第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)與二極管電路ppt課件

1、 下一章下一章 上一章上一章 返回主頁返回主頁 固態(tài)電子學(xué)材料固態(tài)電子學(xué)材料cmcm510cm310cm5310102一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體 1. 什么是本征半導(dǎo)體什么是本征半導(dǎo)體 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。 自然界中的自然界中的物質(zhì)物質(zhì)導(dǎo)體導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 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 熱敏特性熱敏特性 光敏特性光敏特性第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 常用的半導(dǎo)體：硅、鍺、砷化鎵等。常用的半導(dǎo)體：硅、鍺、砷化鎵等。 1. 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 1.1

2、 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+4+ 硅原子硅原子Si） + 鍺原子鍺原子Ge） 硅和鍺的二維晶格結(jié)構(gòu)圖硅和鍺的二維晶格結(jié)構(gòu)圖 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+42. 本征激發(fā)本征激發(fā) 空穴空穴 自由電子自由電子 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+4 外電場的作用使價(jià)電子定向移動外電場的作用使價(jià)電子定向移動 空穴越多，價(jià)電子越容易移動?？昭ㄔ蕉?，價(jià)電子越容易移動。 價(jià)電子的移動等效于空穴的移動價(jià)電子的移動等效于空穴的移動空穴參與導(dǎo)電。空穴參與導(dǎo)電。 載流

3、子載流子 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+4 復(fù)合復(fù)合 在一定的溫度和光照下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到在一定的溫度和光照下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到 動態(tài)平衡，載流子的濃度一定。動態(tài)平衡，載流子的濃度一定。 3. 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 在絕對零度時(shí)，不導(dǎo)電。在絕對零度時(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 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)稱為載流子。統(tǒng)稱為載流子。 溫度溫度 載流子的濃度載流子的濃度 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)

4、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。 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識本征激發(fā)本征激發(fā) 產(chǎn)生自由電子和空穴對。產(chǎn)生自由電子和空穴對。 導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 。 ：本征載流子濃度：本征載流子濃度單位：個(gè)單位：個(gè)/in3cm ：禁帶寬：禁帶寬度度GE常數(shù)：與材料有關(guān)常數(shù)：與材料有關(guān)絕對溫絕對溫度度玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù) ：KeV /1062. 85e 不是電子電不是電子電量量 =2.718281828459 此公式僅用于幫助大家了解本征載流此公式僅用于幫助大家了解本征載流子濃度和哪些因素有關(guān)，一般不用于子濃度和哪些因素有關(guān)，一般不用于具體求解具體求

5、解本征載流子濃度本征載流子濃度 ()236GEkTinBT ecm922iiiipnn pnp本征半導(dǎo)體熱平衡時(shí)本征半導(dǎo)體熱平衡時(shí)自由電子與空穴成對出現(xiàn)自由電子與空穴成對出現(xiàn)電子濃度電子濃度= =空穴濃度空穴濃度載流子濃度僅與溫度有關(guān)載流子濃度僅與溫度有關(guān)10單位單位 半導(dǎo)體漂移電流半導(dǎo)體漂移電流與遷移率與遷移率2/cmAQvjj：電流密度：電流密度 單位截面積通過的電流單位截面積通過的電流 Q：電荷密度：電荷密度 單位體積的電荷單位體積的電荷 ：電荷的移動速度：電荷的移動速度 v漂移電流：帶電粒子在電場作用下作定向運(yùn)動形成的電漂移電流：帶電粒子在電場作用下作定向運(yùn)動形成的電流流 11遷移率遷

6、移率 ：電場比較?。弘妶霰容^小 的時(shí)候，漂移速度的時(shí)候，漂移速度(cm/s)與電場與電場EV/cm間的比例系數(shù)間的比例系數(shù)EvnnEvpp比較比較小小12本征硅的電阻率本征硅的電阻率22/)(/)(cmAEqpEqpvQjcmAEqnEqnvQjpppppdnnnnnd EEpnqjjjpnpnTd)( 稱為電導(dǎo)率稱為電導(dǎo)率 1電阻率電阻率13為便于計(jì)算，室溫下硅材料一般取值為便于計(jì)算，室溫下硅材料一般取值310/10cmni191010()(1.60 10)101350 10500npq np612.96 10 ()cmcmcm55101038. 31結(jié)論：電阻率很大，結(jié)論：電阻率很大， 常

