電工學(xué)-第8章直流穩(wěn)壓電源

1、1第 8 章 直流穩(wěn)壓電源 下一章下一章 上一章上一章 返回主頁(yè)返回主頁(yè) 28.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。 物質(zhì)按導(dǎo)電能力劃分：物質(zhì)按導(dǎo)電能力劃分： 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能： 價(jià)電子參與導(dǎo)電、價(jià)電子參與導(dǎo)電、 摻雜增強(qiáng)導(dǎo)電能力、摻雜增強(qiáng)導(dǎo)電能力、 熱敏特性、光敏特性。熱敏特性、光敏特性。 是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 3 在絕對(duì)零度時(shí)，不導(dǎo)電。在絕對(duì)零度時(shí)，不導(dǎo)電。 溫度（或光照）溫度（或光照） 價(jià)電子獲得能量：價(jià)電子獲得能量： 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。本征激發(fā)產(chǎn)生自由電

2、子和空穴對(duì)。 自由電子和空穴均參與導(dǎo)電，自由電子和空穴均參與導(dǎo)電， 統(tǒng)稱(chēng)為載流子。統(tǒng)稱(chēng)為載流子。 溫度溫度 載流子的濃度載流子的濃度 導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 。 自由電子釋放能量跳回共價(jià)鍵自由電子釋放能量跳回共價(jià)鍵 復(fù)合。復(fù)合。 本征半導(dǎo)體載流子濃度較低，導(dǎo)電能力較弱。本征半導(dǎo)體載流子濃度較低，導(dǎo)電能力較弱。 4 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì) 使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。 (1) 摻入五價(jià)的雜質(zhì)元素?fù)饺胛鍍r(jià)的雜質(zhì)元素 （磷周?chē)形鍌€(gè)價(jià)電子）（磷周?chē)形鍌€(gè)價(jià)電子） 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度。空穴的濃度。

3、 自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。 稱(chēng)這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為稱(chēng)這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 N 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 (2) 摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素（硼周?chē)腥齻€(gè)價(jià)電子）摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素（硼周?chē)腥齻€(gè)價(jià)電子） 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度?？昭ǖ臐舛取?空穴為多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。空穴為多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。 稱(chēng)這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為稱(chēng)這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 P 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。5 雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 空間電荷空間電荷 6擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 多數(shù)載流

4、子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動(dòng)。多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動(dòng)。 7 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN 結(jié)結(jié) 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，使 PN 結(jié)加結(jié)加 寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)越難以進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)越難以進(jìn)行。 內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)越易于進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)越易于進(jìn)行。8 漂移運(yùn)動(dòng)：漂移運(yùn)動(dòng)： 少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)。少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)。 漂移運(yùn)動(dòng)使漂移運(yùn)動(dòng)使 PN 結(jié)變薄，內(nèi)電場(chǎng)削弱。結(jié)變薄，內(nèi)電場(chǎng)削弱。 內(nèi)電場(chǎng)削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，內(nèi)電場(chǎng)削弱，又有利于

5、多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)9 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少數(shù)載流子的漂移運(yùn)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少數(shù)載流子的漂移運(yùn) 動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 平衡的平衡的 PN 結(jié)。結(jié)。內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)10(1) 正向偏置正向偏置 (2) 反向偏置反向偏置 R N 外電場(chǎng)外電場(chǎng) N R 外電場(chǎng)外電場(chǎng) 正向?qū)ㄕ驅(qū)?I反向截止反向截止 I0 主要特性：主要特性： 單向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴?118.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 N 陽(yáng)極陽(yáng)極 陰極陰極 (1) 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)按結(jié)構(gòu)分類(lèi) 點(diǎn)接觸型、面接觸型。點(diǎn)接觸型、面接觸型。 (2) 按材料分類(lèi)

6、按材料分類(lèi) 硅管、鍺管。硅管、鍺管。 (3) 按用途不同分類(lèi)按用途不同分類(lèi) 普通管、整流管、開(kāi)關(guān)管等。普通管、整流管、開(kāi)關(guān)管等。 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 12U/V I/mA O 反向反向 特性特性 正向正向 特性特性 死區(qū)死區(qū) 死區(qū)電壓死區(qū)電壓 Uth ： 硅管硅管 0.5 V 鍺管鍺管 0.1 V 導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降 UD ： 硅管硅管 0.6 0.7V 鍺管鍺管 0.2 0.3V UDUBR IR 鍺管鍺管 硅管硅管 13UDU I OU I O(1) 額定正向平均電流（最大整流電流）額定正向平均電流（最大整流電流）IF (2) 正向壓降正向壓降 UF (3) 最高反向工作電壓最高反向工作

