《電路與電子技術》課件第5章

P5M1二極管特性的測試P5M2整流電路的測試P5M3濾波電路的測試P5M4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的測試P5M5簡單直流穩(wěn)壓電源的設計與制作思考與練習

直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供者，在各種電子設備中有著極其重要的地位，它的性能直接關系到整個電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。隨著電子技術的日益發(fā)展，電源技術也得到了很大的發(fā)展，它已從過去不太復雜的電子電路變?yōu)榻裉炀哂休^強功能的模塊。

在直流穩(wěn)壓電源的組成框圖中，其主要組成部分有電源變壓器、整流器、濾波器、穩(wěn)壓器等。整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。濾波器是由電容、電感等儲能元件組成的，它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。但是，當電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時，濾波器輸出直流電壓的幅值也將隨之而變化，因此，穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。項目任務書MNL1半導體基本知識

導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，我們稱之為半導體。在電子器件中，常用的半導體材料有：元素半導體，如硅(Si)、鍺(Ge)等；化合物半導體，如砷化鎵(GaAs)等；采用摻雜方法制成的其它化合物半導體材料，如摻入硼(B)、磷(P)、錮(In)和銻(Sb)等元素。其中硅是最常用的一種半導體材料。半導體主要有以下特點：P5M1二極管特性的測試

(1)半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間；

(2)半導體受外界光和熱的刺激時，其導電能力將會有顯著變化；

(3)在純凈半導體中，加入微量的雜質(zhì)，其導電能力會急劇增強。

1.本征半導體

本征半導體就是化學成分純凈的半導體，它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

在室溫下，本征半導體共價鍵中的價電子可以獲得一定的能量，掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，在晶體中產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。由于共價鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場或其他作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移到這個新的空位，這樣就使共價鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移?？昭ǖ囊苿臃较蚝碗娮拥囊苿臃较蚴窍喾吹?。本征半導體中，自由電子和空穴數(shù)總是相等的。

2.雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(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)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。

(1)N型半導體：在本征半導體材料中摻入少量的5價元素，如磷，原來晶體中的某些原子將被磷原子代替。磷原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，而磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。摻雜的雜質(zhì)如磷、砷和銻等。在N型半導體中，自由電子的濃度遠大于空穴的濃度。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

(2)P型半導體：在本征半導體材料中摻入少量的3價元素，如硼，原來晶體中的某些原子將被硼原子代替。硼原子的最外層有3個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可吸引束縛電子來填補，相當于空穴電流向另一方向移動，硼原子為不能移動的帶負電的離子。

在P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子，三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

(3)雜質(zhì)對半導體導電性能的影響。

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性能有很大的影響，其典型數(shù)據(jù)為：T=300K室溫下，本征硅的電子和空穴的濃度為

n=p=1.4×1010/cm3，摻雜后，N型半導體中的自由電子濃度為n=5×1016/cm3，本征硅的原子濃度為4.96×1022/cm3，以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。MNL2PN結(jié)

1.PN結(jié)的形成

將P型半導體和N型半導體進行結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)空穴很多而電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P區(qū)和N區(qū)交界面附近形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖5-1-1所示。擴散越強，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，它是阻止擴散的。另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當漂移運動與擴散運動相等時，PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場促使少子漂移，阻止多子擴散。最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。圖5-1-1PN結(jié)

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時，稱為加正向電壓，簡稱正偏，如圖5-1-2所示；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏，如圖5-1-3所示。圖5-1-2PN結(jié)正偏圖5-1-3PN結(jié)反偏

(1)PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)中的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動，當P區(qū)空穴進入PN結(jié)后，就要和原來的一部分負離子中和，使P區(qū)的空間電荷量減少。同樣，當N區(qū)電子進入PN結(jié)時，中和了部分正離子，使N區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果使PN結(jié)變窄，即耗盡層變薄，由于這時耗盡層中載流子增加，因而電阻減小，形成擴散電流。在這種情況下，由于少數(shù)載流子形成的漂移電流，其方向與擴散電流相反，和正向電流比較，其數(shù)值很小，因此可忽略不計。這時PN結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的擴散電流所決定。在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流，稱為正向電流ID。當外加電壓UD稍有變化(如0.1V)時，便能引起電流的顯著變化，因此電流ID是隨外加電壓急速上升的。這時，正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。該過程可歸納為：加正向電壓→耗盡區(qū)變薄→有利于多數(shù)載流子的擴散→形成擴散電流。

