電工學(xué)第五章

1、2013 年 9月第六章第六章 整流、濾波及穩(wěn)壓電路整流、濾波及穩(wěn)壓電路半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 6-1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 6-2穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管6-3本章內(nèi)容本章內(nèi)容整流、濾波及其穩(wěn)壓電路整流、濾波及其穩(wěn)壓電路6-41. PN1. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. 3. 穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理l 本章本章重點(diǎn)重點(diǎn)：2. 2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性4. 4. 二極管的整流、濾波電路工作原理二極管的整流、濾波電路工作原理6-1 6-1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性知識(shí)準(zhǔn)備：知識(shí)準(zhǔn)備：物質(zhì)按導(dǎo)電性能劃分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體

2、導(dǎo)體：一般是低價(jià)元素，如銅、鐵、鋁等金屬在外電場(chǎng)的作用下自由電子定向流動(dòng)形成了電流。導(dǎo)體具有較好的導(dǎo)電性。導(dǎo)體具有較好的導(dǎo)電性。絕緣體絕緣體：一般為高價(jià)元素，如橡膠、塑料、惰性氣體絕緣體導(dǎo)電性差。絕緣體導(dǎo)電性差。物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于：原子結(jié)構(gòu)，最外層電子數(shù)目越原子結(jié)構(gòu)，最外層電子數(shù)目越 少，導(dǎo)電性就越強(qiáng)。少，導(dǎo)電性就越強(qiáng)。6-1 6-1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性6-1-1 6-1-1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體導(dǎo)電特性導(dǎo)電特性 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電性導(dǎo)電性 介于導(dǎo)體和絕緣體之間。介于導(dǎo)體和絕緣體之間。典型半導(dǎo)體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)

3、體制成通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。共價(jià)健共價(jià)健 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮?Si Si Si Sip+多余多余電子電子磷原子磷原子在常溫下即可變?cè)诔叵录纯勺優(yōu)樽杂呻娮訛樽杂呻娮?Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴對(duì)同一塊半導(dǎo)體，一端摻入受主雜質(zhì)，成為對(duì)同一塊半導(dǎo)體，一端摻入受主雜質(zhì)，成為P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，成為型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，成為N型半型半導(dǎo)體，這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起。導(dǎo)體，這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起。于是在接觸

4、面便形成一個(gè)于是在接觸面便形成一個(gè)PN結(jié)。結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)低的地方運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)氣體氣體液體液體固體固體多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使空擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)稱為空間電荷區(qū)稱為 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)注：注：PNPN結(jié)的結(jié)電容很小結(jié)的結(jié)電容很小 P接正、接正、N接負(fù)接負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+（三）（三）PN結(jié)結(jié)2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?（1）PN結(jié)外加正向電壓結(jié)外

5、加正向電壓PN結(jié)正偏結(jié)正偏PN結(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)ㄍ怆妶?chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反有利于擴(kuò)散進(jìn)行有利于擴(kuò)散進(jìn)行擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移PN結(jié)變窄結(jié)變窄外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生產(chǎn)生較大較大的擴(kuò)散電流的擴(kuò)散電流IFIR+（2）PN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓PN結(jié)反偏結(jié)反偏PN結(jié)反向截止結(jié)反向截止外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同有利于漂移進(jìn)行有利于漂移進(jìn)行漂移漂移擴(kuò)散擴(kuò)散PN結(jié)變寬結(jié)變寬少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較小的反向電流產(chǎn)生較小的反向電流IR總結(jié)：總結(jié)：結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓導(dǎo)通導(dǎo)通結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓截止截止結(jié)單向?qū)щ娦越Y(jié)單向?qū)щ娦裕ㄒ唬┗?/p>

