电工电子技术第四章ppt电子稿

4.2特殊二极管,4.3二极管整流及滤波电路,4.4稳压管稳压电路,4.1PN结和二极管,第4章二极管及其应用,第4章,上页,下页,返回,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。它具有共价键结构。,锗和硅的原子结构,单晶硅中的共价键结构,价电子,硅原子,第4章,上页,下页,返回,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。,在常温下自由电子和空穴的形成,复合,自由电子,本征激发,第4章,上页,下页,返回,2.N型半导体和P型半导体,原理图,P,自由电子,结构图,磷原子,正离子,P+,在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。,多余价电子,在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子,第4章,上页,下页,返回,P型半导体,在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。,原理图,B,B-,硼原子,负离子,空穴,填补空位,结构图,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,第4章,上页,下页,返回,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一个PN结。,P区,N区,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,空间电荷区,内电场方向,3.PN结的形成,第4章,上页,下页,返回,空间电荷区,内电场方向,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。,P区,N区,多子扩散,少子漂移,第4章,上页,下页,返回,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。,内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。,结论：,在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。,第4章,上页,下页,返回,4.PN结的单向导电性,P区,N区,内电场,外电场,E,I,空间电荷区变窄,P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和,N区电子进入空间电荷区和一部分正离子中和,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,第4章,上页,下页,返回,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走.,空间电荷区变宽,内电场,外电场,少子越过PN结形成很小的反向电流,IR,E,第4章,上页,下页,N区,P区,返回,由上述分析可知：,PN结具有单向导电性,即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）,加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）,切记,第4章,上页,下页,返回,4.1.2二极管1.二极管的结构,表示符号,面接触型,点接触型,引线,触丝,外壳,N型锗片,N型硅,阳极引线,PN结,阴极引线,金锑合金,底座,铝合金小球,第4章,上页,下页,返回,第4章,上页,下页,返回,2.二极管的伏安特性,-40,-20,O,U/V,I/mA,60,40,20,-50,-25,0.4,0.8,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),硅管的伏安特性,I/A,第4章,上页,下页,返回,-20,-40,-25,0.4,0.2,-50,10,O,15,5,I/mA,U/V,锗管的伏安特性,I/A,死区电压,3.二极管的主要参数,第4章,上页,下页,返回,第4章,上页,返回,下页,4.1.3二极管的等效电路及其应用,（1）二极管的工作点,E,UQ,IQ,E,R,-,Q,U=ERI,1二极管的等效电路,第4章,上页,返回,下页,二极管的静态电阻和动态电阻,第4章,上页,返回,下页,I,U,（2）二极管特性的折线近似及模型,Q,U0N,O,P,U=UONrDI,实际二极管的等效电路,理想二极管的等效电路,D,S,第章,上页,下页,返回,二极管的应用电路举例,二极管的应用很广泛，主要是利用它的单向导电性下面介绍几种应用电路。,（1）限幅电路：其功能是限制输出电压的幅度。,例4-1利用二极管作正限幅器的电路如图4-5（a）所示。