电工学 直流稳压电源.ppt

本章要求 1 了解半导体材料的特性 结构 原理 2 掌握普通二极管 稳压二极管的特性 3 掌握二极管应用电路的分析方法 第八章直流稳压电源 4 直流稳压电源各环节的作用 以及相关参数计算 8 1半导体的基本知识 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 8 1 1本征半导体及其导电性 1 本征半导体的共价键结构 2 电子空穴对 3 空穴的移动 本征半导体 化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 1 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这些原子所共有 并为它们所束缚 在空间形成排列有序的晶体 这种结构的立体和平面示意图见图01 01 2 电子空穴对 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 原子的电中性被破坏 呈现出正电性 其正电量与电子的负电量相等 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为电子空穴对 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去 称为复合 如图01 02所示 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 图01 02本征激发和复合的过程 动画1 1 3 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流 空穴的定向运动也可形成空穴电流 它们的方向相反 只不过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 动画1 2 8 1 2杂质半导体 1 N型半导体 2 P型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 可形成N型半导体 也称电子型半导体 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 五价杂质原子也称为施主杂质 N型半导体的结构示意图如图01 04所示 图01 04N型半导体结构示意图 2 P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓 铟等形成了P型半导体 也称为空穴型半导体 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 P型半导体中空穴是多数载流子 主要由掺杂形成 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 P型半导体的结构示意图如图01 05所示 图01 05P型半导体的结构示意图 图01 05P型半导体的结构示意图 8 1 3PN结 一 PN结的形成 二 PN结的单向导电性 一 PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 对于P型半导体和N型半导体结合面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 在空间电荷区 由于缺少多子 所以也称耗尽层 图01 06PN结的形成过程 PN结形成的过程可参阅图01 06 动画1 3 二 PN结的单向导电性 如果外加电压使PN结中 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 PN结加正向电压时的导电情况如图01 07所示 动画1 4 2 PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 在一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 故少子形成的漂移电流是恒定的 基本上与所加反向电压的大小无关 这个电流也称为反向饱和电流 PN结加反向电压时的导电情况如图01 08所示 动画1 5 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 结论 PN结具有单向导电性 图01 08PN结加反向电压时的导电情况 8 2半导体二极管 8 2 1普通二极管 1基本结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型和面接触型两大类 它们的结构示意图如图01 11所示 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 半导体二极管图片 点接触型半导体二极管实物照片 面接触型半导体二极管实物照片 图01 12二极管的伏安特性曲线 2半导体二极管的伏安特性曲线 1 实际特性 正向特性 硅二极管的死区电压Uth 0 5V左右 锗二极管的死区电压Uth 0 2V左右 当0 U Uth时 正向电流为零 Uth称为死区电压或开启电压 当U 0即处于正向特性区域 正向区又分为两段 当U Uth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 反向特性 当U 0时 即处于反向特性区域 反向区也分两个区域 当UBR U 0时 反向电流很小 且基本不随反向电压的变化而变化 此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当U UBR时 反向电流急剧增加 UBR称为反向击穿电压 在反向区 硅二极管和锗二极管的特性有所不同 硅二极管的反向击穿特性比较硬 比较陡 反向饱和电流也很小 锗二极管的反向击穿特性比较软 过渡比较圆滑 反向饱和电流较大 3半导体二极管的参数 半导体二极管的几个主要的参数介绍如下 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大整流电流的平均值 2 反向击穿电压UBR 和最大反向工作电压UR 3 反向电流IRm 4 正向压降UF 在室温下 在规定的反向电压下 一般是最大反向工作电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 在规定的正向电流下 二极管的正向电压降 小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下 约0 7V 锗二极管约0 3V 1 V1阳 6V V1阴 3V D1导通 同理D2导通 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 例1 已知 D1 D2为硅管 1 当VA 3V VB 3V时 求VF 2 当VA 3V VB 0V时 求VF 2 V1阳 6V V1阴 3V D1导通 V2阳 6V V2阴 0V D2优先导通 此时D1截止 VF 3 7V VF 0 7V 二极管应用电路分析 ui 5V 二极管导通 可看作短路uo 5V 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 5V 例2 二极管阴极电位为5V 阳极电位为ui ui 5V 二极管截止 可看作开路uo ui ui 5V 二极管导通 uo ui 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 5V 例3 二极管阴极电位为 5V 阳极电位为ui D 5V R uo ui ui 5V 二极管截止 uo 5V 8 2 2光电二极管 光敏二极管 作用 将光信号转化为电信号 工作于反向偏置状态 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 8 2 3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 8 2 4光电耦合器 光电隔离器 作用 电气隔离 抗干扰 系统保护 直流电源的来源 干电池由交流市电变为直流电的各种半导体电源 直流稳压电源 直流稳压电源的框图 交流电源 变压器 整流 滤波 稳压 负载 8 3直流稳压电源的组成 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 单相半波整流电路 半波整流输入输出电压波形 8 4整流电路 1 电路组成 2 工作原理 输出电压平均值 UO 二极管上承受的最高电压 二极管上的平均电流 3 参数计算 选择二极管的依据 4 电路评价 输出电流平均值 IO 1 电路组成 2 工作原理 分析前提 理想变压器 理想二极管 U2为正半周 a V1 RL V3 b V2V4截止 t U0 U2为负半周 b V2 RL V4 a V1V3截止 单相桥式整流电路 流过每只二极管的平均电流 二极管承受的最高反向电压 因为每两个二极管串联轮换导通半个周期 因此 每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半 4 电路评价 3 参数计算 例有一单相桥式整流电路 电网电压220V 负载RL 50 U0 100V 试求变压器的变比 并选择整流二极管 解 根据 选择2CZ12D 3A 300V 二极管四只 或选择2CZ12E 3A 400V 二极管四只 据此选择二极管 例单相桥式整流电路如图 试回答下列问题 1 若V3管接反 会有什么情况发生 此时U0 2 若V3管短路 会有什么情况发生 此时U0 3 若V3管开路 会有什么情况发生 此时U0 解 1 正半周不通 2 正半周正常 3 正半周不通 负半周变压器被短路 结果 烧坏变压器 U0 0 负半周变压器被短路 烧坏变压器 U0 0 结果 负半周正常 输出为原来的一半 结果 C 无滤波电容时 有滤波电容时 RLC较大时 RLC较小时 RLC适中时 8 5滤波电路 1 电路组成 2 工作原理 一 电容滤波电路 无滤波电容时 有滤波电容时 RLC较大时 RLC较小时 RLC适中时 取 条件 信号周期 3 参数计算 流过每只二极管的平均电流 二极管承受的最高反向电压 当RL开路时 特别注意 3 参数计算 例整流滤波电路如图 负载RL 5k 开关a闭合 b断开时 直流电压表的读数为140V 求 解 最初相当于RL开路 0A 1 2 相当于整流电路 18mA 3 相当于滤波电路 24mA 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 三 复式滤波电路 1 LC 形滤波电路 2 RC 形滤波电路 一 稳压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 解 1 Ui 10V时DZ反向击穿稳压 UO UZ 5V 2 Ui