二極管及直流穩(wěn)壓電路演示文稿

二極管及直流穩(wěn)壓電路演示文稿本文檔共47頁；當前第1頁；編輯于星期一\8點58分優(yōu)選二極管及直流穩(wěn)壓電路本文檔共47頁；當前第2頁；編輯于星期一\8點58分第6章二極管及直流穩(wěn)壓電路本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；二、了解二極管、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)壓電路的工作原理。

本文檔共47頁；當前第3頁；編輯于星期一\8點58分6.1

半導體的基本知識半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強本文檔共47頁；當前第4頁；編輯于星期一\8點58分

本征半導體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子本文檔共47頁；當前第5頁；編輯于星期一\8點58分

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子，同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。本文檔共47頁；當前第6頁；編輯于星期一\8點58分本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高,載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。本文檔共47頁；當前第7頁；編輯于星期一\8點58分6.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。本文檔共47頁；當前第8頁；編輯于星期一\8點58分6.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。本文檔共47頁；當前第9頁；編輯于星期一\8點58分

1.在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

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

3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba本文檔共47頁；當前第10頁；編輯于星期一\8點58分6.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)本文檔共47頁；當前第11頁；編輯于星期一\8點58分2.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)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–本文檔共47頁；當前第12頁；編輯于星期一\8點58分(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+本文檔共47頁；當前第13頁；編輯于星期一\8點58分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接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－本文檔共47頁；當前第14頁；編輯于星期一\8點58分6.2

半導體二極管6.2.1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。本文檔共47頁；當前第15頁；編輯于星期一\8點58分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

)面接觸型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號6.2

半導體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D本文檔共47頁；當前第16頁；編輯于星期一\8點58分6.2.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI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)。本文檔共47頁；當前第17頁；編輯于星期一\8點58分6.2.3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?，甚至過熱而燒壞。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。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。本文檔共47頁；當前第18頁；編輯于星期一\8點58分二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（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?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。本文檔共47頁；當前第19頁；編輯于星期一\8點58分

6.2.4二極管的應用定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，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V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若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于斷開。本文檔共47頁；當前第20頁；編輯于星期一\8點58分電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，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：

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。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–本文檔共47頁；當前第21頁；編輯于星期一\8點58分兩個二極管的陰極接在一起取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=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–本文檔共47頁；當前第22頁；編輯于星期一\8點58分ui>8V，二極管導通，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。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––本文檔共47頁；當前第23頁；編輯于星期一\8點58分6.3

穩(wěn)壓二極管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)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO本文檔共47頁；當前第24頁；編輯于星期一\8點58分3.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。(2)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(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。本文檔共47頁；當前第25頁；編輯于星期一\8點58分6.4整流、濾波及穩(wěn)壓電路小功率直流穩(wěn)壓電源的組成:功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓本文檔共47頁；當前第26頁；編輯于星期一\8點58分

單相小功率整流電路整流電路的作用:

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娦员疚臋n共47頁；當前第27頁；編輯于星期一\8點58分uDO1.單相半波整流電路

2）

工作原理

u

正半周，Va>Vb，二極管D導通；3）

工作波形

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。

1）

電路結(jié)構(gòu)

–++–aTrDuoubRLioutOuoO本文檔共47頁；當前第28頁；編輯于星期一\8點58分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(5)變壓器副邊電流有效值I本文檔共47頁；當前第29頁；編輯于星期一\8點58分5）

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)。選管時應滿足：

IOM

ID

，URWMUDRM

半波整流電路的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少。缺點：只利用了電源的半個周期，所以電源利用率低，輸出的直流成分比較低；輸出波形的脈動大；變壓器電流含有直流成分，容易飽和。故半波整流只用在要求不高，輸出電流較小的場合。本文檔共47頁；當前第30頁；編輯于星期一\8點58分2.單相橋式整流電路2）工作原理

u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導通，D2、D4

截止。3）工作波形uD2uD41）電路結(jié)構(gòu)－uouDttRLuiouo1234ab+

–+

–－u本文檔共47頁；當前第31頁；編輯于星期一\8點58分2.單相橋式整流電路2）工作原理3）工作波形uD2uD41）電路結(jié)構(gòu)RLuiouo1234ab+

–+

–u

正半周，Va>Vb，二極管1、3導通，2、4截止。

u

負半周，Va<Vb，二極管2、4導通，1、3截止。uouDttuD1uD3－－u本文檔共47頁；當前第32頁；編輯于星期一\8點58分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(5)變壓器副邊電流有效值I本文檔共47頁；當前第33頁；編輯于星期一\8點58分

(1)輸出直流電壓高；

(2)脈動較??；

(3)二極管承受的最大反向電壓較低；

(4)電源變壓器得到充分利用。目前，半導體器件廠已將整流二極管封裝在一起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可靠性，使用起來非常方便。橋式整流電路的優(yōu)點：本文檔共47頁；當前第34頁；編輯于星期一\8點58分解：變壓器副邊電壓有效值例1單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負載電阻RL=50，負載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。流過每只二極管電流平均值每只二極管承受的最高反向電壓整流電流的平均值考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降，變壓器副邊電壓一般應高出5%~10%，即取

U=1.1111122V本文檔共47頁；當前第35頁；編輯于星期一\8點58分例1單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負載電阻RL=50，負載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U

122V，可選用二極管2CZ55E，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。本文檔共47頁；當前第36頁；編輯于星期一\8點58分例2

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？

uo+_~u+_RLD2D4

D1D3解當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

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo本文檔共47頁；當前第37頁；編輯于星期一\8點58分

如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導通，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+_~u+_RLD2D4

D1

D3本文檔共47頁；當前第38頁；編輯于星期一\8點58分

濾波電路

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。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,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))。本文檔共47頁；當前第39頁；編輯于星期一\8點58分

1.電容濾波電路

1）電路結(jié)構(gòu)2）工作原理

u>uC時，二極管導通，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

。+Cici

–++–aDuoubRLio=uC

3）工作波形二極管承受的最高反向電壓為。uoutOtO本文檔共47頁；當前第40頁；編輯于星期一\8點58分4）電容濾波電路的特點(T—電源電壓的周期)(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。近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當負載RL開路時，為了得到比較平直的輸出電壓本文檔共47頁；當前第41頁；編輯于星期一\8點58分(2)外特性曲線0.45U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選管時一般?。篒OM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導通時間越短iD

的峰值電流越大。uotOiDtO有電容濾波無電容濾波

UooIO本文檔共47頁；當前第42頁；編輯于星期一\8點58分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=20V，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2CZ52BIOM=100mAURWM=50V

本