二極管及直流穩(wěn)壓電路ppt課件

1、第6章 二極管及直流穩(wěn)壓電路,6.2 半導(dǎo)體二極管,6.3 穩(wěn)壓二極管,6.4 整流、濾波及穩(wěn)壓電路,6.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),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娦裕?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(huì)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(jì)算; 五、了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理。,6.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo) 體器件，如二極管、三極管和晶閘

2、管等）。,光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)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(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng),6.1.1 本征半導(dǎo)體,完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu),共價(jià)健,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子。,價(jià)電子,價(jià)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(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴（帶正電）。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。,空穴,溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。,自由電子,在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)

3、電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng) 電子電流 (2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流,注意： (1) 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差； (2) 溫度愈高,載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。,自由電子和空穴都稱(chēng)為載流子。 自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。,6.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后自由電子

4、數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。,摻入五價(jià)元素,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,在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。,6.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體。,摻入三價(jià)元素,在 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。,硼原子,接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子,空穴,無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。,1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中

5、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(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。,a,b,c,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）,b,a,6.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1. PN結(jié)的形成,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),少子的漂移運(yùn)動(dòng),濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。,空間電荷區(qū)也稱(chēng) PN 結(jié),擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)

6、到動(dòng)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),2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）,PN 結(jié)變窄,P接正、N接負(fù),IF,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。,PN 結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,(2) PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）,P接負(fù)、N接正,PN 結(jié)變寬,(2) PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）,內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,IR,P接負(fù)、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(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻

7、較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,6.2 半導(dǎo)體二極管,6.2.1 基本結(jié)構(gòu),(a) 點(diǎn)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(kāi)關(guān)電路中。,半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),6.2 半導(dǎo)體二極管,二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,6.2.2 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娦浴?正向特性,反向特性,特點(diǎn)：非線性,硅

8、0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內(nèi)保持 常數(shù)。,6.2.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)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(guò)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(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁RM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。,二極管的單向?qū)щ娦?1. 二極管加

9、正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù) ）時(shí)， 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(yáng)極接負(fù)、陰極接正 ）時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(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?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。,6.2.4 二極管的應(yīng)用,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負(fù)。,若 V陽(yáng) V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通 若 V陽(yáng) V陰或 UD為負(fù)( 反向偏置 )，二極管

10、截止,若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。,電路如圖，求：UAB,V陽(yáng) =6 V V陰 =12 V V陽(yáng)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(gè)管壓降，為6.3或6.7V,例1：,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。,在這里，二極管起鉗位作用。,兩個(gè)二極管的陰極接在一起 取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。,V1陽(yáng) =6 V，V2陽(yáng)=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。 若忽

11、略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向電壓為6 V,流過(guò) D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,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(kāi)路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫(huà)出 uo 波形。,8V,例3：,二極管的用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開(kāi) 關(guān)、元件保護(hù)、 溫度補(bǔ)償?shù)取?參考點(diǎn),二極管陰極電位為 8 V,6.3 穩(wěn)壓二極管,1. 符號(hào),UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓,使用時(shí)要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大

12、，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。,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(shí)管子兩端的電壓。,(2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。,(3) 動(dòng)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 = UZ IZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,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,6.4.1 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(dòng)的直流電壓。,常見(jiàn)的整流電路： 半波、全波、橋式和倍壓整

13、流；單相和三相整流等。,分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理： 二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o(wú)窮大。,整流原理： 利用二極管的單向?qū)щ娦?1. 單相半波整流電路,2） 工作原理,u 正半周，VaVb， 二極管D導(dǎo)通；,3） 工作波形,u 負(fù)半周，Va Vb， 二極管D 截止 。,1） 電路結(jié)構(gòu),4） 參數(shù)計(jì)算,(1) 整流電壓平均值 Uo,(2) 整流電流平均值 Io,(3) 流過(guò)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,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(shí)應(yīng)滿(mǎn)足： I

14、OM ID ， URWM UDRM,半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的元件少。,缺點(diǎn)：只利用了電源的半個(gè)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(dòng)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(chǎng)合。,2. 單相橋式整流電路,2） 工作原理,u 正半周，VaVb，二極管 D1、 D3 導(dǎo)通， D2、 D4 截止 。,3） 工作波形,uD2uD4,1） 電路結(jié)構(gòu),2. 單相橋式整流電路,2） 工作原理,3） 工作波形,uD2uD4,1）電路結(jié)構(gòu),u 正半周，VaVb，二極 管 1、3 導(dǎo)通，2、4 截止 。,u 負(fù)半周，VaVb，二極 管

15、2、4 導(dǎo)通，1、3 截止 。,uD1uD3,4） 參數(shù)計(jì)算,(1) 整流電壓平均值 Uo,(2) 整流電流平均值 Io,(3) 流過(guò)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,(1) 輸出直流電壓高； (2) 脈動(dòng)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(dǎo)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(lái)非常方便。,橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)：,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 220

16、V，負(fù)載電阻 RL = 50，負(fù)載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。,流過(guò)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(yīng)高出 5%10%，即取,U = 1.1 111 122 V,例1 單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為 220 V，負(fù)載電阻 RL = 50，負(fù)載電壓Uo=100V， 試求變壓器的變比和容量，并選擇二極管。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,變壓器副邊電流有效值,變壓器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,變壓器副邊電壓

17、 U 122 V，,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。,例2 試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2 或D4 斷開(kāi)時(shí)負(fù)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(kāi)后 電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過(guò)，負(fù)載電壓uo=u；負(fù)半周時(shí)，D1和D3截止，負(fù)載中無(wú)電流通過(guò)，負(fù)載兩端無(wú)電壓，uo =0。,如果D2或D4接反 則正半周時(shí)，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

18、。,如果D2或D4因擊穿燒壞而短路 則正半周時(shí)，情況與D2或D4接反類(lèi)似，電源及D1或D3也將因電流過(guò)大而燒壞。,6.4.2 濾波電路,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。,濾波原理：濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)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(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。,方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。,1. 電容濾波電路 1）電路結(jié)構(gòu),2）工作原理,u uC時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電， uC 增加，uo= uC 。,u uC時(shí)，二極管截止，電

19、容通過(guò)負(fù)載RL 放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降， uo= uC 。,= uC,3）工作波形,二極管承受的最高反向電壓為 。,4） 電容濾波電路的特點(diǎn),(T 電源電壓的周期),(1) 輸出電壓的脈動(dòng)程度與平均值Uo與放電時(shí)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?。?Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）,當(dāng)負(fù)載RL 開(kāi)路時(shí)，,為了得到比較平直的輸出電壓,(2) 外特性曲線,結(jié)論,采用電容濾波時(shí)，輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，即帶負(fù)載能力較差。 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小

20、的場(chǎng)合。,(3) 流過(guò)二極管的瞬時(shí)電流很大,選管時(shí)一般?。篒OM =2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短 iD 的峰值電流越大。,有電容濾波,無(wú)電容濾波,例 有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率 f=50Hz，負(fù)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(guò)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,解 (1)選擇整流二極管,可選用二極管2CZ52B,IOM =100mA URWM =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(fù)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 =