6、結(jié)構(gòu)和分類（一）基本結(jié)構(gòu)和分類PN陽陽極極陰陰極極6-2 6-2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管符號(hào)：符號(hào)：P+_NPN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。體二極管。（二）伏安特性（二）伏安特性二極管陽極與陰極之間的電壓與流過電流之間的關(guān)系曲線二極管陽極與陰極之間的電壓與流過電流之間的關(guān)系曲線 通常使用二極管時(shí)應(yīng)保證其工作在正向?qū)ɑ蚍聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)，通常使用二極管時(shí)應(yīng)保證其工作在正向?qū)ɑ蚍聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)，故認(rèn)為二極管正偏則導(dǎo)通，反偏則截止故認(rèn)為二極管正偏則導(dǎo)通，反偏則截止單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?B硅硅UIAAB伏安特性曲線伏安特性曲線鍺鍺正向：正向：OAOA段（死區(qū)）段（死區(qū)

7、）硅管約硅管約0.5V0.5V，鍺管約，鍺管約0.2V(0.2V(死區(qū)電壓）死區(qū)電壓）正向?qū)ㄕ驅(qū)?：硅管約：硅管約0.7V0.7V，鍺管約，鍺管約0.3V0.3V（導(dǎo)通電壓或稱管降）（導(dǎo)通電壓或稱管降）理想狀態(tài)認(rèn)為管降為理想狀態(tài)認(rèn)為管降為0V0V反向：反向：OBOB段（截止區(qū)）段（截止區(qū)）I I近似為近似為0 0擊穿區(qū)擊穿區(qū) 管子被擊穿，管子被擊穿，U UB B反向擊穿電反向擊穿電壓壓UI理想特性曲線理想特性曲線+-UI-+UIo（四）二極管的應(yīng)用（四）二極管的應(yīng)用例例1 1：二極管的鉗位作用：二極管的鉗位作用D D6V6V12V12V3k3k B BA AU UABAB+ +（四）二極

8、管的應(yīng)用（四）二極管的應(yīng)用1、二極管電路分析：先、二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止考慮管降，正向管壓降考慮管降，正向管壓降硅硅0 0.60.7V鍺鍺0.20.3V若若 V陽陽 V陰陰或或 UD為正，二極管導(dǎo)通為正，二極管導(dǎo)通若若 V陽陽 UDA DB 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通， DA截止截止。 鍺二極管：鍺二極管：VY = VB + UD = 0.3V 硅二極管：硅二極管：VY = VB + UD = 0.7V-6VRDAVA AVB BVY YDB UDA UDB DA 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通， DB截止截止。理想二極管：理想二極管：VY = VA = 3V 鍺二

9、極管：鍺二極管：VY = VA - UD = 2.7V 硅二極管：硅二極管：VY = VA - UD = 2.3V+6VRDAuA AuB BuoDBt/suA/V3Vt/suB/V3Vt/suo/V3V均導(dǎo)通均導(dǎo)通DB導(dǎo)通導(dǎo)通DA導(dǎo)通導(dǎo)通均導(dǎo)通均導(dǎo)通當(dāng)輸入均為同當(dāng)輸入均為同3V時(shí)，輸出才為時(shí)，輸出才為3V當(dāng)輸入有一為當(dāng)輸入有一為0V時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為0V實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了“與與”門邏輯門邏輯2、多個(gè)二極管連接：、多個(gè)二極管連接：若若 共陰極共陰極，陽級(jí)最高一個(gè)先導(dǎo)通，陽級(jí)最高一個(gè)先導(dǎo)通若若 共陽級(jí)共陽級(jí)，陰級(jí)最低一個(gè)先導(dǎo)通，陰級(jí)最低一個(gè)先導(dǎo)通先導(dǎo)通的一個(gè)二極管起先導(dǎo)通的一個(gè)二極管起鉗位鉗位作用。

