第8章直流稳压电源

1 电工学 少学时 之 电子技术 主讲 于为民地址 机电楼B314 电话 87656139 314 2 电子技术 模拟电子技术 任务 解决本专业电子技术入门问题 掌握电子电路的基本工作原理 分析方法和基本技能 特点 电路理论的研究对象 实际电路的理想模型 电路模型 模拟电子技术部分讨论常用的电子器件 以及由它们组成的用以完成各种不同功能的电路实体 重点 应用特性 注意 工程近似的分析方法 电子技术中管 器件 路 电路 用 实际应用 三者的关系是 管 路 用结合 管为路用 以路为主 重点是基本电路 对于电子器件 重点在于了解它们的外特性以及如何用于电路中 3 另一特点 实践性很强 不仅要求掌握基本理论知识 还应当学会用实验的方法验证基本规律 组装和调试电子电路 先修课程 电路原理 后续课程 微机原理与应用技术 机电一体化技术 数控机床与系统 机电测试技术等 4 5 学习方法 重点掌握基本概念 基本电路 基本方法 6 成绩评定 平时 作业10 20 实验 20 考试 70 80 7 参考书 秦增煌主编 电子技术基础 第四版 高教出版社 清华大学 电子技术基础简明教程 高教出版社 前言 4 教学目标 能够对一般性的 常用的电子电路进行分析 同时对较简单的单元电路进行设计 放心吧 我们一定都能做到 5 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 6 8 1半导体的基础知识 按导电能力导体半导体绝缘体半导体在常态下更近于绝缘体 但在掺杂 受热 光照后 导电能力明显增强而接近于导体 用于制造半导体器件的材料有硅 锗 砷化镓等 元素半导体 化合物半导体 7 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 2 本征半导体的导电特性 半导体中有两种载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴 两种载流子同时存在 区别于导体的重要特点 在本征半导体中 两种载流子成对出现 数量相等 但温度对其影响很大 T越高 载流子数量越多 本征半导体中载流子数量很少 导电能力很差 如果掺入微量的其它合适的元素 掺杂 就可明显提高其导电能力 动画1 1 2 8 二 杂质半导体 1 N型半导体 2 P型半导体 掺入杂质的半导体 根据掺杂的不同 杂质半导体分两类 9 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 图01 04N型半导体结构示意图 1 N型半导体 自由电子导电成为主要导电方式 称N型半导体 也叫电子型半导体 10 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 图01 05P型半导体的结构示意图 2 P型半导体 图01 05P型半导体的结构示意图 11 单个N型或P型半导体 与本征半导体比 只是导电能力增强了 仅能用来制造集成电路中的电阻 但做成PN结 就是制造各种半导体器件的基础 12 三 PN结 1 PN结的形成通过一定的工艺 在同一个半导体硅片上形成两个相互接触的P型区和N型区 它们的交界面处则形成PN结 P型半导体的多子是空穴 N型半导体的多子是自由电子 因两者的浓度差异引起的载流子定向运动称为扩散 交界面两侧的多子扩散到对方后很快复合而消失 在交界面处留下不能移动的离子 空间电荷 这一区域称空间电荷区 又称耗尽层 13 图01 06PN结的形成过程 动画1 3 由于空间电荷区的存在 正负电荷形成一个内电场 它将阻止多子继续扩散 同时又促使少子漂移 扩散使空间电荷区加宽 漂移使空间电荷区变窄 两种运动同时进行着 当扩散流强度等于漂移流强度时 PN结达到了动态平衡 空间电荷区也就达到了稳定状态 14 2 PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性 若外加电压使电流从P区流到N区 PN结呈低阻性 所以电流大 反之是高阻性电流小 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 15 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所示 动画1 4 PN结加正向电压时的导电情况 1 PN结加正向电压时的导电情况 16 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 PN结加反向电压时的导电情况如图所示 图PN结加反向电压时的导电情况 2 PN结加反向电压时的导电情况 17 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 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 动画1 5 图PN结加反向电压时的导电情况 18 8 2半导体二极管Diode 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 19 半导体二极管的结构 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 面接触型和平面型三大类 它们的结构示意图如图所示 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 20 3 平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 2 面接触型二极管 符号 阳极 21 二 伏安特性 反向特性 正向特性 死区 死区电压Uth 硅管0 5V锗管0 1V 导通压降UD 硅管0 6 0 8V锗管0 1 0 3V 1 实际特性 锗管硅管 22 半导体二极管图片 23 24 end 25 二极管V I特性的建模 误差最大 应用最普遍 iD 1mA时才正确 26 2 4 2应用举例 1 限幅电路 所谓限幅 