电工学第五章

1、2013 年 9月第六章第六章 整流、滤波及稳压电路整流、滤波及稳压电路半导体的导电特性半导体的导电特性 6-1半导体二极管半导体二极管 6-2稳压管稳压管6-3本章内容本章内容整流、滤波及其稳压电路整流、滤波及其稳压电路6-41. PN1. PN结的单向导电性结的单向导电性3. 3. 稳压二极管的稳压原理稳压二极管的稳压原理l 本章本章重点重点：2. 2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性4. 4. 二极管的整流、滤波电路工作原理二极管的整流、滤波电路工作原理6-1 6-1 半导体的导电特性半导体的导电特性知识准备：知识准备：物质按导电性能划分：导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体。导体

2、导体：一般是低价元素，如铜、铁、铝等金属在外电场的作用下自由电子定向流动形成了电流。导体具有较好的导电性。导体具有较好的导电性。绝缘体绝缘体：一般为高价元素，如橡胶、塑料、惰性气体绝缘体导电性差。绝缘体导电性差。物质的导电性能取决于：原子结构，最外层电子数目越原子结构，最外层电子数目越 少，导电性就越强。少，导电性就越强。6-1 6-1 半导体的导电特性半导体的导电特性6-1-1 6-1-1 本征半导体本征半导体1、半导体导电特性导电特性 半导体：半导体：导电性导电性 介于导体和绝缘体之间。介于导体和绝缘体之间。典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。通过一定的工艺过程，可以将半导

3、体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。共价健共价健 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本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可变在常温下即可变为自由电子为自由电子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴对同一块半导体，一端掺入受主杂质，成为对同一块半导体，一端掺入受主杂质，成为P型半导体；另一端掺入施主杂质，成为型半导体；另一端掺入施主杂质，成为N型半型半导体，这两种杂质半导体紧密地结合在一起。导体，这两种杂质半导体紧密地结合在一起。于是在接触

4、面便形成一个于是在接触面便形成一个PN结。结。扩散运动扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动低的地方运动，称为扩散运动气体气体液体液体固体固体多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空扩散的结果使空间电荷区变宽。间电荷区变宽。空间电荷区称为空间电荷区称为 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区注：注：PNPN结的结电容很小结的结电容很小 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+（三）（三）PN结结2、PN结的单向导电性结的单向导电性 （1）PN结外加正向电压结外

5、加正向电压PN结正偏结正偏PN结正向导通结正向导通外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反有利于扩散进行有利于扩散进行扩散扩散漂移漂移PN结变窄结变窄外部电源不断提供电荷外部电源不断提供电荷产生产生较大较大的扩散电流的扩散电流IFIR+（2）PN结外加反向电压结外加反向电压PN结反偏结反偏PN结反向截止结反向截止外电场与内电场方向相同外电场与内电场方向相同有利于漂移进行有利于漂移进行漂移漂移扩散扩散PN结变宽结变宽少数载流子运动少数载流子运动产生较小的反向电流产生较小的反向电流IR总结：总结：结加正向电压结加正向电压导通导通结加反向电压结加反向电压截止截止结单向导电性结单向导电性（一）基本

6、结构和分类（一）基本结构和分类PN阳阳极极阴阴极极6-2 6-2 半导体二极管半导体二极管符号：符号：P+_NPN结加上管壳和引线，就成为半导结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。体二极管。（二）伏安特性（二）伏安特性二极管阳极与阴极之间的电压与流过电流之间的关系曲线二极管阳极与阴极之间的电压与流过电流之间的关系曲线 通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为二极管正偏则导通，反偏则截止故认为二极管正偏则导通，反偏则截止单向导电性单向导电性 B硅硅UIAAB伏安特性曲线伏安特性曲线锗锗正向：正向：OAOA段（死区）段（死区

7、）硅管约硅管约0.5V0.5V，锗管约，锗管约0.2V(0.2V(死区电压）死区电压）正向导通正向导通 ：硅管约：硅管约0.7V0.7V，锗管约，锗管约0.3V0.3V（导通电压或称管降）（导通电压或称管降）理想状态认为管降为理想状态认为管降为0V0V反向：反向：OBOB段（截止区）段（截止区）I I近似为近似为0 0击穿区击穿区 管子被击穿，管子被击穿，U UB B反向击穿电反向击穿电压压UI理想特性曲线理想特性曲线+-UI-+UIo（四）二极管的应用（四）二极管的应用例例1 1：二极管的钳位作用：二极管的钳位作用D D6V6V12V12V3k3k B BA AU UABAB+ +（四）二极