7、溫下是絕緣體！常溫下是絕緣體！例題：例題：知：知：硅的禁帶寬度硅的禁帶寬度 ,G1.12eVE設(shè)室溫設(shè)室溫T=300K。311008. 1B6)(32cmeBTnkTEiG)300)(1062. 8(212. 12363315)300)(1008. 1KeVeVeKcmK936.73 10 /incm141.1固態(tài)電子學(xué)材料固態(tài)電子學(xué)材料本征硅的電阻率本征硅的電阻率400K時(shí)：時(shí)：屬于半導(dǎo)體屬于半導(dǎo)體cm31045. 150K時(shí)：時(shí)：屬于絕緣體屬于絕緣體cm531069. 1練習(xí)題結(jié)果對比：本征硅的電阻率練習(xí)題結(jié)果對比：本征硅的電阻率 溫度影響載流子濃度和遷移率，從而影響電溫度影響載流子濃度和

8、遷移率，從而影響電阻率阻率15二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會 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。 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 摻入五價(jià)的雜質(zhì)元素：摻入五價(jià)的雜質(zhì)元素： 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度?？昭ǖ臐舛取?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。 稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 N 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素：摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素： 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度?？昭ǖ臐舛?。 空穴

9、為多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子?？昭槎鄶?shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。 稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 P 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+3+4+4+4+41. P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅晶體中摻入少量三價(jià)元素雜質(zhì)如硼）。在硅晶體中摻入少量三價(jià)元素雜質(zhì)如硼）。 受主原子受主原子 一個(gè)受主原子一個(gè)受主原子 提供一個(gè)空穴提供一個(gè)空穴 獲得電子而形獲得電子而形 成一個(gè)負(fù)離子成一個(gè)負(fù)離子 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+42. N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅晶體中摻入少量五價(jià)元素雜質(zhì)如磷）

10、。在硅晶體中摻入少量五價(jià)元素雜質(zhì)如磷）。 施主原子施主原子 一個(gè)施主原子一個(gè)施主原子 提供一個(gè)電子提供一個(gè)電子 失去電子而形失去電子而形 成一個(gè)正離子成一個(gè)正離子 +5自由電子自由電子 3. 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 空間空間電荷電荷 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識三、三、PN 結(jié)結(jié)1. PN 結(jié)的形成結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動 擴(kuò)散運(yùn)動：擴(kuò)散運(yùn)動： 多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動。多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動。 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 內(nèi)電場內(nèi)電場耗盡層耗盡層勢壘區(qū)勢壘區(qū)P

11、N 結(jié)結(jié) 擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行行, 使使PN結(jié)加寬結(jié)加寬1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行，使 PN 結(jié)加結(jié)加 寬，內(nèi)電場增強(qiáng)。寬，內(nèi)電場增強(qiáng)。 內(nèi)電場越強(qiáng)，多數(shù)載流子的運(yùn)動越難以進(jìn)行。內(nèi)電場越強(qiáng)，多數(shù)載流子的運(yùn)動越難以進(jìn)行。 內(nèi)電場越強(qiáng)，少數(shù)載流子的運(yùn)動越易于進(jìn)行。內(nèi)電場越強(qiáng)，少數(shù)載流子的運(yùn)動越易于進(jìn)行。 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 漂移運(yùn)動：漂移運(yùn)動： 少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運(yùn)動。 漂移運(yùn)動使漂移運(yùn)動使 PN 結(jié)變薄，內(nèi)電場削弱。結(jié)變薄，內(nèi)電場削弱

