二極管及直流穩(wěn)壓電源

第5章二極管及直流穩(wěn)壓電源5.3半導(dǎo)體二極管5.4整流電路5.5濾波器5.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性5.6穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路本章要求：

一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕欢?、了解二極管和穩(wěn)壓管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會分析含有二極管的電路；四、理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算；

五、了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理。導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體——取決于特點舉例導(dǎo)體容易傳導(dǎo)電流如銅、鋁、銀等金屬絕緣體幾乎不傳導(dǎo)電流如塑料、陶瓷、橡皮、玻璃等半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。另具有光敏、熱敏及摻雜等特性如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等5.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性原子結(jié)構(gòu)5.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化(各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強一、本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)共價健共價鍵：兩個原子外層電子的共有軌道

Si

Si

Si

Si無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)自由電子空穴由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留下一個空位置，稱為空穴價電子自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。溫度一定時，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴的濃度加大。本征半導(dǎo)體中自由電子與空穴的濃度相同。產(chǎn)生電子空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，導(dǎo)電性很差。運載電荷的粒子稱為載流子。自由電子和空穴都稱為載流子(電子-空穴對)溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。

熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電載流子溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子1、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。磷（P）N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，自由電子濃度越高，導(dǎo)電性越強。N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子2、P型半導(dǎo)體硼（B）P型半導(dǎo)體中主要由空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時載流子的數(shù)目同時變化；少子與多子變化的數(shù)目相同，少子與多子濃度的變化不相同。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼續(xù)進行。物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體都存在這種現(xiàn)象。擴散運動空穴濃度高于N區(qū)自由電子濃度高于P區(qū)一、PN結(jié)的形成5.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成因電場作用所產(chǎn)生的少數(shù)載流子運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場（空間電荷區(qū)），從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。5.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦远?、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，多數(shù)載流子擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)，正向電阻很小。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正–+PN結(jié)加反向電壓截止：PN結(jié)變寬，阻止多數(shù)載流子擴散運動，有利于少數(shù)載流子漂移運動，形成反向漂移電流。由于電流很小，反向電阻很大，近似認為截止（OFF）。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－三、PN結(jié)伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

正向特性反向特性特點：非線性硅0.7V鍺0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿——可逆

電擊穿

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）思考題：無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外是否顯電性?(a.顯、b不顯)5.3

半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。二極管實質(zhì)是PN結(jié)，P型半導(dǎo)體為陽極、N型半導(dǎo)體為陰極。陰極陽極(

d

)符號D陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型5.3

半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二、伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降●外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通◆外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦哉蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c：非線性硅0.7V鍺0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。三、主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。小結(jié)：二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

四、二極管電路分析舉例(應(yīng)用)定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止★否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

◆分析方法：

將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若二極管V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若二極管V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止★若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。（二極管軟開關(guān)作用）理想模型導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0恒壓降模型電路如圖，求：UAB∵

V陽

=－6VV陰=－12V，∴V陽>V陰二極管導(dǎo)通★若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V★否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：分析思路：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。小結(jié)：二極管起鉗位作用D6V12V3kBAUAB+–分析思路：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12V∴UD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止?！锶艉雎怨軌航?，二極管可看作短路，則UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB小結(jié)：D2鉗位，D1隔離

BD16V12V3kAD2UAB+–（兩個二極管的陰極接在一起）ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。例3：ui18V二極管陰極電位為8V，ui與8V進行比較D8VRuoui++––8Vuo8V分析思路：分析之初認為二極管斷開小結(jié)：D限幅1.光電二極管------利用PN結(jié)的光敏性反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號2.發(fā)光二極管------利用發(fā)光材料

有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管五、其它類型二極管二極管的用途：(單向?qū)щ娦裕┿Q位、元件保護、限幅、開關(guān)、整流、檢波等小結(jié)二極管的伏安關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，加正向電壓時，產(chǎn)生擴散電流；加反向電壓時，產(chǎn)生漂移電流（數(shù)值很?。?。單向?qū)щ娞匦灾绷鞣€(wěn)壓電源5.4直流穩(wěn)壓電源—整流電路u4uou3u2u1220V&50Hz交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓將雙向脈動變單向脈動濾除交流成分，脈動程度減小將輸出電壓穩(wěn)定改變電壓幅值，不改變相位整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。分析時可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦砸?、單相半波整流電?.工作原理u正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形u負半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)

–++–aTrDuoubRLiouDOutOuoO

–++–aTrDuoubRLio4.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓

UDRM5.整流二極管的選擇平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時應(yīng)滿足：最大整流平均電流IOM

