电工学-第8章直流稳压电源.ppt

1,第 8 章 直流稳压电源,8.3 直流稳压电源的组成,8.5 滤波电路,8.6 稳压电路,8.4 整流电路,8.1 半导体的基础知识,8.2 半导体二极管,下一章,上一章,返回主页,2,8.1 半导体的基础知识,导体、半导体、绝缘体。,物质按导电能力划分：,半导体的导电性能：,价电子参与导电、 掺杂增强导电能力、 热敏特性、光敏特性。,一、本征半导体 1. 什么是本征半导体 是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,硅的二维晶格结构图,正离子芯,硅晶体的空间排列,硅和锗的原子结构简化模型,价电子,本征半导体纯净的、结构完整的半导体。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,本征激发温度300K下，被束缚的价电子挣脱共价键的束缚，成为自由电子在晶体内运动。,空穴当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中留下的空位。,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,电子空穴对在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。空穴的移动方向和电子的移动方向是相反的。如图所示，若1处存在一个电子的空位，则电子由32 1，而空穴由1 2 3。,自由电子和空穴的浓度本征半导体中的自由电子和空穴浓度总是相等的。即：ni=pi,6,2. 本征半导体的导电特性,在绝对零度时，不导电。 温度（或光照） 价电子获得能量： 本征激发产生自由电子和空穴对。 自由电子和空穴均参与导电， 统称为载流子(运载 电荷的粒子)。 载流子的产生：在热能激励下，晶体中的共价键结构被打破，以一定的速率成对地产生自由电子和空穴。 温度 载流子的浓度 导电能力 。 自由电子释放能量跳回共价键 复合。 本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。,大连理工大学电气工程系,7,二、杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。,(1) 掺入五价的杂质元素 自由电子的浓度 空穴的浓度。 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 称这种杂质半导体为 N 型半导体。 (2) 掺入三价的杂质元素 自由电子的浓度 空穴的浓度。 空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。 称这种杂质半导体为 P 型半导体。,(1). N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,(2). P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,10,杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N 型半导体,大连理工大学电气工程系,11,三、PN 结,1. PN 结的形成,扩散运动,扩散运动： 多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。,大连理工大学电气工程系,12,内电场,PN 结,多数载流子的扩散运动继续进行，使 PN 结加 宽，内电场增强。 内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。 内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。,大连理工大学电气工程系,13,漂移运动： 少数载流子在内电场作用下的运动。 漂移运动使 PN 结变薄，内电场削弱。 内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动， 而不利于少数载流子的漂移运动。,漂移运动,大连理工大学电气工程系,14,多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运 动达到动态平衡 平衡的 PN 结。,内电场,15,2. PN 结的特性,正向偏置 外电场与内电场方向相反； 扩散运动强于漂移运动， 扩散电流起主要作用 (2) 反向偏置 外电场与内电场方向相同； 漂移运动强于扩散运动，漂移电流起主要作用,正向导通,反向截止,I0,主要特性： 单向导电性。,大连理工大学电气工程系,16,8.2 半导体二极管,一、普通二极管,(1) 按结构分类 点接触型、面接触型。 (2) 按材料分类 硅管、锗管。 (3) 按用途不同分类 普通管、整流管、开关管等。,1. 基本结构,在一个PN结两侧加上电极引线做成,大连理工大学电气工程系,17,二、伏安特性,反向 特性,正向 特性,死区,死区电压 Uth ： 硅管 0.5 V 锗管 0.1 V,导通压降 UD ： 硅管 0.6 0.7V 锗管 0.2 0.3V,(1) 实际特性,锗管 硅管,大连理工大学电气工程系,18,UD,(2) 近似特性,(3) 理想特性,3. 主要参数 (1) 额定正向平均电流（最大整流电流）IF (2) 正向压降 UF (3) 最高反向工作电压 UR 一般规定为反向击穿电压的 1/2 或 1/3。 (4) 最大反向电流 IRm,大连理工大学电气工程系,19,*二、光电二极管（光敏二极管）,作用：将光信号转化为电信号。 