二极管及直流稳压电路.ppt

第6章二极管及直流稳压电路 6 2半导体二极管 6 3稳压二极管 6 4整流 滤波及稳压电路 6 1半导体的基本知识 第6章二极管及直流稳压电路 本章要求 一 理解PN结的单向导电性 二 了解二极管 稳压管的基本构造 工作原理和特性曲线 理解主要参数的意义 三 会分析含有二极管的电路 四 理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算 五 了解稳压管稳压电路的工作原理 6 1半导体的基本知识 半导体的导电特性 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 6 1 1本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 价电子 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 成为自由电子 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发 空穴 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 自由电子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空穴的运动 相当于正电荷的移动 本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出现两部分电流 1 自由电子作定向运动 电子电流 2 价电子递补空穴 空穴电流 注意 1 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 2 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和空穴都称为载流子 自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合 在一定温度下 载流子的产生和复合达到动态平衡 半导体中载流子便维持一定的数目 6 1 2N型半导体和P型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子半导体或N型半导体 掺入五价元素 多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 6 1 2N型半导体和P型半导体 掺杂后空穴数目大量增加 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 称为空穴半导体或P型半导体 掺入三价元素 在P型半导体中空穴是多数载流子 自由电子是少数载流子 硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 无论N型或P型半导体都是中性的 对外不显电性 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 6 1 3PN结及其单向导电性 1 PN结的形成 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称PN结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡 空间电荷区的厚度固定不变 形成空间电荷区 2 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 PN结变窄 P接正 N接负 IF 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 PN结加正向电压时 PN结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 2 PN结加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 PN结变宽 2 PN结加反向电压 反向偏置 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 IR P接负 N接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 6 2半导体二极管 6 2 1基本结构 a 点接触型 b 面接触型 结面积小 结电容小 正向电流小 用于检波和变频等高频电路 结面积大 正向电流大 结电容大 用于工频大电流整流电路 c 平面型用于集成电路制作工艺中 PN结结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 半导体二极管的结构和符号 6 2半导体二极管 二极管的结构示意图 6 2 2伏安特性 硅管0 5V 锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向特性 特点 非线性 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 6 2 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 反向工作峰值电压URWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二 二极管击穿后单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 3 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向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 IRM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 锗管的反向电流较大 为硅管的几十到几百倍 二极管的单向导电性 1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴极接负 时 二极管处于正向导通状态 二极管正向电阻较小 正向电流较大 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极接正 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向电阻较大 反向电流很小 3 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高反向电流愈大 6 2 4二极管的应用 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若V阳 V阴或UD为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴二极管导通若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V否则 UAB低于 6V一个管压降 为 6 3 或 6 7V 例1 