12、。 內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動，內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動， 而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動。而不利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動。漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動與少數(shù)載流子的漂移運(yùn)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動與少數(shù)載流子的漂移運(yùn) 動達(dá)到動態(tài)平衡動達(dá)到動態(tài)平衡 平衡的平衡的 PN 結(jié)。結(jié)。1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 N 2. PN 結(jié)的特性結(jié)的特性偏置偏置正向偏置正向偏置 反向偏置反向偏置 N I多子運(yùn)動多子運(yùn)動 少子運(yùn)動少子運(yùn)動 正向?qū)ㄕ驅(qū)?反向截止反向截止 主要特性：主要特性： 單向?qū)щ娦?。單向?qū)?/p>

13、電性。 1.1 1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 一、二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類一、二極管的基本結(jié)構(gòu)和分類 1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)二極管的基本結(jié)構(gòu) 將一個(gè)將一個(gè) PN 結(jié)封裝后成為二極管。結(jié)封裝后成為二極管。 外殼外殼 N 型鍺片型鍺片 陰極陰極 引線引線 陽極陽極 引線引線 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 N 型硅型硅 面接觸型面接觸型 陰極引線陰極引線 陽極引線陽極引線 底座底座 金銻合金金銻合金 PN 結(jié)結(jié) 鋁合金鋁合金 小球小球 金屬觸絲金屬觸絲 2. 圖形符號和分類圖形符號和分類 (1) 按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類 點(diǎn)接觸型、面接觸型。點(diǎn)接觸型、面接觸型。 (

14、2) 按材料分類按材料分類 硅管、鍺管。硅管、鍺管。 (3) 按功率分類按功率分類 大功率管、小功率管。大功率管、小功率管。 (4) 按頻率分類按頻率分類 高頻管、低頻管。高頻管、低頻管。 (5) 按用途不同分類按用途不同分類 普通管、整流管、開關(guān)管等等。普通管、整流管、開關(guān)管等等。 1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管P 陽極陽極 N 陰極陰極 圖形符號圖形符號 二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性 UBR UD ID 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

15、0.6 0.7V 鍺管鍺管 0.2 0.3V 擊穿電壓擊穿電壓 UD反向截止區(qū)反向截止區(qū) 反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū) 反向飽反向飽 和電流和電流 1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管IR 1. 伏安特性伏安特性 三、三、 二極管的數(shù)二極管的數(shù)學(xué)模型學(xué)模型11TDDnUuSnkTquSDeIeIin: 非理想因非理想因子子一般取值一般取值n=1IS: 二極反向飽和電流二極反向飽和電流普通普通 AIS91810101TDnUuSDeIiSDTDIInUU1ln知：知：解：解：fAIS1 . 0AiD300fAIS10對AfA15101室溫下室溫下室溫下，室溫下， UT=0.025V， ，DDIi D

16、DUu VAAVIInUUSDTD718. 0101031ln)025. 0(1ln164VAAVIInUUSDTD603. 0101031ln)025. 0(1ln144，對fAIS1 . 0mAID1VUD748. 0例題 分析二極管的電壓和電流UD2. 伏安特性的近似處理伏安特性的近似處理 UD ID OUD ID O1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 (2) 近似模型近似模型 (1) 理想模型理想模型 正向偏置導(dǎo)通時(shí)正向偏置導(dǎo)通時(shí) ： UD = 0，RD = 0。 反向偏置截止時(shí)：反向偏置截止時(shí)： ID = 0，RD。 正向?qū)〞r(shí)正向?qū)〞r(shí) ： UD = 0.7 V或或 0.2

17、V）。）。 反向偏置截止時(shí)：反向偏置截止時(shí)： ID = 0，RD。 UD ID1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管UD ID OUD ID O(3) 折線模型折線模型 正向?qū)〞r(shí)正向?qū)〞r(shí) ： 將其作為一個(gè)線性電阻處理。將其作為一個(gè)線性電阻處理。 反向偏置截止時(shí)：反向偏置截止時(shí)： ID = 0，RD。(4) 小信號模型小信號模型 當(dāng)工作點(diǎn)在當(dāng)工作點(diǎn)在 Q 點(diǎn)附近變化時(shí)：點(diǎn)附近變化時(shí)： 用用 Q 點(diǎn)的切線代替曲線。點(diǎn)的切線代替曲線。Q rD = UD ID （動態(tài)電阻為常數(shù)）（動態(tài)電阻為常數(shù)） 四、主要參數(shù)四、主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IF 2. 最大整流電流時(shí)的正向壓降最大