7、電壓 UR 一般規(guī)定為反向擊穿電壓的一般規(guī)定為反向擊穿電壓的 1/2 或或 1/3。 (4) 最大反向電流最大反向電流 IRm 14 作用：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。作用：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。 R E D 光電二極管電路光電二極管電路 R E D 發(fā)光二極管電路發(fā)光二極管電路 作用：將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。作用：將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。 發(fā)光的顏色取決于制造材料。發(fā)光的顏色取決于制造材料。 15 作用：作用： 電氣隔離；電氣隔離； 抗干擾；抗干擾； 系統(tǒng)保護(hù)。系統(tǒng)保護(hù)。 輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路168.3 直流穩(wěn)壓電源的組成直

8、流穩(wěn)壓電源的組成 大小不合大小不合適的交流適的交流大小大小合適合適的交流的交流交流交流 電源電源 脈動(dòng)脈動(dòng)直流直流不穩(wěn)定不穩(wěn)定的直流的直流穩(wěn)定穩(wěn)定直流直流直流直流負(fù)載負(fù)載濾波濾波電路電路電源變電源變 壓器壓器 整流整流 電路電路 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路17電源變電源變壓器壓器將市電變換為整流所需的將市電變換為整流所需的 交流電壓交流電壓 整流整流電路電路將交流電變換為方向不變將交流電變換為方向不變 的脈動(dòng)直流電的脈動(dòng)直流電 濾波濾波電路電路將脈動(dòng)直流電變換為平滑將脈動(dòng)直流電變換為平滑 的直流電壓的直流電壓 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換將不穩(wěn)定的直流電壓變換 為穩(wěn)定直流電壓為穩(wěn)定直流電壓 1

9、8+- -uOabTr +- -u2+- -u1RL iOD1 D3D2 D4 u2 正半周，正半周，D1 和和 D3 導(dǎo)通，導(dǎo)通， uO= u2 ；電流通路：電流通路：a D1 RL D3 b 。 u2 負(fù)半周，負(fù)半周，D2 和和 D4 導(dǎo)通，導(dǎo)通， uO=u2 ；電流通路：電流通路：b D2 RL D4 a 。19 uO D4 D3 D1 D2RLu2u2tOuOiOtO201. 負(fù)載直流電壓負(fù)載直流電壓 UO = 0.9U2 2. 負(fù)載直流電流負(fù)載直流電流 3. 二極管平均電流二極管平均電流 4. 二極管反向電壓二極管反向電壓 UO= 2 U2sin td( t)1 0 = U2 2 2

10、 IO=UO RLID= IO 12URm= 2 U2 IFIDURURm21 例例8.4.1 一橋式整流電路，已知負(fù)載電阻一橋式整流電路，已知負(fù)載電阻 RL=240 ，負(fù)載所需直流電壓，負(fù)載所需直流電壓 = 12 V，電源變壓器一次電壓，電源變壓器一次電壓 U1 = 220 V。試求。試求該電路正常工作時(shí)的負(fù)載電流該電路正常工作時(shí)的負(fù)載電流 、二極管、二極管平均電流平均電流 ID 和變壓器的電壓比和變壓器的電壓比 k。 解解 負(fù)載直流電流負(fù)載直流電流 IO=UORL= A = 0.05 A12240ID= IO = 0.05 A = 0.025 A 1 21 2二極管平均電流二極管平均電流

11、變壓器的二次電壓變壓器的二次電壓 U2= = V = 13.33 V Uo0.9 12 0.9變壓器的電壓比變壓器的電壓比k = = = 16.5 U2 U1 220 13.33 228.5 濾濾 波波 電電 路路 一、電容濾波電路一、電容濾波電路 C uO RLu2u1 uOt O2 U2 電容放電電容放電 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)， 電容被充電儲(chǔ)能。電容被充電儲(chǔ)能。 當(dāng)二極管截止時(shí)，當(dāng)二極管截止時(shí)， 電容放電。電容放電。 濾波電容的選擇：濾波電容的選擇： C(3 5) T2RL=1.52.52RLf23 UCN =2 U2 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值: UO = 1.2 U2（