10、作用。 總結(jié)：總結(jié)：V sin18itu t UZIZminIZmax UZ IZ-+UIO6-3 6-3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管UZRUoUi+穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：RL1、UiIDZUo（UZ）IRURUo若若UR= Ui，則，則UO基本不變基本不變2、RL (Ui不變）不變）IDZUo（UZ）IRILRL IR若若IL= -IDZ，則，則UO基本不變基本不變+-IRIDZILUi=UR+UoUZ=UoIR=IDZ+ILUo（UZ）Uo（UZ）UIUZIZminIZmaxZZ ZIUr例例 1 穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ = 5V，正向壓降忽略，正向壓降忽略不計(jì)。當(dāng)輸入電壓不

11、計(jì)。當(dāng)輸入電壓Ui 分別為分別為 直流直流10 V、3 V、-5V時(shí)，時(shí)，求輸出電壓求輸出電壓UO；若；若 ui = 10sin tV，試畫出，試畫出 uo 的波形。的波形。uit 10VDZRuoui+解解：Ui = 10V： DZ 工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO = UZ = 5VUi = 3V：DZ 反向截止，反向截止，UO = Ui = 3VUi = -5V： DZ 工作在正向?qū)顟B(tài)，工作在正向?qū)顟B(tài)，UO = 0Vui = 10sintV：ui正半周，當(dāng)正半周，當(dāng)ui UZ，DZ 反向擊穿，反向擊穿，uO = 5V當(dāng)當(dāng)ui Vb，D導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo = u2

12、 u2 負(fù)半周，負(fù)半周，Va Vb，D 截止，截止，uo = 0 uoOt u2 tO2U22U2二極管起整流作用二極管起整流作用 6-4 6-4 整流、濾波及穩(wěn)壓電路整流、濾波及穩(wěn)壓電路6-4-1-1 6-4-1-1 單相半波整流電路單相半波整流電路)(sin22120ttdUUo22U245. 0ULLRURUoI2045. 0整流電流的平均值：整流電流的平均值：流過二極管的正向電流的平均值流過二極管的正向電流的平均值IoIDM選管條件之一選管條件之一 +aTrDuou2bRLio+u1t uDO uoOt u2 tO2U22U22U2二極管二極管U UDRMDRM= =22UuD=u2-

13、uo u2 負(fù)半周，負(fù)半周，D 截止，承受反向電壓截止，承受反向電壓 為了使用安全，選擇二極管時(shí)，反為了使用安全，選擇二極管時(shí)，反向工作峰值電壓要比向工作峰值電壓要比UDRM 大一倍大一倍左右。左右。選管條件之二選管條件之二 +aTrDuou2bRLio+u1245. 0UUo 解：如圖所示的單相半波整流如圖所示的單相半波整流電路，負(fù)載電路，負(fù)載R RL L=500=500，變，變壓器副邊電壓有效值壓器副邊電壓有效值U2=10V，求，求UO、I Io o及及U UDRMDRM并選用適合二極管。并選用適合二極管。VV5 . 41045. 0mARUoIoL95005 . 4VUUDRM1 .14

14、22 查附錄二?？蛇x擇查附錄二?？蛇x擇2AP2（16mA，30V） 單相半波整流電路特點(diǎn)：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐诽攸c(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 輸出電壓低脈動(dòng)大，變壓器使用效率低輸出電壓低脈動(dòng)大，變壓器使用效率低用于小電流、脈動(dòng)要求不嚴(yán)格的電路用于小電流、脈動(dòng)要求不嚴(yán)格的電路（一）電路及工作原理（一）電路及工作原理Flash5 6-4-1-2 6-4-1-2 單相橋式整流電路單相橋式整流電路（二）數(shù)量關(guān)系（二）數(shù)量關(guān)系1、負(fù)載直流電壓平均值、負(fù)載直流電壓平均值2、負(fù)載直流電流平均值、負(fù)載直流電流平均值LoDRUII245. 0213、變壓器副邊電流有效值、變壓器副邊電流有效值I2LLRURUI2009.0

