二极管整流电路工作原理PPT课件

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 6 0 7V 锗管0 2 0 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 u2 0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 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 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 9U2 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 0 wta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 c VD6 d RL e VD2 b 输出电压波形图 wta wtc 最高 VD4导通 最底VD2导通 电流方向 a VD4 d RL e VD2 b wtc wtb 最高 VD4导通 最低 VD3导通 电流方向 a VD4 d RL e VD3 c 输出电压波形图 wtb wta 最高 VD5导通 最低 VD3导通 电流方向 b VD5 d RL e VD3 c wta wtc 为最高 VD5导通 最低 VD1导通 电流方向 b VD5 d RL e VD1 a 输出电压波形图 wtc wtb 为最高 VD6导通 最低 VD1导通 电流方向 c VD6 d RL e VD1 a wtb wta 为最高 VD6导通 最低 VD2导通 电流方向 c VD6 d RL e VD2 b 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 UoIZmax 1 5 IomaxUi 2 3 Uo u Ui Uo I