已知ui=UmsintV,且UmUs,试分析工作原理，并作出输出u0的波形。,解：当uiUs时，D立即判断，故u0=ui；,设D为理想二极管，当uiUs时，D立即导通，因管压降为零，故u0=Us；,根据以上分析，画出波形如图4-5(b)所示。,第章,上页,下页,返回,（2）二极管门电路,门电路是一种逻辑电路，输出信号与输入信号之间存在着一定的因果关系，这种因果关系称为逻辑关系，满足因果关系的电路叫做逻辑电路。,图4-5例4-1,第章,上页,下页,返回,逻辑电路常用“0”或“1”表示两种对立的逻辑状态，若用“0”表示低电平，“1”表示高电平，称为正逻辑，反之，称为负逻辑。,基本逻辑关系有三种，与逻辑、或逻辑和非逻辑。与此对应的门电路是：与门、或门和非门。用这三种门电路可以组成其他多种复合门电路。，例如：与非门、或非门、与或非门，异或门等等。,例4-2最简单的与门电路及逻辑图符号如图4-6所示。它是由二极管D1、D2和电路R及电源Vcc组成。图中A、B为二个输入端，F为输出端。设Vcc=5V,A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V，并忽略D1、D2的正向导通压降。试分析电路,的VF与Vi之间的关系。,第章,上页,下页,返回,解：当VA=VB=0V时，D1和D2正向偏置（即正向导通），则VF=0V，即F为低电平；,当VA=0V，VB=3V时，D1正向偏置，D2反向偏置，则VF=0V，即F为低电平0；,当VA=3V，VB=0V时，D2正向偏置，D1反向偏置，则VF=0V，即F为低电平；,上页,下页,返回,当VA=3V，VB=3V时，D1、D2均正向偏置，则VF=3V，即F为高电平1。,因此可根据以上分析，列出电路的逻辑关系电平表为表4-1所示，若用逻辑状态“0”和“1”表示输出与输入之间关系，列出的表叫做电路的真值表，如表4-2所示。,表4-1电路的逻辑电平,表4-2电路的真值表,第章,第章,上页,下页,返回,从表4-2可写出输出与输入的逻辑关系为F=AB电路具有与运算的功能与逻辑的运算关系如下：00=001=010=011=1从上面可看出逻辑与的含义是：输入全高，输出才为高电平1；输入有低，输出为低电平0。,例4-3由二极管D1、D2和电阻R组成的或门电路及逻辑图符号如图4-7所示。图中A、B为二个输入端，F为输出端。设A、B输入端的高电平（逻辑1）为3V，低电平（逻辑0）为0V，并忽略D1、D2的正向导通压降。试分析电路的u0与ui之间的逻辑关系。,第章,上页,下页,返回,解：画出电路的逻辑电平表和真值表如表4-3和表4-4，分析电路输出与输入的逻辑关系,第章,上页,下页,返回,表4-3电路的逻辑电平,表4-4电路的真值表,从以上分析可写出电路的输出与输入的关系式为F=A+B,或逻辑的运算关系如下：0+0=00+1=11+0=11+1=1从上面可看出逻辑或的含义是：输入有高，输出为高电平1；输入全低，输出为低电平0。,4.2特殊二极管,第章,上页,下页,返回,4.2.1稳压二极管,除了普通二极管外，还有一些特殊二极管，现介绍如下：,稳压管的主要参数:,第章,上页,下页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,第章,上页,下页,返回,稳压管构成的稳压电路,图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。,由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。,例如:当RL不变,第章,上页,下页,返回,4.2.2光电二极管,光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接收光照。其工作特点是：当光线照射于它的PN结时，可以产生大量的自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高，在一定的反向偏置电压作用下，使反向电流增加。因此，它的反向电流随光照度的增强而线性增加。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。光敏二极管的电路、等效电路和符号如图4-9所示。,第章,上页,下页,返回,主要参数：1.暗电流无光照时的反向电流,一般小于1A。2.光电流在额定光照度下的反向电流，一般为几十mA。,3.灵敏度指在给定波长的单位光功率时,光电二极管产生的光电流,一般0.5A/W,4.峰值波长使光电二极管具有最高响应灵敏度的光波长,一般光电二极管的峰值波长在可见光和红外线范围内。,5.响应时间指加定量光照后,光电流达到稳定值的63%所需的时间,一般为10-7S。,用途：光敏二极管可作光控元件用于各种物体的检测、光电控制、自动控制报警等方面，也可以制成光电池，将光能转换为电能。