第8章 直流稳压电源(1)

1、8.1 8.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 8.2 8.2 半导体二极管半导体二极管 8.3 8.3 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 8.4 8.4 整流电路整流电路 8.5 8.5 滤波电路滤波电路 8.6 8.6 稳压电路稳压电路 1.了解半导体的基本概念。了解二极管、稳压管的基本了解半导体的基本概念。了解二极管、稳压管的基本 结构、工作原理、工作状态和特性曲线。掌握二极管的结构、工作原理、工作状态和特性曲线。掌握二极管的 特性，理解其主要参数的物理意义。掌握其主要应用领特性，理解其主要参数的物理意义。掌握其主要应用领 域。域。 2.理解整流电路、滤波电路和稳压管电路的工作原理

2、。理解整流电路、滤波电路和稳压管电路的工作原理。 重点：重点：二极管的特性及其应用，稳压管电路的工作原二极管的特性及其应用，稳压管电路的工作原 理，特性曲线。理，特性曲线。 难点：难点：整流、滤波，整流、滤波，稳压稳压原理。原理。 教学要求：教学要求： 半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间导电能力介于导体和绝缘体之间。 如：硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧如：硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧 化物等化物等。 u 当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 u 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变

3、。改变。 结构特点：结构特点：最外层电子（价电子）都是四个最外层电子（价电子）都是四个。 半导体的主要特点：半导体的主要特点： 共价键共价键 被紧紧束缚在共价键中，称为被紧紧束缚在共价键中，称为 Si Si Si Si 价电子价电子 Si Si Si Si 价电子价电子 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发。 空穴空穴 自由电子自由电子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即即 和和 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 载流子的浓度越高，载流子的浓度越高， P 型半导体：型半导体： N N 型半导体：型

4、半导体： 空穴数量空穴数量 自由电子数量自由电子数量 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子 自由电子数量自由电子数量 空穴数量空穴数量 与浓度有关与浓度有关与温度有关与温度有关 靠空穴导电靠空穴导电 靠自由电子导电靠自由电子导电 定义：渗入杂质的半导体。定义：渗入杂质的半导体。 形成：在本征半导体中渗入少量的形成：在本征半导体中渗入少量的 3 3 价价元素元素 形成：在本征半导体中渗入少量的形成：在本征半导体中渗入少量的 5 5 价元素价元素 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩

5、散运动 内电场内电场 漂移运动漂移运动 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。 漂移使空间电漂移使空间电 荷区变薄。荷区变薄。 空间电荷区，空间电荷区， 也称耗尽层。也称耗尽层。 扩散和漂移这一对相反的运动扩散和漂移这一对相反的运动 最终达到平衡，空间电荷区的最终达到平衡，空间电荷区的 厚度固定不变厚度固定不变。 称为称为PNPN结结 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交 界面处就形成了界面处就形成了PN 结。结。 扩散运

6、动：多数载流子由浓度差形成的运动。扩散运动：多数载流子由浓度差形成的运动。 漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动。漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动。 + + + + RE （1 1）PN 结正向偏置结正向偏置 内电场内电场 外电场外电场 变窄变窄 PN + _ 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。较大的扩散电流。 I 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动 （2）PN 结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变厚变厚 NP + _ 内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂的扩散

7、受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反 向电流。向电流。 RE I0 + + + + 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 正向偏置时，正向偏置时，PN结处于导通状态结处于导通状态 呈现呈现正向电阻很小，电流较大正向电阻很小，电流较大 反向偏置时，反向偏置时，PN结处于截止状态结处于截止状态 呈现呈现反向电阻很大，电流较小反向电阻很大，电流较小 反向电流受温度影响较大反向电流受温度影响较大 通过分析可知通过分析可知 PN PN PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导

8、体二极管。 引线引线 外壳外壳 触丝线触丝线 基片基片 点接触型点接触型 PN结结 面接触型面接触型 二极管的电路符号二极管的电路符号： 反向特性反向特性 U I P N + P N + 1、正向特性：、正向特性：当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管二极管 导通导通 反向击穿反向击穿 电压电压U(BR) 反向特性反向特性 U I P N + P N + 2 2、反向特性：、反向特性： 硅管：几硅管：几AA 锗管：几百锗管：几百AA 反向饱和电流反向饱和电流： I U 0 3 3、近似和理想伏安特性、近似和理想伏安特性 考虑二极管导通电压时的伏安特性考虑二极管导通电压时的伏

9、安特性 D U I U 0 忽略二极管导通电压时的伏安特性忽略二极管导通电压时的伏安特性 0U D = = D U 硅管硅管：0.6-0.7V 锗管锗管：0.2-0.3V （1 1）近似特性）近似特性 （2 2）理想特性）理想特性 三、主要参数三、主要参数 1. 1. 额定正向平均电流（最大整流电流额定正向平均电流（最大整流电流 ）IF 3. 3. 最高反向工作电压最高反向工作电压UR R 4. 4. 最大反向电流最大反向电流 IRm 选择和使用二极管的依据选择和使用二极管的依据 2. 2. 正向电压降正向电压降UF I IF F所对应的电压所对应的电压。 BR )U 3 2 (or 2 1