(2)PN結(jié)加反向電壓時，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子都將進一步離開PN結(jié)，使耗盡層厚度加寬，PN結(jié)的內(nèi)電場加強。這一結(jié)果，一方面使P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子很難越過耗盡層，擴散電流趨近于零；另一方面，由于內(nèi)電場的加強，使得N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運動。這樣，此時流過PN結(jié)的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流IR。由于少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度很小，因此IR是很微弱的，一般為微安數(shù)量級。當管子制成后，IR數(shù)值決定于溫度，而幾乎與外加電壓UD無關。IR受溫度的影響較大，在某些實際應用中，還必須予以考慮。PN結(jié)在反向偏置時，IR很小，PN結(jié)呈現(xiàn)一個很大的電阻，可認為它基本是不導電的。這時，反向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很大的電阻。該過程可歸納為:加反向電壓→耗盡區(qū)變厚→不利于擴散運動，有利于漂移運動→形成漂移電流，即反向飽和電流。當PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，產(chǎn)生較大的正向擴散電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)；當PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。測試工作任務書測試工作任務書MNL3二極管的伏安特性

二極管的性能可用其伏安特性來描述，典型的二極管的伏安特性如圖5-1-9所示。特性曲線分為兩部分：加正向電壓時的特性稱為正向特性：加反向電壓時的特性稱為反向特性。

1.正向特性

當加在二極管上的正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎等于零。只有當加在二極管兩端的正向電壓超過某一數(shù)值時，正向電流才明顯地增大。正向特性上的這一數(shù)值通常稱為“死區(qū)電壓”，見圖5-1-9。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料以及溫度等因素有關。一般，硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V左右，鍺二極管的為0.1V左右。圖5-1-9二極管伏安特性當正向電壓超過死區(qū)電壓以后，隨著電壓的升高，正向電流將迅速增大。電流與電壓的關系基本上是一條指數(shù)曲線。通常，將二極管進入正向?qū)▍^(qū)的正向電壓稱為正向?qū)妷?，硅管的導通電壓?.6~0.8V，鍺管的導通電壓為0.1~0.3V。

2.反向特性

當在二極管上加上反向電壓時，反向電流的值很小。當反向電壓超過零點幾伏以后，反向電流不再隨著反向電壓的增大而增大，即達到了飽和，這個電流稱為反向飽和電流，用符號IR表示。

3.反向擊穿特性

當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。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。PN結(jié)熱擊穿后，電流很大，電壓又很高，消耗在PN結(jié)上的功率很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱，從而把PN結(jié)燒毀。熱擊穿是不可逆的，而電擊穿是可逆的。MNL4二極管的參數(shù)及特殊二極管

1.二極管的主要參數(shù)

電子器件的參數(shù)是其特性的定量描述，也是實際工作中選用器件的主要依據(jù)，各種器件的參數(shù)可由手冊查得。半導體二極管的主要參數(shù)有以下幾個。

(1)最大整流電流IF：指二極管長期運行時，允許通過管子的最大正向平均電流。IF的數(shù)值是由二極管允許的溫升所限定的。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否則可能使二極管過熱而損壞。

(2)最高反向工作電壓UR：工作時，加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。

(3)反向電流IR：指室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好，反向電流愈小，說明二極管的單向?qū)щ娦杂?。此外，由于反向電流是由少?shù)載流子形成的，因而IR受溫度的影響很大。(4)最高工作頻率fM：主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小，結(jié)電容愈小，則二極管允許的最高工作頻率愈低。

2.特殊二極管

1)發(fā)光二極管

在給發(fā)光二極管加上正向電壓后，電流可使PN結(jié)中的電子和空穴復合放出能量而發(fā)光。其波長與半導體材料有關，發(fā)出紅、黃、綠光的主要以InGaAlP材料為主，而發(fā)出藍、綠光的則以InGaN材料為主。

發(fā)光二極管的外形及符號如圖5-1-10所示。圖5-1-10發(fā)光二極管的外形及符號

2)光電二極管

光電子器件的主要優(yōu)點有：抗干擾能力強，傳輸量大，損耗??；缺點有：光路復雜，信號的操作與調(diào)試需精心設計。隨著科學技術的發(fā)展，在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)，越來越多地有效應用了光信號。光電二極管是光電子系統(tǒng)的電子器件。光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)類似，管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。光電二極管的主要特點是，它的反向電流與照度成正比。其靈敏度的典型值為0.1mA/lx數(shù)量級。

