电工学第八章(少学时)

第八章

直流稳压电源第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。8.1半导体的基础知识半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强为什么具有这些导电特性？这是由半导体材料的原子结构和原子之间结合方式决定的（一）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。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。（二）杂质半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体，正负电荷数目相等，他们的相互作用抵消，因此是电中性的，对外不显电性。小结：(1)本征半导体中有两种载流子导电，自由电子和空穴，但载流子数目极少,其导电性能很差。温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。(2)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(3)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(4)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。为什么离子不参加导电？

半导体中离子虽然带电，但由于物质结构的关系，他们不能任意移动，因此不参与导电。返回1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba1.电子导电和空穴导电有什么区别？空穴电流是不是由自由电子递补空穴所形成的？练习和思考：答：电子导电是指带一个电量负电荷的自由电子在外电场的作用下，产生定向运动形成电流的过程。而空穴导电是指共价键中的价电子挣脱共价键的束缚，填补空穴，好像空穴在运动，而形成电流的过程。

空穴电流不是自由电子递补空穴所形成的，而是共价键中的价电子递补空穴所形成的。练习和思考：2.N型半导体的自由电子多于空穴，而P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，而P型半导体带正电？答：以N型半导体为例，由于掺杂后自由电子数目大量增加，当这些带负电的自由电子离开原子核后，原子核所在的晶格上就带生了等量的正电荷，这个电荷叫空间电荷。从整个晶体来看，它仍然是不带电的。空间电荷与带正电的空穴不同的是它是不能移动的。 不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。 半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。 各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。（二）PN结1）PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散增强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定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中的空穴和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（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2）PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。8.2半导体二极管（一）基本结构(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。阴极阳极(

d

)符号D（二）伏安特性硅管0.5V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。UI0UD近似特性UI0理想特性当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略。二极管的电压小于其导通电压的正向电压降时，二极管截止，电流等于零；二极管导通后，正向电压降恒等于UD。当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，二极管可看作理想二极管。加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻等于零，二极管相当于短路；加反向电压时，二极管截止，反向电流等于零，反向电阻等于无穷大，二极管相当于开路。（三）主要参数1.额定正向平均电流

IF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.最高反向工作电压UR是保证二极管不被击穿而施加的最大反向电压，一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.最大反向电流IRM指二极管加最高反向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，IRM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,锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。

问题：如何判断二极管是导通还是截止？“开关特性”电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––在这里，D

起限幅(或削波)作用。RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流 二极管的应用面很广，都是利用它的单向导电性。可用于整流、钳位、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。

正负对称限幅电路:

设输入电压ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。D为理想二极管二极管的应用举例：1小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压8.3直流稳压电源的组成~RLuo~RLuuoa~TrRLbuuo~RLuuo8.4整流电路（1）单相桥式整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。1.电路结构－RLuiouo1234ab+–+–－3.工作波形uD2uD4uouDttu（）单相桥式整流电路2.工作原理3.工作波形1.电路结构－uotRLuiouo1234ab+-+–－uu负半周，Va<Vb，二极管D2、D4

导通，D1、D3

截止。uD2uD4uDtuD1uD3io4.参数计算整流电压平均值Uo（负载直流电压）(2)整流电流平均值Io（负载直流电流）t0uTUo4.参数计算(3)流过每管电流平均值为输出电流的一半ID(4)每管承受的最高反向电压URM选用的二极管参数必须满足：整流桥实物照片[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IO=UORL=A=0.05A12240ID=IO=×0.05A=0.025A1212二极管平均电流

变压器的二次电压U2=

=V=13.33VUo0.9120.9变压器的电压比k=

==16.5U1U2

22013.33例1：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D3方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)

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。+C+CLC型滤波电路LC型滤波电路形滤波电路+CC+8.5滤波电路一、电容滤波器

1.电路结构2.工作原理

1）若RL未接入随着u的正半波，对C不断充电，电容两端的电压为uC

=而在u负半波时，D2、D4管也不能导通。因为V阳<

V阴，故输出电压uo的波形如图[即电容两端的电压]。3.工作波形uoutOtO+Cuo+_~u+_RLD2D4D1D3(2)电容滤波器

1.电路结构2.工作原理

2）若RL接入（且RLC较大）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，uc

会逐渐下降。+Cuo+_~u+_RLD2D4D1D33.工作波形uoutOtO

u>uC时，电源给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。为了得到比较平直的输出电压近似估算取：

Uo

=1.2U2(

桥式有载）

Uo

=（桥式空载）(2)流过二极管的瞬时电流很大电容器的额定工作电压应不小于其实际电压的最大值：

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。iDtOuotO选管时一般取：例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=100，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值解：1.选择整流二极管可选用二极管2CZ53BIF=300mAUDRM=50V

+Cuo+_~u+_RLD2D4D1D3例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=100，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=470F，耐压为50V的极性电容器二、电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。(4)形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。返回下一页上一页返回下一页上一页8.6稳压电路1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO一、稳压二极管3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)动态电阻(3)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)最大允许耗散功率rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。管子不致发生热击穿的最大功率损耗：PZM=UZIZM例：IZ+20V通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？，电阻值合适。

[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。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。当ui＜0V时，DZ正向导通：UO=0V。二、稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)IZ1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路二、稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZUIUZ设负载RL一定，UI变化UO