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二极管及其应用电路

INFO

6. 二极管及其应用电路(建议4学时)

6.1 二极管基础

​ 6.1.1 二极管结构及其伏安特性

​ 6.1.2 二极管等效电路模型(包括简化、恒压降和小信号模型)

​ 6.1.3 齐纳二极管及其应用(伏安特性、主要参数及其应用电路)

6.2 二极管应用电路

​ 6.2.1 整流电路(包括半波、全波和桥式)

​ 6.2.2 限幅和钳位电路

​ 6.2.3 电压倍增器

​ 6.2.4 逻辑门(或门、与门)

TIP

  • 指数模型(根据电压求电流):
  • 指数模型(根据电流求电压):
    • 由此可推论:10倍电流变化对应60mV电压差
  • 小信号模型:二极管的小信号模型为电阻,其电导为 (写成电导形式是为了与后续三极管的小信号模型对应)
  • 二极管电路分析的假设验证方法
    • 假设二极管的状态为 on,则电压为 0 或 ,验证电流,电流只能从正流向负;
    • 假设二极管的状态为 off,则电流为 0,验证电压,电压只能是负端高于正端。

习题及参考解答

知识点1:二极管的结构与工作原理

1、[optional] 在常温下,杂质半导体中多数载流子主要由 ________ 而产生,而少数载流子由 ________ 产生。

杂质 (掺杂) 电离本征激发。

2、[optional] PN结加正向电压时,内电场方向与外加电场方向 ________ ,PN结宽度变 ________ 。

相反 窄

3、[optional] 半导体PN结有单向导电的特性表现为:PN结加 ________ 电压时导通,而加 ________ 电压时截止;构成稳压二极管时,要获得稳压作用,该PN结应该 ________ 偏置。

正向 反向 反向

4、二极管的正向电压变化 ________ 时,电流约变化 10 倍。

A. 20 mV B. 40 mV C. 60 mV D. 80 mV

C。 ,由二极管指数模型(根据电流求电压)推导可得

5、当稳压管在正常稳压工作时,其工作状态(两端施加的外部电压的特点)为 ________ 。

A. 反向偏置但不击穿 B. 正向偏置但不击穿

C. 反向偏置且被击穿 D. 正向偏置且被击穿

C。击穿,但非破坏性击穿。

6、稳压二极管处在稳压工作状态是工作在 ________ 。

A. 导通状态 B. 截止状态 C. 反向击穿状态 D. 任意状态

C。同上

7、所谓理想二极管,就是当其正偏时,其电阻为 ________ ;当其反偏时,其电阻为 ________ 。

0 无穷。正向导通,反向截止。

8、稳压二极管稳压和发光二极管发光时,它们分别工作在 ________ 。

A. 正向导通区、反向截止区 B. 反向截止区、正向导通区

C. 正向导通区、反向击穿区 D. 反向击穿区、正向导通区

D。稳压二极管根据定义工作于反向击穿区,发光二极管有较大电流,因此工作于正向导通区。

9、[optional] PN 结加反向电压时,内电场方向与外加电场方向 ________ (相同/相反),PN 结变 ________ (宽/窄)。

相同 宽

10、若温度不变,二极管加正向电压时,其动态电阻 随工作电流的增大而 ________ 。

A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 按对数规律变化

B。,

知识点2:二极管应用电路的分析计算

1、下图所示电路中稳压管的稳定电压 ,最小稳定电流 ,最大稳定电流

(1)分别计算 分别为 10 V、15 V 和 35 V 三种情况下输出电压 的值;

(2)若 时负载开路,则会出现什么现象?为什么?

7-2-1

(1) 只有当加在稳压管两端的电压大于其稳压值时,输出电压才为6V。

所以 当 时,

​ 当 时,

​ 当 时,

(2) 当负载开路时,,稳压管将被烧毁。

2、二极管整流电路主要有 ________ 整流、 ________ 整流和 ________ 整流三种类型。

半波 全波 桥式

3、在下图所示的串联型线性稳压电路中,若要求输出电压为 18 V,调整管压降为 6 V,采用桥式整流电容滤波,则电源变压器副边电压的有效值应选为 ________ 。

A. 6 V B. 18 V C. 20 V D. 24 V

7-2-3

C。【电源部分不作考试要求】【根据经验,一般选择合适RC值(3-5倍的半周期),使得滤波后的直流分量约为,其中 为变压器次级电压的有效值,忽略整流二极管的压降】;此题中,滤波后直流分量为24 V,所以变压器次级的有效值为20 V。

4、如下图所示的整流滤波电路,已知变压器副边电压有效值为 10 V,电容足够大。正常工作时,输出电压平均值 __________ ;负载电阻 开路时, __________ ;电容 开路时, __________ ;二极管 开路时, __________ 。