15、22UUDRM 02209.0sin211UttdUtduUooLRUI22ooLIIRU11.19.02ooII11.19.0oUU11.12根據(jù)輸出電壓數(shù)值來決定變壓器副邊根據(jù)輸出電壓數(shù)值來決定變壓器副邊電壓的有效值。電壓的有效值。副邊電壓和電流的有效值是選擇變壓器的副邊電壓和電流的有效值是選擇變壓器的重要依據(jù)。重要依據(jù)。4、流過每管的電流平均值、流過每管的電流平均值ID5、每管承受的最高反向電壓、每管承受的最高反向電壓UDRMu0u2u2u1abD4D2D1D3RL+_i0例例2:2:如圖所示的單相橋式如圖所示的單相橋式整流電路，要求輸出直流整流電路，要求輸出直流電壓電壓U Uo o為為

16、12V12V，電流，電流I Io o為為10mA10mA，試選擇二極管并確，試選擇二極管并確定變壓器副邊電壓和電流定變壓器副邊電壓和電流的有效值。的有效值。2oDII解：流過二極管的電流mAmA51021VUoUUDRM9 .189 . 0222電壓二極管承受的最高反向 查附錄二。可選擇查附錄二?？蛇x擇2CP11（100mA，50V）VVU2 .13121 . 1.1U1o2變壓器副邊電壓mAmA11101 . 1.1I1Io2變壓器副邊電流 交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流，其中既有直流成份又有交流成份。其中既有直流成份又有交流成份。濾波電路

17、利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓壓(或通過電感中的電流或通過電感中的電流)不能突變的特性不能突變的特性, 濾掉濾掉整流整流電路輸出電壓中的電路輸出電壓中的交流交流成份，成份，保留保留其其直流直流成份，達(dá)成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。到平滑輸出電壓波形的目的。 方法：方法：將將電容電容與負(fù)載與負(fù)載RL并聯(lián)并聯(lián)或?qū)⒒驅(qū)㈦姼须姼信c負(fù)載與負(fù)載RL串串聯(lián)聯(lián)。6-4-2 6-4-2 濾波電路濾波電路1、工作原理、工作原理6-4-2-1 6-4-2-1 電容濾波電路電容濾波電路u0u2u2u1abD4D2D1D3RLC+_uCi0 u u2 2 正半周，正半周，D1D1、D3D

18、3導(dǎo)通，電源在導(dǎo)通，電源在給負(fù)載給負(fù)載R RL L供電的同時(shí)也給電容充電，供電的同時(shí)也給電容充電， u uC C 增加，增加，u uo o= u= uC C 。（。（oaoa段）段）uoU2U2u2 tO tOa u uc cu u2 2 ，D1D1、D3D3截止，電容截止，電容C C通過通過RLRL放電，放電， u uo o= u= uC C 。（。（abab段）段）b 注：放電的快慢取決于注：放電的快慢取決于=R=RL LC C，愈大，放電愈慢，輸出電壓愈平緩愈大，放電愈慢，輸出電壓愈平緩 u u2 2 負(fù)半周，負(fù)半周， u u2 2u uc c D2 D2、D4D4導(dǎo)通，導(dǎo)通，電源又給電

19、容充電，電源又給電容充電， u uC C 增加，增加，u uo o= = u uC C 。（。（bcbc段）段）c25)(3LTCR 一般取一般取(1) (1) 輸出電壓的脈動(dòng)程度與平均值輸出電壓的脈動(dòng)程度與平均值Uo與放電時(shí)間與放電時(shí)間 常數(shù)常數(shù)RLC有關(guān)。有關(guān)。 近似估算取：近似估算?。?Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波）橋式、全波） U2 為了得到比較平直的輸出電壓為了得到比較平直的輸出電壓有電容濾波有電容濾波 無電容濾波無電容濾波0 UooIO 結(jié)論結(jié)論 因此電容濾波適合于要求因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。小且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。 RLC 越大越大O 越高，越高，IO 越越大大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短整流二