18、整流電流時(shí)的正向壓降 UF 3. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 UBR 4. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM 5. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管uo = Euo = ui t ui/VO6解：解：VD 導(dǎo)通導(dǎo)通:(2) ui3 V 時(shí)時(shí) VD 截止截止: 例例1.1 電路如圖所示，知電路如圖所示，知 ui 6sin t V，E = 3 V，畫出，畫出 uo 的波形設(shè)的波形設(shè) VD 為理想二極管）。為理想二極管）。 (1) ui3 V 時(shí)時(shí) t uo/VO33 uRR VD E uiuo1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管例例2:mA431

19、22D IBD16V12V3kAD2UAB+一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管 又稱為齊納二極管。又稱為齊納二極管。 為面結(jié)型硅二極管。為面結(jié)型硅二極管。UZ IZM uZ iZ OIZ 反向反向特性特性正向正向特性特性1. 伏安特性伏安特性 特點(diǎn)特點(diǎn) 反向擊穿電壓小；反向擊穿電壓小； 反向擊穿特性陡。反向擊穿特性陡。 擊穿擊穿 電壓電壓 第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 2. 主要參數(shù)主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ(2) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ (3) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ (4) 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 溫度每變化溫度每變化 1 穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)。穩(wěn)定電壓變化

20、的百分?jǐn)?shù)。 例如例如 2CW18 穩(wěn)壓管：穩(wěn)壓管： U = 0.095%/， 假設(shè)假設(shè) 20 時(shí)時(shí) UZ = 11 V，那么，那么 50 時(shí)的穩(wěn)壓值為時(shí)的穩(wěn)壓值為 rZ =UZ IZUZ = 11V (5020)11V 11.3 V 0.095100（越小越好）（越小越好） 1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 (5) 耗散功率耗散功率 PZ UZ IZM PZ 1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 型型 號號 UZ /V IZ /mA IZM /mA PZ /W rZ / U /( %/) 2CW52 3.2 4.5 10 55 0.25 70 0.08 2CW54 5.5 6.5 10 3

21、8 0.25 30 0.03 0.05 2CW107 8.5 9.5 20 100 1 10 0.08 幾種穩(wěn)壓管的主要參數(shù)幾種穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 穩(wěn)壓值為穩(wěn)壓值為 8 V 左右的穩(wěn)壓管動態(tài)電阻較小。左右的穩(wěn)壓管動態(tài)電阻較小。 UZ5.7 V時(shí)，溫度系數(shù)為負(fù)值；時(shí)，溫度系數(shù)為負(fù)值； UZ5.7 V時(shí)，溫度系數(shù)為正值。時(shí)，溫度系數(shù)為正值。 二、光敏二極管二、光敏二極管 1. 伏安特性伏安特性 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。照度增加照度增加 I U O1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 作用作用 將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。 E = 200 lx

22、E = 400 lx 2. 主要參數(shù)主要參數(shù) (1) 暗電流暗電流 無光照時(shí)的反向飽和電流。無光照時(shí)的反向飽和電流。 (2) 光電流光電流 額定照度時(shí)的反向電流。額定照度時(shí)的反向電流。 (3) 靈敏度靈敏度(4) 峰值波長峰值波長 三、發(fā)光二極管三、發(fā)光二極管 1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 U 伏安特性與普通二極管相似。伏安特性與普通二極管相似。 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。 磷砷化鎵：紅光，磷化鎵：綠光。磷砷化鎵：紅光，磷化鎵：綠光。 作用作用 作顯示器件。作顯示器件。 將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。LED R 5 V Uo 光纜光纜 發(fā)光二極管