8、管的应用（四）二极管的应用1、二极管电路分析：先、二极管电路分析：先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考虑管降，正向管压降考虑管降，正向管压降硅硅0 0.60.7V锗锗0.20.3V若若 V阳阳 V阴阴或或 UD为正，二极管导通为正，二极管导通若若 V阳阳 UDA DB 优先导通优先导通， DA截止截止。 锗二极管：锗二极管：VY = VB + UD = 0.3V 硅二极管：硅二极管：VY = VB + UD = 0.7V-6VRDAVA AVB BVY YDB UDA UDB DA 优先导通优先导通， DB截止截止。理想二极管：理想二极管：VY = VA = 3V 锗二

9、极管：锗二极管：VY = VA - UD = 2.7V 硅二极管：硅二极管：VY = VA - UD = 2.3V+6VRDAuA AuB BuoDBt/suA/V3Vt/suB/V3Vt/suo/V3V均导通均导通DB导通导通DA导通导通均导通均导通当输入均为同当输入均为同3V时，输出才为时，输出才为3V当输入有一为当输入有一为0V时，输出为时，输出为0V实现了实现了“与与”门逻辑门逻辑2、多个二极管连接：、多个二极管连接：若若 共阴极共阴极，阳级最高一个先导通，阳级最高一个先导通若若 共阳级共阳级，阴级最低一个先导通，阴级最低一个先导通先导通的一个二极管起先导通的一个二极管起钳位钳位作用。

10、作用。 总结：总结：V sin18itu t UZIZminIZmax UZ IZ-+UIO6-3 6-3 稳压二极管稳压二极管UZRUoUi+稳压原理：稳压原理：RL1、UiIDZUo（UZ）IRURUo若若UR= Ui，则，则UO基本不变基本不变2、RL (Ui不变）不变）IDZUo（UZ）IRILRL IR若若IL= -IDZ，则，则UO基本不变基本不变+-IRIDZILUi=UR+UoUZ=UoIR=IDZ+ILUo（UZ）Uo（UZ）UIUZIZminIZmaxZZ ZIUr例例 1 稳压二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压UZ = 5V，正向压降忽略，正向压降忽略不计。当输入电压不

11、计。当输入电压Ui 分别为分别为 直流直流10 V、3 V、-5V时，时，求输出电压求输出电压UO；若；若 ui = 10sin tV，试画出，试画出 uo 的波形。的波形。uit 10VDZRuoui+解解：Ui = 10V： DZ 工作在反向击穿区，稳压，工作在反向击穿区，稳压，UO = UZ = 5VUi = 3V：DZ 反向截止，反向截止，UO = Ui = 3VUi = -5V： DZ 工作在正向导通状态，工作在正向导通状态，UO = 0Vui = 10sintV：ui正半周，当正半周，当ui UZ，DZ 反向击穿，反向击穿，uO = 5V当当ui Vb，D导通，导通，uo = u2

12、 u2 负半周，负半周，Va Vb，D 截止，截止，uo = 0 uoOt u2 tO2U22U2二极管起整流作用二极管起整流作用 6-4 6-4 整流、滤波及稳压电路整流、滤波及稳压电路6-4-1-1 6-4-1-1 单相半波整流电路单相半波整流电路)(sin22120ttdUUo22U245. 0ULLRURUoI2045. 0整流电流的平均值：整流电流的平均值：流过二极管的正向电流的平均值流过二极管的正向电流的平均值IoIDM选管条件之一选管条件之一 +aTrDuou2bRLio+u1t uDO uoOt u2 tO2U22U22U2二极管二极管U UDRMDRM= =22UuD=u2-

13、uo u2 负半周，负半周，D 截止，承受反向电压截止，承受反向电压 为了使用安全，选择二极管时，反为了使用安全，选择二极管时，反向工作峰值电压要比向工作峰值电压要比UDRM 大一倍大一倍左右。左右。选管条件之二选管条件之二 +aTrDuou2bRLio+u1245. 0UUo 解：如图所示的单相半波整流如图所示的单相半波整流电路，负载电路，负载R RL L=500=500，变，变压器副边电压有效值压器副边电压有效值U2=10V，求，求UO、I Io o及及U UDRMDRM并选用适合二极管。并选用适合二极管。VV5 . 41045. 0mARUoIoL95005 . 4VUUDRM1 .14