3)變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管：結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的效應顯著的二極管，最大電容和最小電容之比約為5∶1，其在高頻技術中應用較多。

穩(wěn)壓二極管的相關內(nèi)容將在后面重點學習。

例5-1

電路如圖5-1-11(a)所示，已知ui=Umsinωt(V)，二極管為理想二極管，在輸入信號作用下，試畫出輸出電壓波形。

解在輸入信號為正半周時，二極管導通，等效電路如圖5-1-11(b)所示，因為二極管是理想的，所以輸出信號與輸入信號相同；在輸入信號為負半周時，二極管截止，等效電路如圖5-1-11(c)所示，輸出為零。輸出電壓波形如圖5-1-11(d)所示。圖5-1-11例5-1圖

例5-2

電路如圖5-1-12(a)所示，已知ui=12sinωt(V)，二極管為硅管，管壓降UD=0.7V，試畫出輸出電壓波形。

解二極管兩端電壓為UD=ui-U，UD>0.7V，即ui>5.7V，當輸入信號為正半周且ui>5.7V時，二極管導通時，輸出電壓uo+U=5.7V，如圖5-1-12(c)所示；當輸入信號為負半周或ui≤5.7V時，二極管截止，如圖5-1-12(b)所示，輸出電壓uo=ui，如圖5-1-12(c)所示。圖5-1-12例5-2圖整流電路的作用是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒄医涣麟妷恨D(zhuǎn)變成為單方向的脈動電壓。但是，這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠。常見的小功率整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理。P5M2整流電路的測試測試工作任務書MNL1單相橋式整流電路

1.單相橋式整流電路的工作原理

全波橋式整流電路如圖5-2-1所示，其中4個二極管接成電橋的形式，故有橋式整流之稱。圖5-2-2所示為該電路的簡化畫法。圖5-2-2全波橋式整流電路的簡化畫法設變壓器次級電壓u2=U2msinωt=

U2sinωt，其中U2m

為其幅值，U2為有效值。如圖5-2-3(a)所示，在電壓u2的正半周期，二極管VD1、VD3因受正向偏壓而導通，VD2、VD4因受反向電壓而截止；在電壓u2的負半周期，二極管VD2、VD4因受正向偏壓而導通，VD1、VD3因受反向電壓而截止。u2和UL的波形如圖5-2-3(b)所示。顯然，輸入電壓是雙極性的，而輸出電壓是單極性的，且是全波波形；輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。圖5-2-3全波整流電路的波形

2.單相橋式整流電路參數(shù)的計算

由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為

其紋波系數(shù)γ為

式中:ULγ為諧波(只有偶次諧波)電壓總有效值，其值應為

由上面三式并通過計算可得γ≈0.48。由結(jié)果可見，全波整流電路的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多，但仍然較大，故需用濾波電路來濾除紋波電壓。

3.單相橋式整流電路整流二極管的選擇

全波整流電路中二極管安全工作的條件如下:

(1)二極管的最大整流電流必須大于實際流過二極管的平均電流。由于4個二極管是兩兩輪流導通的，因此有

(2)二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實際所承受的最大反向峰值電壓URM，即

UR＞URM=

U2

由圖可見，橋式整流電路無需采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達到全波整流的目的。而且，整流二極管承受的反向電壓也不高，但是電路中需用四個整流二極管。

例5-3

橋式整流電路如圖5-2-1所示，Uo＝15V，RL

＝100Ω，請選擇二極管。

解因為

Uo(AV)≈0.9U2

輸出直流電流為

整流二極管的正向平均電流為

二極管承受的最大反向電壓為

脈動系數(shù)為

S=0.67無論哪種整流電路，它們的輸出電壓都含有較大的脈動成分，除了在一些特殊場合可以直接用做放大器的電源外，通常還要采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。這樣的措施就是濾波。電容和電感都是基本的濾波元件，利用它們在二極管導電時儲存的一部分能量，然后逐漸釋放出來，從而得到比較平滑的波形?；蛘邚牧硪唤嵌瓤?，電容和電感對于交流成分和直流成分反映出來的阻抗不同，如果把它們合理地安排在電路中，則可以達到降低交流成分、保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波的作用。所以，電容和電感是組成濾波電路的主要元件。P5M3濾波電路的測試測試工作任務書MNL1電容濾波