23、發(fā)光二極管1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 四、激光二極管四、激光二極管 1.3 1.3 特殊二極管特殊二極管 作用作用 產(chǎn)生相干的單色光信號，便于光纜傳輸。產(chǎn)生相干的單色光信號，便于光纜傳輸。 結(jié)構(gòu)和圖形符號結(jié)構(gòu)和圖形符號 在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半 導(dǎo)體，其端面拋光，具有部分反射功能。導(dǎo)體，其端面拋光，具有部分反射功能。 N 型型 P 型型 拋光面拋光面 光活性光活性 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 激光激光 第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 一、直流穩(wěn)壓電源框圖一、直流穩(wěn)壓電源框圖 T 整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓

24、 電電 路路二、穩(wěn)壓電源各部分的功能二、穩(wěn)壓電源各部分的功能 1.4 1.4 直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成 1. 整流變壓器整流變壓器 將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。 2. 整流電路整流電路 將交流電變換為直流電脈動直流）。將交流電變換為直流電脈動直流）。 3. 濾波電路濾波電路 濾掉脈動直流電壓中所含的交流分量不可能濾掉脈動直流電壓中所含的交流分量不可能 全部濾掉），盡量減少直流電壓的脈動程度。全部濾掉），盡量減少直流電壓的脈動程度。 4. 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路 穩(wěn)定輸出的直流電壓，使其盡可能不受交流電穩(wěn)定輸出的直流電壓，使其盡可能不受交

25、流電 源波動和負(fù)載變化的影響。源波動和負(fù)載變化的影響。第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 整流電路整流電路 不可控整流用二極管作整流元件）不可控整流用二極管作整流元件） 可控整流可控整流 （用晶閘管作整流元件）（用晶閘管作整流元件） 整流電路整流電路 單相半波整流單相半波整流 單相全波整流單相全波整流三相半波整流三相半波整流 三相全波整流三相全波整流 uo 一、一、 單相半波整流電路單相半波整流電路 1. 工作原理工作原理p 2p 3p(1) 正半周時(shí)正半周時(shí) u20，VD 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 uo = u2忽略管壓降忽略管壓降 UD） (2) 負(fù)半周時(shí)負(fù)半周時(shí) u20，VD 截止。截止。 u

26、o = 0 2. 整流電路的計(jì)算整流電路的計(jì)算u1 u2aTbVD RL0u2tuo0tp 2p 3p u2 u21.5 1.5 整整 流流 電電 路路 (4) 二極管上承受的最高反向電壓二極管上承受的最高反向電壓(3) 二極管上的平均電流二極管上的平均電流 ID= Io(1) 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值 URM =2 U2 Io =Uo RL uo aTbRL u2 u1 VDIo=2 U2p(2) 輸出電流的平均值輸出電流的平均值 = 0.45 U2 uo d uo d t t Uo = 12p 2p01.5 1.5 整整 流流 電電 路路 3. 整流二極管的選擇整流二極管的選擇 (

27、1) 最大整流電流最大整流電流 IF IF ID (2) 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM URWM 2URM 1.5 1.5 整整 流流 電電 路路 uo VD4(1) 正半周正半周 u20， uo = u2 。VD1 和和 VD3 導(dǎo)通，導(dǎo)通，abRLTu1 u2Io二、單相橋式整流電路二、單相橋式整流電路 1. 工作原理工作原理1.5 1.5 整整 流流 電電 路路 VD2VD3VD1 uo abRLT(2) 負(fù)半周負(fù)半周 u20， uo =u2 。 VD2 和和 VD4 導(dǎo)通，導(dǎo)通， u1 u2Io u2二、單相橋式整流電路二、單相橋式整流電路 1. 工作原理工作原理1.5