反向电流随光照强度的增加而上升。,光电二极管电路,发光二极管电路,*三、发光二极管,作用：将电信号转化为光信号。 发光的颜色取决于制造材料。,大连理工大学电气工程系,20,*四、光电耦合器（光电隔离器）,作用： 电气隔离； 抗干扰； 系统保护。,大连理工大学电气工程系,21,利用二极管的单向导电性可实现整流、限幅、箝位、隔离、检波等作用。,1.整流：将交流电转换成直流电的过程称为整流。,当u2为正半周时，a点电位高，b点电位低，二极管导通，负载电压uo=u2；,当u2为负半周时，a点电位低，b点电位高，二极管截止，负载电压uo=0；,半波整流电路,22,2.限幅：将输出电压的幅值限制在某一数值。,在图示电路中，设ui=2sinwtV，D1和D2都为锗管，其正向电压降UD=0.3V,试分析输出电压的波形。,在ui的正半周期内，D2截止，当Ui0.3V时，D1导通，uo=uD=0.3V;,在ui的负半周期内，D1截止，当ui-0.3V时，D2截止，uo=ui; 当ui-0.3V时，D2导通，uo=-0.3V。,该电路将输出电压限制在 0.3V范围内，所以D1、D2在这个电路中起限幅作用。,23,大连理工大学电气工程系,24,8.3 直流稳压电源的组成,大小不合适的交流,大小合适的交流,脉动直流,不稳定的直流,稳定直流,大连理工大学电气工程系,25,电源变压器,将市电变换为整流所需的 交流电压,整流电路,将交流电变换为方向不变 的直流电,滤波电路,将脉动直流电变换为平滑 的直流电压,稳压电路,将不稳定的直流电压变换 为稳定直流电压,大连理工大学电气工程系,26,8.4 整流电路,u2 正半周，D1 和 D3 导通， uO= u2 ； 电流通路：a D1 RL D3 b 。 u2 负半周，D2 和 D4 导通， uO=u2 ； 电流通路：b D2 RL D4 a 。,大连理工大学电气工程系,27,uO,iO,大连理工大学电气工程系,28,1. 负载直流电压,UO = 0.9U2,2. 负载直流电流,3. 二极管平均电流,4. 二极管反向电压,5. 整流元件的选择,IFID,URURm,大连理工大学电气工程系,29,例8.4.1 一桥式整流电路，已知负载电阻 RL=240 ，负载所需直流电压 = 12 V，电源变压器一次电压 U1 = 220 V。试求该电路正常工作时的负载电流 、二极管平均电流 ID 和变压器的电压比 k。,解 负载直流电流,二极管平均电流,变压器的二次电压,变压器的电压比,大连理工大学电气工程系,30,8.5 滤 波 电 路,一、电容滤波电路,电容放电,当二极管导通时， 电容被充电储能。 当二极管截止时， 电容放电。 滤波电容的选择：,大连理工大学电气工程系,31,输出电压的平均值: UO = 1.2 U2（全波） 空载输出直流电压:,滤波电容的耐压：,大连理工大学电气工程系,32,例8.5.1 一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率 f = 50 Hz ，负载电阻 RL=100 ，输 出直流电压 UO = 30 V 。试求： (1) 选择整流二极管；(2) 选择滤波电容器；(3) 负载电阻 断路时的输出电压UO ；(4) 电容断路时的输出电压UO。,解 (1) 选择整流二极管,IO=,大连理工大学电气工程系,33,查附录，选用 2CZ53B 4 个 （IF=300mA，UR=50V）。,(2) 选择滤波电容器,C,=,= (300500)F,F,UCN,=35.4 V,(3) 负载电阻断路时,(4) 电容断路时,UO = 0.9U2 = 0.925 V = 22.5 V,IF2ID = 20.15A = 0.3 A， URURm=34.5 V,大连理工大学电气工程系,34,二、电感滤波电路,对直流分量: XL = 0，大部分整 流电压降在 RL 上。 对谐波分量: f 越高，XL 越大， 电压大部分降在 XL 上。,大连理工大学电气工程系,35,三、复式滤波电路,1. LC 形滤波电路,2. RC 形滤波电路,大连理工大学电气工程系,36,一、稳压二极管 又称为齐纳二极管。 为面结型硅二极管。,反向 特性,正向 特性,特点： 反向击穿电压小； 反向击穿特性陡。,击穿 电压,8.6 稳压电路,大连理工大学电气工程系,37,解 (1) Ui10 V 时 DZ 反向击穿稳压：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 时 DZ 反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V 时 DZ 正向导通：UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 时 当 0ui5 V 时，DZ 反向截止： UO= Ui = 10sin t V。 当 ui5 V 时，DZ 反向击穿稳压：,例8.6.1 如图所示电路，设 UZ = 5 V，正向压降 忽略不计。当直流输入Ui = 10 V、3 V、5 V 时，Uo= ？ 当输入为交流 ui = 10sin t V 时，分析 uO的波形。,UO = UZ = 5 V 。 当 ui0 V 时， DZ 正向导通：UO= 0 V。,大连理工大学电气工程系,38,二、稳压二极管稳压电路,稳压过程：,UO IZ I IR,UO ,大连理工大学电气工程系,39,三、集成稳压电路,分为线性集成稳压电路和开关集成稳压电路。,1. 三端固定式集成稳压器,CW7800 系列正电压稳压器。 CW7900 系列负电压稳压器。,输出电压规格： 5V, 6V, 8V, 9V, 12V, 15V ,大连理工大学电气工