1.電容濾波電路

雖然全波整流的紋波系數(shù)相對于半波整流而言有很大改善，但與實際要求仍然相差較大，需采用濾波電路進一步減小紋波。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲作用來實現(xiàn)的。濾波電路種類很多，首先介紹電容濾波電路。

電容濾波電路如圖5-3-1所示，由于市電(交流電)的頻率較低(50Hz)，因而電路中的電容C一般取值較大，約1000μF以上。

2.電容濾波電路的工作原理

設u2=U2msinωt=

U2sinωt，沒有接電容時，整流二極管VD1、VD3在u2的正半周導電，負半周時VD2、VD4導電。并聯(lián)電容以后，在u2的正半周，當二極管VD1、VD3

導電時，由圖5-3-1可見，除了有一個電流io流向負載外，同時還有一個電流iC向電容充電，電容電壓uC的極性為上正下負。如果忽略二極管的內(nèi)阻，則在二極管導通時，uC等于變壓器副邊電壓u2。

u2達到最大值以后開始下降，此時電容上的電壓uC也將由于放電而逐漸下降，當u2<uC時，二極管VD1、VD3被反向偏置，因而不導電，于是uC以一定的時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下一個半周，當|u2|>uC時，二極管VD2、VD4導通。輸出電壓uo的波形如圖5-3-2中實線所示。圖5-3-2電容濾波后的輸出電壓波形

3.電容濾波電路中電容C和負載電阻RL變化對輸出電壓的作用

電容C和負載電阻RL變化對輸出電壓的作用如下:

(1)RLC越大，電容放電速度越慢，負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取

RLC≥(3～5)

式中，T為交流電源電壓的周期。

(2)RL越小，輸出電壓越小。若C值一定，則當RL→∞，即空載時，有

ULo=

U2≈1.4U2

當C=0，即無電容時，有

ULo≈0.9U2

當整流電路的內(nèi)阻不太大(幾歐姆)且電阻RL和電容C取值合理時，有

ULo≈(1.1～1.2)U2

例5-4

橋式整流電容濾波電路，濾波電容C=220μF，RL=1.5kΩ。問：(1)要求輸出電壓Uo＝12V，則U2需多大？(2)若該電路電容C值增大，則Uo是否變化？(3)改變RL對Uo有無影響？RL增大時Uo如何變化？

解

(1)

Uo=1.2U2

(2)C值增大，電容放電速度變慢，Uo增大。

(3)RL值增大，電容放電速度變慢，Uo增大。測試工作任務書MNL2電感濾波

1.電感濾波電路

電感濾波電路如圖5-3-3所示，由于市電(交流電)的頻率較低(50Hz)，因而電路中電感L一般取值較大，約幾亨以上

2.電感濾波電路的工作原理

3.電感濾波電路中的注意事項

(1)L越大、RL越小，輸出電壓紋波越小。

(2)忽略電感內(nèi)阻時，ULo=0.9U2(理論值)。

(3)電感濾波適用于低電壓、大電流的場合。

(4)工頻電感體積大，重量重，價格高，損耗大，電磁輻射強，因此一般少用。

此外，為了進一步減小負載電壓中的紋波，電感后面可再接一電容而構(gòu)成倒L型濾波電路或采用π型濾波電路，分別如圖5-3-4和圖5-3-5所示。圖5-3-4倒L型濾波電路圖5-3-5π型濾波電路穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。由二極管的特性曲線可知，如果工作在反向擊穿區(qū)，則當反向電流的變化量ΔI較大時，管子兩端相應的電壓變化量ΔU卻很小，說明其具有穩(wěn)壓的特性，利用這種特性可以做成穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管實質(zhì)上就是一個二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。P5M4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的測試測試工作任務書MNL1穩(wěn)壓管

1.穩(wěn)壓管的伏安特性

穩(wěn)壓管的伏安特性如圖5-4-4所示。

2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)定電壓UZ是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化，因此測試UZ時應使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。圖5-4-4穩(wěn)壓管的伏安特性不同型號的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓的值不同。對于同一型號的穩(wěn)壓管，由于制造工藝的分散性，各種不同管子的UZ

值也有些差別。

(2)穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。若工作電流低于IZ，則管子的穩(wěn)壓性能變差；若工作電流高于IZ，則只要不超過額定功耗，穩(wěn)壓管可以正常工作。