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 0V 例2 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 例3 二极管的用途 整流 检波 限幅 钳位 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8V 6 3稳压二极管 1 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 3 主要参数 1 稳定电压UZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 2 电压温度系数 环境温度每变化1 C引起稳压值变化的百分数 3 动态电阻 4 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM 5 最大允许耗散功率PZM UZIZM rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 6 4整流 滤波及稳压电路 小功率直流稳压电源的组成 功能 把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压 6 4 1单相小功率整流电路 整流电路的作用 将交流电压转变为脉动的直流电压 常见的整流电路 半波 全波 桥式和倍压整流 单相和三相整流等 分析时可把二极管当作理想元件处理 二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 整流原理 利用二极管的单向导电性 1 单相半波整流电路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管D导通 3 工作波形 u负半周 Va Vb 二极管D截止 1 电路结构 4 参数计算 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM 5 变压器副边电流有效值I 5 整流二极管的选择 平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据 选管时应满足 IOM ID URWM UDRM 半波整流电路的优点 结构简单 使用的元件少 缺点 只利用了电源的半个周期 所以电源利用率低 输出的直流成分比较低 输出波形的脉动大 变压器电流含有直流成分 容易饱和 故半波整流只用在要求不高 输出电流较小的场合 2 单相桥式整流电路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管D1 D3导通 D2 D4截止 3 工作波形 uD2uD4 1 电路结构 2 单相桥式整流电路 2 工作原理 3 工作波形 uD2uD4 1 电路结构 u正半周 Va Vb 二极管1 3导通 2 4截止 u负半周 Va Vb 二极管2 4导通 1 3截止 uD1uD3 4 参数计算 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM 5 变压器副边电流有效值I 1 输出直流电压高 2 脉动较小 3 二极管承受的最大反向电压较低 4 电源变压器得到充分利用 目前 半导体器件厂已将整流二极管封装在一起 制成单相及三相整流桥模块 这些模块只有输入交流和输出直流引线 减少接线 提高了可靠性 使用起来非常方便 桥式整流电路的优点 解 变压器副边电压有效值 例1单相桥式整流电路 已知交流电网电压为220V 负载电阻RL 50 负载电压Uo 100V 试求变压器的变比和容量 并选择二极管 流过每只二极管电流平均值 每只二极管承受的最高反向电压 整流电流的平均值 考虑到变压器副绕组及二极管上的压降 变压器副边电压一般应高出5 10 即取 U 1 1 111 122V 例1单相桥式整流电路 已知交流电网电压为220V 负载电阻RL 50 负载电压Uo 100V 试求变压器的变比和容量 并选择二极管 I 1 11Io 2 1 11 2 2A 变压器副边电流有效值 变压器容量S UI 122 2 2 207 8VA 变压器副边电压U 122V 可选用二极管2CZ55E 其最大整流电流为1A 反向工作峰值电压为300V 例2试分析图示桥式整流电路中的二极管D2或D4断开时负载电压的波形 如果D2或D4接反 后果如何 如果D2或D4因击穿或烧坏而短路 后果又如何 解当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路 正半周时 D1和D3导通 负载中有电流过 负载电压uo u 负半周时 D1和D3截止 负载中无电流通过 负载两端无电压 uo 0 如果D2或D4接反则正半周时 二极管D1 D4或D2 D3导通 电流经D1 D4或D2 D3而造成电源短路 电流很大 因此变压器及D1 D4或D2 D3将被烧坏 如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时 情况与D2或D4接反类似 电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏 6 4 2滤波电路 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流 其中既有直流成份又有交流成份 滤波原理 滤波电路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 方法 将电容与负载RL并联 或将电感与负载RL串联 1 电容滤波电路1 电路结构 2 工作原理 u uC时 二极管导通 电源在给负载RL供电的同时也给电容充电 uC增加 uo uC u uC时 二极管截止 电容通过负载RL放电 uC按指数规律下降 uo uC uC 3 工作波形 二极管承受的最高反向电压为 4 电容滤波电路的特点 T 电源电压的周期 1 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关 RLC越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo越大 波形越平滑 近似估算取 Uo 1 2U 桥式 全波 Uo 1 0U 半波 当负载RL开路时 为了得到比较平直的输出电压 2 外特性曲线 结论 采用电容滤波时 输出电压受负载变化影响较大 即带负载能力较差 因此电容滤波适合于要求输出电压较高 负载电流较小且负载变化较小的场合 3 流过二极管的瞬时电流很大 选管时一般取 IOM 2ID RLC越大 O越高 IO越大 整流二极管导通时间越短 iD的峰值电流越大 有电容滤波 无电容滤波 例有一单相桥式整流滤波电路 已知交流电源频率f 50Hz 负载电阻RL 200 要求直流输出电压Uo 20V 选择整流二极管及滤波电容器 流过二极管的电流 二极管承受的最高反向电压 变压器副边电压的有效值 解 1 选择整流二极管 可选用二极管2CZ52B IOM 100mAURWM 50V 例有一单相桥式整流滤波电路 已知交流电源频率f 50Hz 负载电阻RL 200 要求直流输出电压Uo 30V 选择整流二极管及滤波电容器 取RLC 5 T 2 已知RL 20