12、全波）（全波） 空載輸出直流電壓空載輸出直流電壓: 濾波電容的耐壓：濾波電容的耐壓： UCN2 U2 24 例例8.5.1 一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率率 f = 50 Hz ，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻 RL=100 ，輸，輸 出直流電壓出直流電壓 UO = 30 V 。試求。試求： (1) 選擇整流二極管；選擇整流二極管；(2) 選擇濾波電容選擇濾波電容器；器；(3) 負(fù)載電阻負(fù)載電阻 斷路時(shí)的輸出電壓斷路時(shí)的輸出電壓UO ；(4) 電容斷路電容斷路時(shí)的輸出電壓時(shí)的輸出電壓UO。解解 (1) 選擇整流二極管選擇整流二極管IO=UORL= A = 0.3

13、 A30100U2=UO1.230 1.2= 25 V=URm= 2 U2 = 2 25 V =35.4 VID= IO = 0.3 A = 0.15 A1 21 225查附錄，選用查附錄，選用 2CZ53B 4 個(gè)個(gè) （IF=300mA，UR=50V）。）。(2) 選擇濾波電容器選擇濾波電容器C1.52.5 RLf1.52.510050 = (300500)FFUCN= 2 25 V =35.4 V 2 U2 (3) 負(fù)載電阻斷路時(shí)負(fù)載電阻斷路時(shí)UO= 2 U2 = 2 25 V = 35.4 V (4) 電容斷路時(shí)電容斷路時(shí)UO = 0.9U2 = 0.925 V = 22.5 V IF2

14、ID = 20.15A = 0.3 A， URURm=34.5 V26一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管 又稱(chēng)為齊納二極管。又稱(chēng)為齊納二極管。 為面結(jié)型硅二極管。為面結(jié)型硅二極管。反向反向特性特性正向正向特性特性 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 反向擊穿電壓小；反向擊穿電壓??； 反向擊穿特性陡。反向擊穿特性陡。 擊穿擊穿 電壓電壓 UZ IZmax U/V I/mA OIZmin 8.6 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路27 解解 (1) Ui10 V 時(shí)時(shí) DZ 反向擊穿穩(wěn)壓：反向擊穿穩(wěn)壓：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 時(shí)時(shí)DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V

15、時(shí)時(shí)DZ 正向?qū)ǎ赫驅(qū)ǎ篣O= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 時(shí)時(shí) 當(dāng)當(dāng) 0ui5 V 時(shí)，時(shí)，DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 10sin t V。 當(dāng)當(dāng) ui5 V 時(shí)，時(shí)，DZ 反向擊穿穩(wěn)壓：反向擊穿穩(wěn)壓： 例例8.6.1 如圖所示電路，設(shè)如圖所示電路，設(shè) UZ = 5 V，正向壓降，正向壓降 忽略不計(jì)。當(dāng)直流輸入忽略不計(jì)。當(dāng)直流輸入U(xiǎn)i = 10 V、3 V、5 V 時(shí)，時(shí)，Uo= ？當(dāng)輸入為交流當(dāng)輸入為交流 ui = 10sin t V 時(shí)，分析時(shí)，分析 uO的波形。的波形。 R DZ UiUO5 t uO/V O 2 3 UO = UZ = 5

16、V 。當(dāng)當(dāng) ui0 V 時(shí)，時(shí)，DZ 正向?qū)ǎ赫驅(qū)ǎ篣O= 0 V。 28二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路+- -u2+- -u1CUi RLUO IIOR DZIZ穩(wěn)壓過(guò)程：穩(wěn)壓過(guò)程： UO IZ I IR UO 29 分為線(xiàn)性集成穩(wěn)壓電路和開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓電路。分為線(xiàn)性集成穩(wěn)壓電路和開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓電路。 CW7800 系列正電壓穩(wěn)壓器。系列正電壓穩(wěn)壓器。 CW7900 系列負(fù)電壓穩(wěn)壓器。系列負(fù)電壓穩(wěn)壓器。 1 3 2 輸出電壓規(guī)格：輸出電壓規(guī)格： 5V, 6V, 8V, 9V, 12V, 15V 30 CW7800 接線(xiàn)圖接線(xiàn)圖 +- -u2+- -u1CRL UO 7800 CiCo 1 2 3 31 CW7900 接線(xiàn)圖接線(xiàn)圖 +- -u2+- -u1CRL UO 7900 CiCo 3 2 1 32 同時(shí)輸出正負(fù)兩組電壓的接線(xiàn)圖同時(shí)輸出正負(fù)兩組電壓的接線(xiàn)圖5 V 5 V CW7805Ci1 2 3 CW79051 2 Co 3 Ui CiCoUO33*3. 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 類(lèi)型：類(lèi)型： C