二极管整流电路工作原理.ppt

项目六 二极管及其在汽车中的应用,学习目标： 熟悉二极管的结构组成及种类； 了解各种二极管的特性及应用； 了解半波整流电路。,半 导 体,？,N型半导体和P型半导体,导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,二、 PN结,PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,二、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,三、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,四、晶体二极管,1、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,2、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,3、主要参数,1）. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2）. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,3）. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,普通二极管,发光二极管,稳压二极管,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,光电二极管,又名光敏传感器,整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。,五、单相整流电路,常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,(4) 输出电压平均值（Uo）：,(1) 输出电压波形：,(3) 二极管上承受的最高电压：,(2) 二极管上的平均电流：,ID = IL,单相半波整流电路的工作原理,u2 0 时，二极管导通。,忽略二极管正向压降： uo=u2,u20时，二极管截止,输出电流为0。,uo=0,一、单相全波整流电路的工作原理,(4) uo平均值Uo：,Uo=0.9U2,(1) 输出电压波形：,(2) 二极管上承受的最高电压：,(3) 二极管上的平均电流：,单相桥式整流电路的工作原理,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: A D1 RLD3B,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: B D2 RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形 及二极管上电压波形,三、主要参数：,输出电压平均值：Uo=0.9U2,输出电流平均值:Io= Uo/RL =0.9 U2 / RL,流过二极管的平均电流：Iv=IL/2,整流电压平均值,电 路,整流电压波形,二极管平均电流,二极管反向电压,例,有一单相整流电路,负载电阻为 750,变压器副边电压为20V，,试求Uo，Io及UDRM,并选用二极管。,解,查二极管参数，选用2AP4(16mA,50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。, 三相桥式整流电路,整流器件: 二极管 六个桥臂都是二极管,其中三个二极管组成共阴极的整流电路,阴极联成一点d; 另外三个二极管组成共阳极的不控整流电路,阳极联成一点e。 输出电压ud=ude,式中U是输入交流相电压的有效值,一、工作原理,（1）轮换导电情况： VD4,VD5,VD6连成共阴极的三相整流电路,阴极连到d点,，a点电位 最高，VD4 导通， ，b点电位 最高，VD5 导通， ，c点电位 最高，VD6 导通， 每个二极管导电120o，d点电位为 三相交流电的波顶连线。,共阴极二极管的导通规律:那个二极管的阳极电位高,它对应的二极管导通.,VD1、VD2、VD3构成共阳极的三相整流电路。 共阳极二极管的导电规律为：阴极电位最低的一个二极管导电。,（120o期间），c点电位 最低，VD3导通， （120o期间）， a点电位 最低，VD1导通 ，b点电位 最高，VD2导通,是二极管的自然换流点。 故一周期内，e点的电位 为 的负的波顶连线,（2）整流电压波形： 以变压器中点为0，整流后的输出电压：,0wta期间， 最高，对应的二极管VD6导通, 最低,对应的二极管VD2导通,电流方向：cVD6dRLeVD2b,输出电压波形图,wtawtc : 最高,VD4导通; 最底VD2导通; 电流方向:aVD4dRLeVD2b,wtcwtb: 最高,VD4导通; 最低 ,VD3导通 ; 电流方向:aVD4dRLeVD3c,输出电压波形图,wtbwta， 最高,VD5导通; 最低,VD3导通;电流方向:bVD5dRLeVD3c,wtawtc: 为最高，VD5导通; 最低,VD1导通;电流方向:bVD5dRLeVD1a,输出电压波形图,wtcwtb: 为最高，VD6导通; 最低,VD1导通;电流方向:cVD6dRLeVD1a,wtbwta: 为最高，VD6导通; 最低,VD2导通;电流方向:cVD6dRLeVD2b,Ul 是输入线电压的有效值,三相桥式整流的输出电压波形为三相线电压波形的波顶连线,输出电压波形图,输出电压的平均值:,有效值与峰值的关系:,U是相电压的有效值,几种常见的硅整流桥外形：,二、滤波电路,滤波电路的结构特点: 电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。,交流 电压,脉动 直流电压,直流 电压,原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,滤波器,整流电路仅将交流电转换成单向脉动的直流电压。这种电压对许多电子设备远达不到要求，往往再加接滤波器以改善电压的脉动程度。,一、电容滤波器(C滤波器),t,0,u,t,0,u,D截止,D导通,D导通,D截止,D导通,电容滤波器的作用,电容滤波电路,以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,一、滤波原理,1. RL未接入时(忽略整流电路内阻),充电结束,没有电容时的输出波形,2. RL接入（且RLC较大）时 (忽略整流电路内阻),电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。,只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD 。因此整流电路的输出电流是脉冲波。,整流电路的输出电流iD,电感滤波（补充）,电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。,RC 型滤波电路,L-C 型滤波电路,LC 型滤波电路,t,稳压管稳压电路,经整流和滤波后，虽脉动程度有了最大改善，但直流电压幅度还会随着电网的波动或负载的变化而变化。,最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。 如图采用桥式整流和电容滤波，得到直流电压Ui，再经过限流电阻R和稳压管DZ ，使负载得到一个比较稳定的直流电压。,稳压管稳压电路,稳压管稳压电路,电压的稳定过程,选择稳压管一般规律： UZ=U