是让信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分 作业 P2238 2 2 27 2 开关应用 例 已知如图 求UF 1 UA UB 3V2 UA 3V UB 0V 解 1 设UD 0 7V DA DB正偏导通 UF UA UD UB UD 3 0 7 3 7V 2 因为UB UA DB先导通 则UF 0 0 7 0 7V DA此时反偏截止 隔断了UA对UF的影响 DB起箝位作用 DA起隔离作用 箝位 作业 P2238 2 1 28 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 29 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 30 四 光电耦合器 光电隔离器 作用 电气隔离 抗干扰 系统保护 31 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo的稳定 8 3直流稳压电源的组成 32 一 整流电路 1 半波整流电路 二极管导通 忽略二极管正向压降 uo u2 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 二极管截止 uo 0 u2 0时 u2 0时 33 单相半波整流电压波形 34 Io Uo RL 0 45U2 RL 输出电压平均值 Uo 输出电流平均值 Io 作业P2238 4 2 35 2 单相桥式整流电路 bridgerectifiercircuit 组成 由四个二极管组成桥路 36 D1 D3导通 D2 D4截止 u2正半周时电流通路 原理 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 37 D2 D4导通 D1 D3截止 u2负半周时电流通路 38 u2 0时 D1 D3导通D2 D4截止电流通路 a D1 RL D3 b u2 0时 D2 D4导通D1 D3截止电流通路 b D2 RL D4 a 整流输出电压平均值 Uo 0 9U2 负载电流平均值 Io Uo RL 0 9U2 RL 二极管平均电流 ID Io 2 单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 39 集成硅整流桥 40 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 12V 电源变压器一次电压U1 220V 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 41 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 42 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 8 5滤波电路 43 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析 其电路如图所示 1 电容滤波原理 一 电容滤波电路 capacitancefilter filteringcapacitance 44 充电结束 没有电容时的输出波形 a uc RL未接入时 忽略整流电路内阻 45 RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 46 近似估算 Uo 1 2U2Io Uo RL a 输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关 RLC愈大 电容器放电愈慢 Uo 平均值 愈大 2 电容滤波电路的特点 输出电压的平均值 UO 1 2U2 全波 空载输出直流电压 滤波电容的耐压 47 例8 5 1 一桥式整流 电容滤波电路 已知电源频率f 50Hz 负载电阻RL 100 输出直流电压UO 30V 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 48 查附录 选用2CZ53B4个 IF 300mA UR 50V 2 选择滤波电容器 C 300 500 F F UCN 35 4V 3 负载电阻断路时 4 电容断路时 UO 0 9U2 0 9 25V 22 5V IF 2ID 2 0 15A 0 3A UR URm 34 5V 作业P2238 5 1 49 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 2 电感滤波电路 50 对谐波分量 f越高 XL越大 电压大部分降在XL上 因此 在输出端得到比较平滑的直流电压 对直流分量 XL 0相当于短路 电压大部分降在RL上 1 电感滤波原理 51 整流管导电角较大 峰值电流很小 输出特性比较平坦 适用于低电压大电流 RL较小 的场合 缺点是电感铁芯笨重 体积大 易引起电磁干扰 2 电感滤波的特点 52 改善滤波特性的方法 采取多级滤波 RC 型滤波器 将RC 型滤波器中的电阻换为电感 变为LC 型滤波器 3 复式滤波电路 53 LC 形滤波电路 54 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 55 解 1 Ui 10V时DZ反向击穿稳压 UO UZ 5V 2 Ui 3V时DZ反向截止 UO Ui 3V 3 Ui 5V时DZ正向导通 UO 0V 4 ui 10sin tV时当0 ui 5V时 DZ反向截止 UO Ui 10sin tV 当ui 5V时 DZ反向击穿稳压 例8 6 1 如图所示电路 设UZ 5V 正向压降忽略不计 当直流输入Ui 10V 3V 5V时 Uo 当输入为交流ui 10sin tV时 分析uO的波形 UO UZ 5V 当ui 0V时 DZ正向导通 UO 0V 作业 P2248 6 1 56 二 稳压二极管稳压电路 稳压过程 UO IZ I IR UO 5