且其输出电压可以根据需要进行调节。可控整流有多种电路形式，如单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路等。当功率比较大时，常常采用三相交流电源组成三相半波或三相桥式可控整流电路。本节主要以单相电路为例来讨论其工作原理。

4.单相半波可控整流电路

1）电路结构

单向半波可控整流电路如图1-4-4所示。其中u2为交流电源变压器的次级电压，变压器TR起变换电压和电气隔离作用；Rd为电阻负载，其特点是：电压与电流成正比，两者波形相同。

2）工作原理

（1）两个重要概念。

① 触发延迟角：在晶闸管开始承受正向阳极电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通的电角度，用α 表示，称为触发角或控制角。

② 导通角：晶闸管在一个电源周期内处于通态的电角度，用θ 表示。

（2）工作原理分析。

晶闸管VT视为理想元件，当控制极未加控制电压时，晶闸管VT没有整流输出；当交流电压输入为正半周时，晶闸管VT承受正向电压，如果此时给控制极加上一个足够大的触发信号时，晶闸管VT就会导通，在负载上获得单向脉动整流输出电压；当交流电压经过零值时，流过晶闸管VT的电流小于维持电流，晶闸管VT便自行关断；当交流电压输入为负半周时，晶闸管VT因承受反向电压而保持关断状态，其工作波形如图1-4-5所示。具体情况如下：

0≤ωt≤α VT加正向阳极电压，但无触发脉冲，所以VT断开，回路无电流，负载两端电压ud=0，VT两端电压uT = u2。

α≤ωt＜π 门极加触发脉冲，VT导通，ud=u2，uT=0。

π≤ωt＜ 2π VT加反向阳极电压，因此，VT断开，ud=0，uT1=u2。

对单相半波电路而言，α+θ =π移相范围：π。

3）单相半波可控整流电路特点：

（1）VT的α 移相范围为180°。

（2）电路结构简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。

（3）只适用于小容量，重量轻等技术要求不高的场合。

5.单相桥式可控整流电路

在单相桥式整流电路中，把其中两个二极管换成晶闸管就组成单相半控桥式整流电路，晶闸管VT1、VT2的阴极接在一起称共阴极连接。即使Ug1、Ug2同时触发两管时，只能使阳极电位高的管子导通，导通后使另一管子承受反压而阻断。VD1、VD2的阳极接在一起称共阳极连接，总是阴极电位低的导通。

（1）电路结构（见图1-4-6）。

（2）工作原理（见图1-4-7）。

① 0～ωt1期间：四只管子均截止。

② ωt1～ π期间：VT1、VD2导通，电流1→VT1→Rd→VD2→2。

③ π～ωt2期间：四只管子均截止。

④ ωt2～2π期间：VT2、VD1导通，电流2→VT2→Rd→VD1→1。

由于单相全控桥整流电路并不比半控桥式整流电路优越，线路较复杂且费用大，所以一般均采用半控桥式整流电路。

二、特殊晶闸管及其应用

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

1.双向晶闸管

双向晶闸管（TRIAC）是由NPNPN五层半导体材料构成的，相当于两只普通晶闸管反相并联，它也有三个电极，分别是主电极T1、主电极T2和门极G。如图1-4-8所示是双向晶闸管的结构和等效电路，如图1-4-9所示是其电路图形符号。双向晶闸管可以双向导通，即门极加上正或负的触发电压，均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通。

双向晶闸管可广泛用于工业、交通、家电领域，实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光、台灯调光等多种功能。

2.门极关断晶闸管

门极关断晶闸管（GTO）（以P型门极为例）是由PNPN四层半导体材料构成的，其三个电极分别为阳极A、阴极K和门极G，如图1-4-10所示是其结构及电路图形符号。

门极关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳极A、阴极K两端为正向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向A→K。

在门极关断晶闸管导通状态，若在其门极G上加一个适当的负电压，则能使导通的晶闸管关断（普通晶闸管在靠门极正电压触发之后，撤掉触发电压也能维持导通，只有切断电源使正向电流低于维持电流或加上反向电压，才能使其关断）。

GTO在感应加热调节器、静止变频器、电力机车的电工设备等方面得到广泛应用，其发展方向是高频、高压、大电流。

3.光控晶闸管

光控晶闸管（LAT）俗称光控硅，内部由PNPN四层半导体材料构成，可等效为由两只晶体管和一只电容、一只光敏二极管组成的电路，如图1-4-11所示。

由于光控晶闸管的控制信号来自光的照射，故其只有阳极A和阴极K两个引出电极，门极为受光窗口（小功率晶闸管）或光导纤维、光缆等。

当在光控晶闸管的阳极A加上正向电压，阴极K上加负电压时，再用足够强的光照射一下其受光窗口，晶闸管即可导通。晶闸管受光触发导通后，即使光源消失也能维持导通，除非加在阳极A和阴极K之间的电压消失或极性改变，晶闸管才能关断。

光控晶闸管的触发光源有激光器、激光二极管和发光二极管等。

小功率光控晶闸管常应用于电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；也可用于继电器、自动控制等方面。大功率光控晶闸管主要用于高压直流输电。

4.逆导晶闸管

逆导晶闸管（RCT）俗称逆导可控硅，它在普通晶闸管的阳极A与阴极K之间反向并联了一只二极管（制作于同一管芯中）如图1-4-12所示。

逆导晶闸管较普通晶闸管的工作频率高，关断时间短，误动作小，可广泛应用于超声波电路、电磁灶、开关电源、电子镇流器、超导磁能储存系统等领域。

5.温控晶闸管

温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。

温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似（电路图形符号也与普通晶闸管相同），也是由PNPN半导体材料制成的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的PN结中注入了对温度极为敏感的成分（如氩离子），因此改变环境温度，即可改变其特性曲线。

在温控晶闸管的阳极A接上正电压，在阴极K接上负电压，在门极G和阳极A之间接入分流电阻，就可以使它在一定温度范围内（通常为-40～+130℃）起开关作用。温控晶闸管由断态到通态的转折电压随温度变化而改变，温度越高，转折电压值就越低。

思考与练习

一、填空题

1.硅晶体闸流管简称____，俗称____。2.晶闸管有三个电极____、____和____。

3.晶闸管是一种大功率半导体器件，它由____层硅管半导体组成，中间形成____个PN结。

4. 要使晶闸管关断，必须做到两点：一是____________，二是____________。

5.可控整流电路的作用就是把____变换成____。

6.单向半波可控整流电路的最大控制角为____，最大导通角为____。7.单相半波可控整流电路中VT的α 移相范围为。

7.光控晶闸管的触发光源有____、____和____等。

8.半控桥式整流电路由____只二极管和____只晶闸管组成。

二、综合题

1.晶闸管导通和关断的条件是什么？

2.单相半波可控整流电路的特点是什么？

3.由一个晶闸管组成的单相桥式可控整流电路如图1-4-13所示，设α=60°，试画出输出电压uo的波形。

4.晶闸管整流与二极管整流的主要区别是什么？