14、22 查附录二。可选择查附录二。可选择2AP2（16mA，30V） 单相半波整流电路特点：单相半波整流电路特点： 结构简单结构简单 输出电压低脉动大，变压器使用效率低输出电压低脉动大，变压器使用效率低用于小电流、脉动要求不严格的电路用于小电流、脉动要求不严格的电路（一）电路及工作原理（一）电路及工作原理Flash5 6-4-1-2 6-4-1-2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路（二）数量关系（二）数量关系1、负载直流电压平均值、负载直流电压平均值2、负载直流电流平均值、负载直流电流平均值LoDRUII245. 0213、变压器副边电流有效值、变压器副边电流有效值I2LLRURUI2009.0

15、22UUDRM 02209.0sin211UttdUtduUooLRUI22ooLIIRU11.19.02ooII11.19.0oUU11.12根据输出电压数值来决定变压器副边根据输出电压数值来决定变压器副边电压的有效值。电压的有效值。副边电压和电流的有效值是选择变压器的副边电压和电流的有效值是选择变压器的重要依据。重要依据。4、流过每管的电流平均值、流过每管的电流平均值ID5、每管承受的最高反向电压、每管承受的最高反向电压UDRMu0u2u2u1abD4D2D1D3RL+_i0例例2:2:如图所示的单相桥式如图所示的单相桥式整流电路，要求输出直流整流电路，要求输出直流电压电压U Uo o为为

16、12V12V，电流，电流I Io o为为10mA10mA，试选择二极管并确，试选择二极管并确定变压器副边电压和电流定变压器副边电压和电流的有效值。的有效值。2oDII解：流过二极管的电流mAmA51021VUoUUDRM9 .189 . 0222电压二极管承受的最高反向 查附录二。可选择查附录二。可选择2CP11（100mA，50V）VVU2 .13121 . 1.1U1o2变压器副边电压mAmA11101 . 1.1I1Io2变压器副边电流 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。其中既有直流成份又有交流成份。滤波电路

17、利用储能元件电容两端的电滤波电路利用储能元件电容两端的电压压(或通过电感中的电流或通过电感中的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 滤掉滤掉整流整流电路输出电压中的电路输出电压中的交流交流成份，成份，保留保留其其直流直流成份，达成份，达到平滑输出电压波形的目的。到平滑输出电压波形的目的。 方法：方法：将将电容电容与负载与负载RL并联并联或将或将电感电感与负载与负载RL串串联联。6-4-2 6-4-2 滤波电路滤波电路1、工作原理、工作原理6-4-2-1 6-4-2-1 电容滤波电路电容滤波电路u0u2u2u1abD4D2D1D3RLC+_uCi0 u u2 2 正半周，正半周，D1D1、D3D

18、3导通，电源在导通，电源在给负载给负载R RL L供电的同时也给电容充电，供电的同时也给电容充电， u uC C 增加，增加，u uo o= u= uC C 。（。（oaoa段）段）uoU2U2u2 tO tOa u uc cu u2 2 ，D1D1、D3D3截止，电容截止，电容C C通过通过RLRL放电，放电， u uo o= u= uC C 。（。（abab段）段）b 注：放电的快慢取决于注：放电的快慢取决于=R=RL LC C，愈大，放电愈慢，输出电压愈平缓愈大，放电愈慢，输出电压愈平缓 u u2 2 负半周，负半周， u u2 2u uc c D2 D2、D4D4导通，导通，电源又给电

19、容充电，电源又给电容充电， u uC C 增加，增加，u uo o= = u uC C 。（。（bcbc段）段）c25)(3LTCR 一般取一般取(1) (1) 输出电压的脉动程度与平均值输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间与放电时间 常数常数RLC有关。有关。 近似估算取：近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波）桥式、全波） U2 为了得到比较平直的输出电压为了得到比较平直的输出电压有电容滤波有电容滤波 无电容滤波无电容滤波0 UooIO 结论结论 因此电容滤波适合于要求因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。小且负载变化较小的场合。 RLC 越大越大O 越高，越高，IO 越越大大整流二极管导通时间越短整流二