10、=U 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态 导通导通 截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 已知：已知：DA和和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位为硅二极管，求下列情况下输出端电位 VF的值。的值。（1 1） A V B V 6V A D B D F V R V3VV BA 0VV,3(2)V BA 0V(3)V BA 例例2： D 6V 12V 3k B A UAB + 电电 路路 如如 图图 所所 示，设示，设 二二 极极 管管 D1，D2，D3 的的 正正 向向 压压 降降 忽忽 略略 不不 计，求计，求 输输 出出 电电 压压 uO。 0 V 6

11、V 2 V 12V R D 3 D 2 D1 uO + - 例例4: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + V sin3 i tu t ：当：当Us 分别为分别为 2 V、4 V，而，而 ui 分别为分别为3 V、 3sint V 时，时，uo 的波形又将如何？的波形又将如何？ RL uiuo ui uo t t 定义定义： 交流交流直流直流 整流整流 逆变逆变 应用一、箝制电位作用应用一、箝制电位作用 应用二、隔离作用应用二、隔离作用 二极管的特性：二极管的特性： 应用三、限幅作用应用三、限幅作用 应用四、整流作用应用四、整流作用 功能：功能：把交流

12、电压变成稳定的大小合适的直流电压把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压 u4 uo u3u2 u1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性 u1 D4 D2 D1 D3 RLuo u2 + + + aT b 正半周正半周: :u20，uo= u2D1和和D3导通导通, + + + aT

13、 b u1 D4 D2 D1 D3 RLuo u2 负半周负半周: :u2 R 故故 ui 的直流分量大都降在的直流分量大都降在 RL 上上, , 故使故使 uo 变得平缓变得平缓 (a)型型LC 滤波电路滤波电路 (b)型型RC 滤波电路滤波电路 一一桥式整流电容滤波电路，已知电源的桥式整流电容滤波电路，已知电源的 f = 50 Hz，负负 载电阻载电阻 RL= 100 ，U2 = 25 V，试求试求（1）选择整流二极选择整流二极 管管（2）选择滤波电容器选择滤波电容器（3）若测得若测得 UO 分别为下列各值时，填分别为下列各值时，填 写下表。写下表。(a) UO= 30 V (b) UO

14、= 22.5 V (c) UO= 25 V （d）UO = 11.25 V (e) UO = 35.35 V + u2 + + uORLC + u2 + + uORLC 解解: :( (1) O2 O O L O FD RRm2 1.230V 0.3 A 220.3A 2 235.4V UU U I R I II UUU 查表选择查表选择FR 2 CZ 53 B4 (300 mA50 V)IU， (2) LL CN2 (3 5)(1.5 2.5) (300 500) 2 235.4V T CF RR f UU 查表选择查表选择 CN 470F,50 VCU的电解电容器的电解电容器 (3) 近似

15、估算取近似估算取： Uo = 1. 2 U2 ( 桥式、全波整流滤波电路桥式、全波整流滤波电路） Uo = 1. 0 U2 （半波整流滤波电路半波整流滤波电路） UZ IZmin IZmax UZ IZ U I O 利用二极管的反向特性工作利用二极管的反向特性工作 曲线越陡，曲线越陡， 电压越稳定电压越稳定 稳压稳压 误差误差 Uo IZDZ R I0 I UI RL )( 00 IIRUIRUU ZII I U 0 U Z U Z I IR 0 U 0 I IRU 0 限制稳压管电流不会超过限制稳压管电流不会超过 maxZ I R UU I I0 起到电压调节作用起到电压调节作用。 0 I

16、uo iZDZ R iL i ui RL 5mA 20mA, V,10 min max z zzW I IU 负载电阻负载电阻RL=2K,要求要求当输入当输入 电压由正常值发生电压由正常值发生 20%波动时负载电压基本不变波动时负载电压基本不变。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为流为I Iz zmax max 。 。 电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值的正常值。 mA25 max L ZW z R U Ii 102521RUiRu. zWi 方程方程1 令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时， 流过稳压管的电流为流过稳压管的

17、电流为 I Iz zmin min 。 。 mA10 min L ZW z R U Ii 101080RUiRu. zWi 方程方程2 uo iZDZ R iL i ui RL 联立方程联立方程1、2，可解得可解得： k50V7518.R,.ui P219例例8.6.1 电路如图所示，稳压管的稳定电压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ是是6V，正向正向 压降压降UD是是0.6V，求求：Ui=10V时时各电路各电路Uo。 uiRL R ui RL R ui RL R ui RL R uO uO uO uO ( )a( )b (c)(d) + - + - + - + - + - + - + - +

18、 - UO = UZ =UI-IRR IR = IO + IZ U I UZ UI UZ UO 基本不变基本不变 IRR IZ IR + UIRL + C IO UO + + u IR R DZ Iz 单片集成稳压电源，具有单片集成稳压电源，具有 体积小体积小, ,可靠性高可靠性高, ,使用灵活使用灵活, , 价格低廉等优点。价格低廉等优点。 最简单的集成稳压电源只最简单的集成稳压电源只 有输入，输出和公共引出端有输入，输出和公共引出端, , 故称之为三端集成稳压器。故称之为三端集成稳压器。 整流二极管整流二极管 三端稳压器三端稳压器 稳压管稳压管 1N4001-1N4007、1N5391-1N5399 例例: :电路如图所示，稳压管的稳定电压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ =10V=10V，稳压，稳压 管的最大稳定电管的最大稳定电 流流 IZ