28、1.5 整整 流流 電電 路路 VD4VD2VD3VD1uD2 uD4Ot uo ioOt u2Ot uo VD4 VD3VD1 VD2RLu2Io(3) 工作波形工作波形 uD1 uD3 Ot 1.5 1.5 整整 流流 電電 路路 (3) VD 上的平均電流和承受的最高反向電壓上的平均電流和承受的最高反向電壓 (1) 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值 URm =2 U2 = 0.9 U2 uo d uo d t t Uo = 12p 2p0Io =Uo RLID = Io ，122. 整流電路的計(jì)算整流電路的計(jì)算 (2) 輸出電流的平均值輸出電流的平均值 1.5 1.5 整整 流流 電電

29、路路 uo VD4 VD3VD1 VD2RLu2Io3. 整流二極管的選擇整流二極管的選擇 (1) 最大整流電流最大整流電流 IF IF ID (2) 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM URWM 2URM 1.5 1.5 整整 流流 電電 路路 幾種常見的硅整流橋幾種常見的硅整流橋+ A C + + - 1.5 1.5 整整 流流 電電 路路 uo+_u+_RLD2D4 D1D3 uo u 234twtw234oo 如果如果D2D2或或D4D4接反接反 則正半周時(shí)，二極管則正半周時(shí)，二極管D1D1、D4D4或或D2D2、D3D3導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流經(jīng)經(jīng)D1D1、D4D4或或D2D2、

30、D3D3而造成電源短路，電流很大，因而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及此變壓器及D1D1、D4D4或或D2D2、D3D3將被燒壞。將被燒壞。 如果如果D2D2或或D4D4因擊穿燒壞而短路因擊穿燒壞而短路 則負(fù)半周時(shí)，情況與則負(fù)半周時(shí)，情況與D2D2或或D4D4接反類似，電源及接反類似，電源及D1D1或或D3D3也將因電流過大而燒壞。也將因電流過大而燒壞。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 有源濾波電路有源濾波電路 無源濾波電路無源濾波電路電容濾波電路電容濾波電路電感濾波電路電感濾波電路LC 濾波電路濾波電路LC 形濾波電路形濾波電路 RC 形濾波

31、電路形濾波電路 1.6 1.6 濾濾 波波 電電 路路 1.6.1無源濾波電路的幾種基本形式無源濾波電路的幾種基本形式 15.0010.005.000.00-5.00-10.00-15.000.00 0.01輸入電壓輸入電壓/V時(shí)間時(shí)間/s輸出電壓輸出電壓/V0.00 0.011.6.2 濾波電容濾波電容iDCSuu 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通+ uC20Tt CSuu 二極管關(guān)斷二極管關(guān)斷+ uC2Tt 1.6.3 有有RC負(fù)載的半負(fù)載的半波整流電路波整流電路R+ utUupSwsinDCu1iDCSuu 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通ConUR+ u二極管關(guān)斷二極管關(guān)斷CSuu CR+ u15.0010.

32、005.000.00-5.00-10.00-15.000.00 0.01 0.02 電壓電壓/V時(shí)間時(shí)間/sonU輸入：輸入： 輸出：輸出：1.6.3 有有RC負(fù)載的半負(fù)載的半波整流電路波整流電路15.0010.005.000.00-5.00-10.00-15.000.00 0.01 0.02 電壓電壓/V時(shí)間時(shí)間/s輸入：輸入： 輸出：輸出：1.6.3 有有RC負(fù)載的半負(fù)載的半波整流電路波整流電路onpUU pUonUiDCSuu 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通ConUR+ u二極管關(guān)斷二極管關(guān)斷CSuu CR+ u0.01 0.02 0.03 時(shí)間時(shí)間 /sT：導(dǎo)通間隔：導(dǎo)通間隔：紋波電壓：紋波電壓

33、rU0 T/2 T 導(dǎo)通 c TTc2：導(dǎo)通角：導(dǎo)通角電壓電壓/V15.0010.005.000.00-5.00-10.00-15.00t tRCTTonpOonpreUUtuUUU1)()()()(TTRCTT RCTUUUonpr)(1.6.4 紋波電壓與導(dǎo)紋波電壓與導(dǎo)通間隔通間隔prcUUT2wR+ uV6 .12SUDCu1Hz5015F25000V0 . 1onU理想輸出電壓：理想輸出電壓：VVUUUonpdc8 .16) 126 .12(AVRUIdcdc12. 1158 .16直流電流：直流電流：VFsVCTRUUdcr896. 0105 . 250/1158 .162紋波電壓：