7-2-5

12 V 14 V 9 V 6 V。【电源部分不作考试要求】,分析见上题。

5、如右图所示电路,已知 ,二极管导通电压 ,输出电压 的最大值为 ________ ,最小值为 ________ 。

7-2-4

+1V - 1V。两个二极管均没有机会导通。

6、如下图所示电路,假设二极管和 3 V 齐纳二极管导通时的压降为 0 V,求 时输出电压 、输入电流 与输入电压 的关系。

7-2-6

时,二极管和齐纳二极管均正向导通,则

时,齐纳二极管截止,则

时,二极管截止,齐纳二极管工作在反向击穿区,则输出电压

输入电流

7、关于稳压器,以下哪个说法是正确的 ________ 。

A. 在电源电压波动时,可以提供恒定的输出电压;

B. 在负载变化时,可以提供恒定的输出电压;

C. 可以与整流器、滤波器配合工作;

D. 以上说法都对。

D。 根据稳压器的定义和实际电路实现,ABC均对

8、右图所示电路中,若流经二极管电流为 1 mA,其两端的电压降约为 0.7 V,现假设电阻 R = 10 kΩ,那么流经该电阻的 = ________ mA;若 10 V 供电电压上附加有 50 Hz、峰值 1 V 的干扰电压信号,那么该干扰信号在输出端表现为频率 50 Hz、电压峰值 ________ mV 的交变信号。( ≈ 25 mV )

7-2-8

0.93 2.68。,再分压可得。

9、采用恒压降模型()分析下方二极管电路,画出输入输出特性曲线(,图中必须标注线段的斜率和端点坐标)。

7-2-9
解-7-2-9

10、采用恒压降模型()分析下方二极管电路,画出输入输出特性曲线(,图中必须标注线段的斜率和端点坐标)。

7-2-11
解-7-2-11

11、已知二极管的导通电压为 0.7 V,常温下 ≈ 25 mV,问在下图中,当输入 为有效值是 10 mV 的正弦波小信号时,试求二极管中流过的交流电流的有效值是 ________ 。

7-2-10

2 mA。二极管的直流电流为5.7mA,因此小信号电阻为 ,故电流有效值为 2 mA。

12、假设下图所示二极管是理想的,下列所述正确的是 ________ 。

7-2-12

A. 均截止 B. 导通, 截止

C. 截止, 导通 D. 均导通

C。二极管负极处电压高于0V。

13、二极管电路下图所示,二极管的工作状态是 ________。

A. 导通, 导通 B. 导通, 截止

C. 截止, 导通 D. 截止, 截止

7-2-13

B。假设最下面节点电压为15 V,则D1正极处为15V,D2正极处为0V,R1和V2连接节点为3V,因此D1导通,D2截止。

14、若桥式整流电路的交流输入电压有效值为 10 V ,则其中每个二极管的反峰电压约为 ________ (二极管的压降恒定为 0.7 V )。

13.44 V。最大反向电压被两个二极管平摊,

15、下图所示为将交流电转换成直流电的电源,其中 A、B、C 三个主要组成部分分别是 ________ 、 ________ 和稳压器。

7-2-15

整流器 滤波器

16、分析下图所示电路,已知二极管 的反向饱和电流是二极管 的 10 倍,求电压 ;若要求 ,则需要调整电流源 为何值。(取

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​ 设 的反向饱和电流为

​ 对于

​ 对于

​ 两式相除,

17、如下图所示电路中,输入电压 ,限流电阻 ,稳压管 具有下列特性:稳定电压 ,允许最大耗散功率 ,稳压管电流小于 时不能稳压,且动态电阻不大于

(1) 当 ,求电流

(2) 当电源电压 时,输出电压 最多变化几伏?

(3) 在输入电压 和负载电阻 变化至何值时稳压管功耗最大?其值是否已超过其允许值?( 的变化范围不超过 可任意变化。)

7-2-18

(1)

(2)

(3) 当 变化 +20% 和 时稳压管的功耗最大。

,超过允许的最大耗散功率。

18、下图所示为包含理想二极管的电路及其输入信号曲线,则输出信号曲线应为 ________ 。

7-2-19解-7-2-19

D。正负周期均导通,且电阻分压导致最大峰值电压为5V

19、在桥式整流电源电路中,滤波电容的电容值不能选择过大,主要原因是 ________ 。

A. 大电容不安全 B. 通过二极管的整流电流太大

C. 充电时间太长 D. 滤波输出电压平均值增大过多

B。当电容值过大时,充放电电流会增大。在整流电路的电源刚刚开启时,大电容将如同短路一般,导致瞬间流过大电流,这可能损坏整流桥或保险管。

20、如下图所示电路,已知集成二极管导通时的压降 ,取 ,则电源电压 变化时 时,输出电压 的变化量约为 ________ 。

7-2-21

11.1 mV。二极管的直流电流为6mA,因此 ,再分压可得。

21、在线性直流电源中,由理想二极管组成桥式整流电路,在没有加入滤波电容时,二极管的导通角 ________ 180°;加入滤波电容后,二极管的导通角 ________180°。

A. =, < B. =, > C. <, > D. >, <

A。忽略二极管导通压降,无滤波电容时,二极管半周期导通;加入滤波电容后,仅充电时二极管导通,小于半周期。有滤波电容时的导通角参考下图

image-20240107131254708

22、假设二极管的导通电压 为 0.7 V,则下图所示电路中节点 A 的电压 等于 ________ ,支路电流 等于 ________ 。

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-5.3 V 1.295 mA。先计算 A 点电压,再对 A 点 KCL。