,上页,下页,返回,第章,第章,上页,下页,返回,4.2.3发光二极管,发光二极管是将电能转换为光能的半导体器件，简称为LED（LightEmittingDiode）,它的工作特点正好与光敏二极管相反，其电路和符号如下图所示。,不同的半导体材料构成的发光二极管，发出的光的顔色是不同的，如磷砷化镓材料会发出黃色，磷化镓材料发红色或绿色等等。,第章,上页,下页,返回,发光二极管主要参数：1.正向工作电压为1.5V2.5V;2.工作电流为515mA;3.死区电压:0.91.1V;4.反向击穿电压小于10V。,-40,-20,O,U/V,I/mA,20,15,10,-10,-5,1,3,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),I/A,第章,上页,下页,返回,4.3二极管整流及滤波电路,小功率直流稳压电源一般由以下四部分组成:,电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,uo,uF,uR,u2,u1,t,t,t,t,t,0,0,0,0,0,图4-11直流稳压电源结构和稳压过程,第章,上页,下页,返回,4.3.1单相整流电路,整流电路和任务是将交流电变成换成单方向脉动的直流。它由二极管构成的整流电路来完成这一变换。,1.单相半波整流电路,第章,上页,下页,返回,工作原理:,u2在正半周时：D导通，u0=u2,i0=u0/R;,u2在负半周时：D截止，u0=0,i0=u0/R,uD=u2;,整流波形如图4-12(b所示。,整流器输出的平均电压为,整流电流的平均值,二极管承受的最高反向电压:,第章,上页,下页,返回,2.单相桥式整流电路,u1在正半周时：D1、D3导通，D2、D4截止,u1在负半周时：D2、D4导通，D1、D3截止,0,0,工作原理,上页,下页,第章,返回,负载上得到的脉动电压：,整流电压的平均值,整流电流的平均值,二极管承受的最高反向电压:,UDRM=?,UDRM=2U2,t,=0.9U2,0,第章,上页,下页,返回,变压器二次侧的电流：,i2,=,表4-5给出了常见的几种整流电路图和整流电压波形及计算公式，可供应用时参考。,4.3.2滤波电路,1.电容滤波电路,RL=,RL0,u2正半周上升段，D导通，C充电.u0跟随u2变化,u2正半周下降段的开始，D仍导通，u0跟随u2变化。C继续充电,u2继续下降，u2uC,D截止，C放电，u0按指数函数衰减,直到u2上升到u0，D再次导通，进入下一周期,0,0,0,功能:将脉动的直流电变换成平直的直流电。,第章,上页,下页,返回,第章,上页,下页,返回,输出电压与负载的关系,0.9U2,电容滤波,无电容滤波,为了得到较为平直的输出电压：,一般要求：RLC(35)T/2,T交流电源的周期,U0=,U2(半波）,1.2U2(全波）,(桥式整流),t,u0,0,0,第章,上页,下页,返回,例4-3单相桥式整流电容滤波电路如图4-16所示。交流电源频率f=50HZ,RL=120要求输出U0=30V,试选择整流元件及滤波电容。,解：选择整流二极管,流过二极管的平均电流为,=0.530/120=125mA,由U0=1.2U2可得U2=U0/1.2=30/1.2=25V,第章,上页,下页,返回,二极管承受的最高反向电压为,选用IDMID,URMUDRM的二极管4只，查附录3表3-1。选2CP1型号的便可。,选择滤波电容,选用C=470F，耐压值为50V的电解电容器一只。,电容滤波一般用于小电流滤波的场合。,第章,上页,下页,返回,2.电感滤波电路,桥式整流电路电感滤波电路如图4-17所示。电感滤波的特点是：整流管的导通角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。缺点是电感由于有铁心，体积大，笨重，易引起电磁干扰。一般用于大电流滤波的场合。,第章,上页,下页,返回,3.复式滤波电路,L滤波,RC滤波,LC滤波,型滤波,第章,上页,下页,返回,4.4稳压管稳压电路,稳压电路的功能是:输出直流电压Uo不受交流电压和负载的变化,保持电压恒定。其电路如图4-19所示。,第章,上页,下页,返回,稳压原理,（1）当负载不变,交流电压波动增大时,（2）当电源电压不变,负载变化增大时,稳压二极管选取的依据是:,UZ=UOIZmax=(1.53)IomaxU1=(23)Uo,第章,上页,下页,返回,例4-4稳压管稳压电路如图4-19所示。已知RL由开路变到3K交流电压经整流滤波后得出U1=45V。今要求输出直流电压Uo=15V,试选择稳压管DZ。,解：已知要求输出U0=15V=UZ,取IZ=3Io=15mA,查晶体管器件手册，选取2CW20一只，其参数为,UZ=13.517V,IZ=5mA,IZmax=15mA,第章,上页,下页,返回,例4-5图4-20所示电路中,已知UZ=12V,IZmax=18mA,IZ=5mA,负载RL=2K当输入电压由正常