34、紋波電壓：?；? .19317. 08 .17896. 022radUUTprcw導(dǎo)通角導(dǎo)通角msTc01. 1100317. 0w導(dǎo)通間隔導(dǎo)通間隔解：先假設(shè)解：先假設(shè)TT dcrUU ，放電時(shí)間為，放電時(shí)間為1/50s，%33. 58 .16896. 0VUUdcr校驗(yàn)：校驗(yàn)：%05. 550101. 1msTT滿足假設(shè)滿足假設(shè)1.6.5 二極管電流二極管電流圖圖2.54 半波整流電路的計(jì)算機(jī)仿真半波整流電路的計(jì)算機(jī)仿真波形波形接近三角波的二極管脈沖電流接近三角波的二極管脈沖電流1.6.6 浪涌電流浪涌電流tUdtdCtitipcdwsin)()(AAFCUIpsg1408 .17025.

35、0502w實(shí)際浪涌電流小于此值實(shí)際浪涌電流小于此值1.6.7 額定反向峰額定反向峰值電壓值電壓15.0010.005.000.00-5.00-10.00-15.000.00 0.01輸入電壓輸入電壓/V時(shí)間時(shí)間/sdcUpU2ponpponpSdcUUUUUUuUPIV22)(min1.6.8、橋式整流濾波電路、橋式整流濾波電路uot O2 U2 C1.6 1.6 濾濾 波波 電電 路路 uo VD4 VD3VD1 VD2RLIou2u1 C 或或 RL 電容放電電容放電 1. 電容濾波的原理電容濾波的原理 (1) 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí) 電容被充電儲能。電容被充電儲能。 (2) 當(dāng)二極

36、管截止時(shí)當(dāng)二極管截止時(shí) 電容放電。電容放電。RL 取取: RLC(3 5)T2電容的耐壓：電容的耐壓： UCN2 U2 1.6 1.6 濾濾 波波 電電 路路 結(jié)論結(jié)論 濾波使濾波使 uo 的波形更平滑，提高了的波形更平滑，提高了 uo 的平均值。的平均值。 uo 的平滑程度取決于放電時(shí)間常數(shù)的平滑程度取決于放電時(shí)間常數(shù) = RLC 。 二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮短了。二極管的導(dǎo)通時(shí)間縮短了。2. 電容濾波電路的計(jì)算電容濾波電路的計(jì)算 (1) 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值 取取: Uo = U2半波）半波） Uo = 1.2 U2全波）全波）(2) 濾波電容的選擇濾波電容的選擇 結(jié)論結(jié)論 電容濾波

37、電路適用于電容濾波電路適用于 輸出電壓較高，負(fù)載輸出電壓較高，負(fù)載 電流較小且負(fù)載變動電流較小且負(fù)載變動 不大的場合。不大的場合。(3) 整流二極管的選擇整流二極管的選擇電容濾波電容濾波1.414U2 0.9U2uo Io O 1.6 1.6 濾濾 波波 電電 路路 3. 輸出特性外特性）輸出特性外特性） IF 2ID電容充電產(chǎn)生沖擊電流）電容充電產(chǎn)生沖擊電流） URWM URM 例：例： 有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率率 f=50Hz，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻 RL = 200，要求直流輸出，要求直流輸出電壓電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波

38、電容器。，選擇整流二極管及濾波電容器。V 352522DRM UU A075020030212121LOOD.RUII uRLuo+C解：解：1. 選擇整流二極管選擇整流二極管25V1.230 21O .UU可選用二極管可選用二極管2CP11IOM =100mA URWM =50V 例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率率 f=50Hz，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻 RL = 200，要求直流輸出電，要求直流輸出電壓壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。，選擇整流二極管及濾波電容器。取取 RLC = 5 T/2已知已知RL = 50 S 05.