ID

最高反向工作電壓URWMUDRM

二、單相橋式整流電路2.工作原理

u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)－uouDttuuD1uD3

u

負半周，Vb>Va，二極管

D2、

D4

導(dǎo)通，D1、

D3

截止。RLuiouo1234ab

四只管子如何接？4.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓

UDRM每兩個二極管串聯(lián)導(dǎo)電半周每個二極管中流過的平均電流為I0/2電路整流電壓平均值Uo整流電流平均值Io流過每管電流平均值ID每管承受的最高反向電壓UDRM單向半波整流0.45UIo單向橋式整流0.9UIo/2例：試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時負載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

解：當(dāng)D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和D3導(dǎo)通，負載中有電流過，負載電壓uo=u；負半周時，D1和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，uo

=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoouo~uRLD2D4D1D3如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo~uRLD2D4D1D3小結(jié)PN結(jié)形成過程

——理解華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.清華大學(xué)出版社，20062.PN結(jié)形成后的特點—正向：導(dǎo)通

——掌握

反向：截止3.二極管電路分析—模型及分析方法

——掌握4.整流電路的作用及其電路結(jié)構(gòu)

——掌握

★交流脈動的直流

★單相半波整流

↓

單相橋式整流

（四個管的連接方式）整流電壓平均值Uo整流電流平均值Io流過每管電流平均值ID每管承受的最高反向電壓UDRM（與Uo反相）5.5

濾波器交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動較大的直流，含有較大的諧波成分濾波器作用：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?，達到平滑輸出電壓波形/改善脈動程度目的濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓（或通過電感中的電流）不能突變的特性方法：將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))

一、電容濾波器（半波整流）

1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理u>uC時，二極管導(dǎo)通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

u<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

+C

–++–aDuoubRLio3.工作波形二極管承受的最高反向電壓為（此時負載斷開）uoutOtOu>uCu＜uC電源電壓u與電容端電壓uc比較4.電容濾波電路的特點(1)輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數(shù)RLC有關(guān)RLC越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo

越大，波形越平滑整流輸出電壓近似估算取值：Uo

=1.0U

（單相半波）當(dāng)負載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓(2)外特性曲線有電容濾波1.4U無電容濾波0.45U

UooIO結(jié)論采用電容濾波時，輸出電壓受負載變化影響較大，即帶負載能力較差因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負載電流較小且負載變化較小的場合。(3)流過二極管的瞬時電流很大RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導(dǎo)通時間越短iD

的峰值電流越大(沖擊電流)iDtuotOO二、電容濾波器（橋式整流）整流輸出電壓近似估算取值：Uo

=1.2UuRLuo+–~+C輸出波形更加平緩，電壓值也有所增加，使用更多變壓器二次側(cè)電壓單相橋式整流電路輸出電壓電容濾波后的uo自己分析：二極管所承受的最高反向電壓是多少？例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率

f=50Hz，負載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo+–~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100m,UDRM=50V

例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo+–~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器三、電感電容濾波器1.電路結(jié)構(gòu)2.濾波原理直流分量:XL=0,L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上諧波分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時,線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。LC濾波適用于電流較大、輸出電壓脈動較小的場合，更適用于高頻L

uRLuo+–~+C在負載上得到比較平滑的直流電壓5.6

穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓★使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管是由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后，在一定的電流范圍內(nèi)兩端電壓基本不變，利用此特性，穩(wěn)定電壓。UIO進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流+_陽極陰極DZ3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓(5)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)(3)動態(tài)電阻(2)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(4)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)穩(wěn)壓工作區(qū)4.三個工作區(qū)◆當(dāng)穩(wěn)壓管工作在正向偏置時作為一個普通二極管使用方法在使用穩(wěn)壓管用來穩(wěn)定某一電壓UO時，穩(wěn)壓管必須電擊穿，且穩(wěn)壓管DZ并聯(lián)接在需穩(wěn)壓的部分電路兩端穩(wěn)壓管應(yīng)工作在反向擊穿區(qū)；為保證穩(wěn)壓管安全工作，應(yīng)串入限流電阻R。RLRDZuiUZUO+穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設(shè)備。

穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負載及環(huán)境溫度的變化無關(guān)。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

穩(wěn)壓電路是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分，也可以是一個獨立的電子部件。●穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZ設(shè)UI一定，負載RL變化（負載電流變化）UO

基本不變IR

(IRR)基本不變1.電路限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路RL(IO)IRIZUR

UO

(UZ

)+–UIR