(3)動態(tài)內(nèi)阻rZ：指穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比，即

穩(wěn)壓管的rZ值愈小愈好。對于同一個穩(wěn)壓管，一般工作電流愈大時，rZ值愈小。

(4)電壓的溫度系數(shù)αU：表示當穩(wěn)壓管的電流保持不變時，環(huán)境溫度每變化1℃所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般來說，穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管，其αU為正值;穩(wěn)定電壓小于4V的穩(wěn)壓管，其αU為負值;而穩(wěn)定電壓在4~7V之間的穩(wěn)壓管，αU的值比較小，說明其穩(wěn)定電壓受溫度的影響較小，性能比較穩(wěn)定。

(5)額定功耗PZ：由于穩(wěn)壓管兩端加有電壓UZ，而管子中又流過一定的電流，因此要消耗一定的功率。這部分功耗將轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。額定功耗PZ決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。有的手冊上還會給出最大穩(wěn)定電流IZM。

使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時，需要注意以下幾個問題：首先，應給穩(wěn)壓管加反向偏置，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，如圖5-4-4所示；其次，穩(wěn)壓管應與負載電阻RL并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因而可使輸出電壓比較穩(wěn)定；最后，必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，使其不超過規(guī)定值，以免過熱而燒毀管子。MNL2并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理

濾波后的輸出電壓即使紋波很小，仍然存在穩(wěn)定性的問題。這是因為當負載RL變化或電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓也要隨之改變。因此，絕大多數(shù)直流電源都必須采用穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。簡單穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖5-4-1所示。電路中，R為限流電阻，VDZ為穩(wěn)壓二極管，由圖知：Ui=UR+Uo、IR=IZ+IL。穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)，管子兩端的電壓基本穩(wěn)定在UZ。

(1)當電網(wǎng)電壓波動時(RL不變)：

(2)當負載變化時(Ui不變):穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理，實際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時電流可在較大范圍內(nèi)變動而擊穿電壓卻基本不變的特點而實現(xiàn)的。當輸入電壓變化時，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當負載電阻變化時，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。

顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡峭，穩(wěn)壓特性就越好。通常用rZ表示其反向擊穿后的微變等效電阻，rZ約幾歐姆。

2.限流電阻R的選擇

下面討論R的取值范圍。參見圖5-4-1，設為保證穩(wěn)壓作用所需的流過穩(wěn)壓二極管的最小電流為IZmin，為防止電流過大而造成損壞所容許的流過穩(wěn)壓二極管的最大電流為IZmax，即要求IZmin＜IZ＜IZmax。當Ui最大和RL開路時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時應有R≥；當Ui最小(不小于UZ)和RL最小(不允許短路)時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時應有R≤，即

一般來說，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R應盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。

例5-5

已知如圖5-4-5所示電路中穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V，最小穩(wěn)定電流IZmin＝5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax＝25mA。

(1)分別計算Ui為10V、15V、35V三種情況下輸出電壓Uo的值；

(2)若Ui＝35V時負載開路，則會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?為什么？圖5-4-5例5-5圖

解

(1)當Ui＝10V時，若Uo＝UZ＝6V，則穩(wěn)壓管的電流為4mA，小于其最小穩(wěn)定電流，所以穩(wěn)壓管未擊穿，故

當Ui＝15V時，穩(wěn)壓管中的電流大于最小穩(wěn)定電流IZmin，所以

Uo＝UZ＝6V

同理，當Ui＝35V時，Uo＝UZ＝6V。

(2)

=29mA＞IZM＝25mA，穩(wěn)壓管將因功耗過大而損壞。P5M5簡單直流穩(wěn)壓電源的設計與制作設計工作任務書

1.如需將PN結(jié)處于正向偏置，應如何確定外接電壓的極性？若PN結(jié)處于反向偏置，則耗盡區(qū)的寬度是增加還是減少？為什么？結(jié)電位發(fā)生什么變化？

2.PN結(jié)兩端存在內(nèi)建電位差，若將PN結(jié)短路，問有無電流流過？

3.比較硅、鍺兩種二極管的性能。在工程實踐中，為什么硅二極管應用得較普遍？

思考與練習

4.如何用萬用表的歐姆擋來辨別一只二極管的陽、陰兩極？(提示：模擬萬用表的黑筆接表內(nèi)直流電源的正端，而紅筆接負端。)

5.二極管電路如題圖5-1所示，試判斷圖中的二極管是導通還是截止，并求出AO兩端電壓UAO