39、025015L CR uRLuo+C解：解：2. 選擇濾波電容器選擇濾波電容器F250F102502000.05 0506L R.C可選用可選用C=250F，耐壓為，耐壓為50V的極性電容器的極性電容器 UoRLT 第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 + CRVS限流電阻限流電阻IIo Ui UZ IZ Uo = UZ IZ RI Uo Uo （Ui ） （Io ）Uo 近似恒定近似恒定 電源波動電源波動 負(fù)載波動負(fù)載波動1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 穩(wěn)壓管的選擇原則穩(wěn)壓管的選擇原則UZ = Uo IZM = ( 1.5 3 ) IoM U

40、i = ( 2 3 ) Uo 二、集成穩(wěn)壓器二、集成穩(wěn)壓器1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 1. 三端集成穩(wěn)壓器的種類三端集成穩(wěn)壓器的種類 三端固定式、三端可調(diào)式。三端固定式、三端可調(diào)式。(1) 三端固定式集成穩(wěn)壓器三端固定式集成穩(wěn)壓器 W7800 系列正電壓穩(wěn)壓器系列正電壓穩(wěn)壓器 W7900 系列負(fù)電壓穩(wěn)壓器系列負(fù)電壓穩(wěn)壓器 1 2 3 IN GND OUT 78 1 2 3 GND OUT IN 79 1231.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 W7800 和和 W7900 輸出電壓額定值輸出電壓額定值 5V、6V、8V、9V、12V、1V、18V、24V。 (2) 三端可調(diào)式集成

41、穩(wěn)壓器三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器1 2 3 ADJ OUT IN LT317 1 2 3 ADJ IN OUT LT337 可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器如可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器如 LT317） 可調(diào)負(fù)電壓穩(wěn)壓器如可調(diào)負(fù)電壓穩(wěn)壓器如 LT337 ）l 參考參數(shù)參考參數(shù) l Uo = (1.2 40) V l IoM = 1.5 A l UiUo min = 4 V l 參考參數(shù)參考參數(shù) l Uo =(1.2 37) V l IoM = 1.5 A l UiUo min = 2 V 2. 集成穩(wěn)壓器的典型接法集成穩(wěn)壓器的典型接法1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 78 C1C2 + C3 1 3 0.33 F 0.1

42、 F 10 F Ui Uo VD 保護(hù)二極管保護(hù)二極管 低頻濾波低頻濾波 (1) 固定正電壓穩(wěn)壓器的接法固定正電壓穩(wěn)壓器的接法 UiUo min = (2 3) V 防止高頻自激振蕩防止高頻自激振蕩及抑制高頻干擾及抑制高頻干擾 (2) 可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器的接法可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器的接法1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 LT317 C1+ C2 1 0.1 F 10 F Ui Uo 3 2 R1R23. 使用三端集成穩(wěn)壓器的直流電源使用三端集成穩(wěn)壓器的直流電源1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 RLT 12 V + C0.33 F W7812 C1C2 1 F1 3 2 RLT 1 V +

43、C0.33 F W791 C1C2 1 F3 2 1 (1) 方式之一如輸出方式之一如輸出 5 V）1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 4. 輸出正負(fù)電壓的直流電源輸出正負(fù)電壓的直流電源5 V 5 V W78050.33 F1 3 2 W79051 2 1 F 3 Ui 0.33 F1 F (2) 方式之二如輸出方式之二如輸出 9 V）1.7 1.7 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路 T 9 V + C0.33 F C1C2 1 F9 V + C0.33 F C1C2 1 F3 2 1 W7809 1 3 2 W7909 電子元件圖例電子元件圖例第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 電子元件圖例電子元件圖例第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 電子元件圖例電子元件圖例第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 電子元件圖例電子元件圖例第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 電子元件圖例電子元件圖例第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 第第1 1章章 直流穩(wěn)壓電源直流