《电子电工》课件.ppt

第八章半导体二极管及整流电路 第二节二极管整流电路 第三节滤波电路 第四节稳压管及稳压电路 第一节半导体的导电特性及PN结 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 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 第一节半导体的导电特性及PN结 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 比如 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 在热力学温度零度和没有外界激发时 本征半导体不导电 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体 它是共价键结构 本征半导体的共价键结构 一 半导体的导电特性 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 自由电子 空穴 在常温下自由电子和空穴的形成 成对出现 成对消失 4 4 4 4 4 4 4 4 4 外电场方向 空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流 故半导体中有电子和空穴两种载流子 1 两种载流子 价电子填补空穴 结论 1 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 3 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 2 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 4 4 4 4 4 4 4 4 2 两种半导体 1 N型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素 如磷 则形成N型半导体 多余价电子 N型半导体结构示意图 在N型半导中 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 4 4 4 4 4 4 4 空穴 2 P型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素 如硼 则形成P型半导体 4 P型半导体结构示意图 1 N型半导体中电子是多子 其中大部分是掺杂提供的电子 本征半导体中受激产生的电子只占少数 N型半导体中空穴是少子 少子的迁移也能形成电流 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 2 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 结论 P区 N区 1 PN结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上 形成P型半导体区域和N型半导体区域 在这两个区域的交界处就形成了一个PN结 二 PN结及其单向导电性 多子扩散 少子漂移 内电场方向 空间电荷区 P区 N区 在一定的条件下 多子扩散与少子漂移达到动态平衡 空间电荷区的宽度基本上稳定下来 内电场方向 R 2 PN结的单向导电性 P区 N区 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷 扩散运动增强 形成较大的正向电流 1 外加正向电压 P区 N区 内电场方向 R 2 外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过PN结形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行 1 空间电荷区中没有载流子又称耗尽层 2 空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进行 扩散运动为多子形成的运动 3 少子数量有限 因此由它们形成的电流很小 4 PN结具有单向导电性 正向偏置 P区加正 N区加负电压多子运动增强 PN结导通 反向偏置 P区加负 N区加正电压少子运动增强 PN结截止 结论 点接触型二极管 1 二极管的结构和符号 三 半导体二极管 二极管的型号 例如 2CK18序号 K 开关 W 稳压 Z 功能整流 P 检波 A B 锗 材料 C D 硅 二极管 2 伏安特性 死区电压硅管0 5V 锗管0 2V 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压U BR 小结 1 二极管正向电压很小时 有死区 2 二极管正向导通时管压降基本固定 导通电阻很小 3 二极管反向截止时 反向电流很小 并几乎不变 称反向饱和电流 4 反向电压加大到一定程度二极管反向击穿 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URM一般是UBR的一半 3 最大反向电流IRM 指二极管加最大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 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包括整流 限幅 保护等 例1 试求下列电路中的电流 二极管为硅管 4 分析 应用举例 二极管的应用范围很广 它可用于整流 检波 限幅 元件保护以及在数字电路中作为开关元件 其中 US 5V R 1K 解 所示电路中二极管处于导通状态 因此 二极管为电流控制型元件 R是限流电阻 例2 下图中 已知VA 3V VB 0V VDA VDB为锗管 求输出端Y的电位并说明二极管的作用 解 VDA优先导通 则 VY 3 0 3 2 7V VDA导通后 VDB因反偏而截止 起隔离作用 VDA起钳位作用 将Y端的电位钳制在 2 7V 二极管导通后 管子上的管压降基本恒定 第二节整流电路 一 单相半波整流电路 1 电路组成 uo t o t o t o t o 2 3 uo u2 u2 u1 uD io io RL T 2 3 Im 2 2 3 3 uD 2 工作原理 VD u2正半周 负 输出电压平均值 U0 输出电压波形 3 电路计算 uo u2 u1 io RL T uD VD uO t 0 t t t 2 3 uO u2 u2 u1 uD uD iO iO VD RL T 2 3 Im 2 2 3 3 UO 0 45U2 ID IO U2 2 22UO 0 0 0 VD1和VD3导通 VD2和VD4截止 相当于开路 第8章 u2 T u1 RL uo io 2 整流工作原理 u2正半周 二 桥式整流电路 1 桥式整流工作的组成 由变压器T和二极管VD1 VD4及负载RL组成 VD4 VD3 VD2 VD1 第8章 u2 T u1 RL VD4 VD3 VD2 uo io 2 整流工作原理 u2负半周 VD1 VD2和VD4导通 VD1和VD3截止 t o t o t o t o 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uD1 uD3 uD4 uD2 3 电压 电流的计算 UO 0 9U2 IO 0 9I2 I2 1 11IO U2 1 11UO uO u2 uD iO 第8章 例 已知负载电阻RL 180 采用单向桥式整流电路 要求通过负载电流的平均值I0 0 5A 选择整流电路中的二极管及变压器 第8章 故选择2CZ54D 最大整流电流为0 5A 最高反向电压为200V的二极管 接上页 第8章 滤波原理 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流 其中既有直流成分又有交流成份 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 将电容与负载RL并联 或将电感与负载RL串联 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 第三节滤波电路 电容充电 电容放电 二极管导通时给电容充电 二极管截止时电容向负载放电 一 电容滤波电路 1 电路组成和工作原理 第8章 u2 T u1 RL VD1 VD4 VD3 VD2 uo io uC a u0 RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 没有电容时的输出波形 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 u0会逐渐下降 具体分析 u2 t 忽略整流电路内阻 只有整流电路输出电压大于u0的时间区间 才有充电电流 因此整流电路的输出电流是脉冲波 整流电路的输出电流 RL接入 且RLC较大 时 u0 2 工作波形 u2 T u1 RL VD1 VD4 VD3 VD2 uO iO uC t iD uO 0 t t1 t4 t3 t2 0 分析RL未接入时的情况 充电结束 忽略整流电路内阻 u2 u1 b D4 D2 D1 D3 RL S C u0 uo u2 uD io VD RL T u1 t 0 2 3 3 半波整流电容滤波电路 估算公式 UO 1 0U2 UDR u2 1 近似估算 半波Uo U2 全波Uo 1 2U2 3 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大 U0越高 负载电流的平均值越大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大 2 电容滤波电路的特点 2 输出电压U0与时间常数RLC有关 希望C足够大 RLC愈大 电容器放电愈慢 U0 平均值 愈大 电容滤波电路适用于输出电压较高 负载电流较小且负载变动不大的场合 结论 例 某负载要求直流电压U0 30V 直流电流I0 0 5A 采用带电容滤波的单相桥式整流电路做直流电源 试计算滤波电容器的电容量并确定其最大工作电压的值 故选择允许最大工作直流电压为50V的电容器即可 第四节稳压管及稳压电路 IF UF 0 伏安特性 一 稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管 0 稳压管的主要参数 2 最小稳定电流Imin 3 最大稳定电流IZmax IZ UZ 4 最大允许耗散功率PM IF UF Imin IZmax 二 硅稳压管稳压电路 1 稳压电路的工作原理 T RL C Ui Uo u2 io u1 稳压 当输入电压Ui发生变化 负载RL变化时 输出电压基本不变 下面分别以两种情况来讨论 当Ui增加使U0升高时 T RL C Ui Uo u2 io u1 IZ 当RL减小 输出电流增加 使U0减小时 2 稳压管参数的选择 1 稳压电路稳压的实质是靠稳压管的调节作用和电阻的补偿作用 2 使用稳压管时必须串联电阻 3 在稳压电路中 稳压管通常为反接 UZ UO IZmax 2 3 IOmax 3 总结及注意 RL U