第6章直流电源电路-电路与模拟电子技术

第7章直流电源电路7.1半导体二极管7.3电源滤波7.4稳压二极管7.5稳压电路7.2整流电路17.1半导体二极管半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点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。21.本征半导体GeSi本征半导体的导电机理纯净的半导体。如：硅和锗1）最外层四个价电子。2）共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子3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。+4+4+4+443）在绝对0度和没有外界激发时,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。+4+4+4+44）在热或光激发下，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。+4+4+4+4空穴束缚电子自由电子5可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。6在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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。+4+4+4+45）自由电子和空穴的运动形成电流7本征半导体的导电机理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本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳82.杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。9+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子102）P型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴硼原子11归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；

P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆12杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体13一、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。

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

7.1.1PN结及其单向导电性多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡14P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动15扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。16漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。17－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区

PN结18

1）PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。19

2.PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。20空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的空穴、N中的电子）的扩散运动。

P中的电子和N中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、N中的空穴）的漂移运动。归纳21二、PN结的单向导电性

PN结加正向电压（正向偏置）：P区接电源的正极、N区接电源的负极。

PN结加反向电压（反向偏置）：P区接电源的负极、N区接电源的正极。

PN结呈现低电阻，处于导通状态。

PN结呈现高电阻，处于截止状态。22PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。I正23PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，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。I反24PN结的单向导电性正向特性反向特性归纳◆◆P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I正大；I的大小与外加电压有关；P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；25本征半导体的导电机理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本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。复习263、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；

P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆杂质半导体的导电机理27PN结的单向导电性正向特性反向特性◆◆P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I正大；I正的大小与外加电压有关；P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；287.2.2半导体二极管的基本结构一、基本结构PN结+

管壳和引线PN阳极阴极符号：D分类：点接触型面接触型平面型29半导体二极管30半导体二极管31半导体二极管327.1.3二极管的伏安特性及主要参数UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR正向特性：EDI反向特性：EDI反U<死区电压，不通；U>死区电压，导通；UII反很小，与温度有关；U击穿电压，击穿导通；I一、伏安特性33二、主要参数1.最大整流电流IOM2.最大反向工作电压URM二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。3.最大反向电流IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。341.理想二极管U>0，D导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关EDIUDEIUU

0，D截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关EDI反UDEI反U三、应用举例352.二极管的应用电路如图示：已知E=5V，

ui=10sintVRDEuiuO解：此类电路的分析方法：当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形36RRLuiuRuotttuiuRuo设=RCtp，求uo的波形tp例237电路如图示：已知

VA=3VVB=0V求：VF=？解：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。DB通，VF=0VRDAADBB+12VF箝位隔离例338光电器件几种常用的光电器件1）发光二极管LED发光器件结构：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结功能：将电能转换成光能。工作原理：PN结加正向电压导通时，发光；PN结加反向电压截止时，不发光。导通电压：1~2V导通电流：几

~几十毫安，须接限流电阻39注意：光电二极管工作在反向状态！2）光电二极管受光器件功能：将光能转换成电能。工作原理：光照时，产生随光照强度而增加的反向电流；无光照时，反向电流（暗电流）很小。光电流很小，一般几十微安，应用时须放大。40注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！3）光电三极管受光器件功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。工作原理：无光照时，暗电流为IC=（1+）ICBO；有光照时，光电流为IC=（1+）IL

。IL为光照时流过集电结的反向电流。E（-）C（+）41特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；传输信号失真小，工作稳定可靠。4）光电耦合器功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。工作原理：输入端加电信号发光二极管发光光电三极管受光产生电流输出+-CE42电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:在电网电压波动及负载变化时,保持输出电压u0稳定。直流电源的组成及各部分的作用整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo变压器变压器整流电路滤波电路稳压电路437.2整流电路1）单相半波整流电路u1u2TrDRLu0Tr：整流变压器D：理想二极管UD>0，D导通；UD=0，I取决于外电路；UD

0，D截止；I=0，UD（负值）取决于外电路。RL：负载电阻U1，U2：正弦波7.2.1整流电路的分析方法及其基本参数44u1u2RLu0i0iDuDu2>0时，二极管导通，一、工作原理u2<0时，二极管截止，uoiotwu2twuDu0=u2，uD=0u0=

0

，uD=u2TrD45二、主要参数输出电压平均值：输出电流平均值：2UOIO46二极管上承受的最高反向电压：二极管的平均电流：三、整流元件选择选择依据：二极管上承受的最高反向电压：URmax二极管上的平均电流：ID（AV）最大整流电流IFIF1.1ID(AV)最大反向工作电压URUR1.1URmax47整流桥一、电路7.2.2单相桥式整流电路u1u2TrD4D2D1D3RLu0简化画法u1u2TrRLu048+-u2正半周时：二、工作原理Tru1u2D4D2D1D3RLu0u2>0，D1，D3通，

D2，D4止；u2<0，D2，D4通，

D1，D3止；u0=u2u0=-u2u2负半周时：-+uoiotwu2tw49u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLu050三、各电量计算输出电压平均值：输出电流平均值：uoiotw流过变压器负边的电流仍为正弦电流，其有效值：51二极管上承受的最高反向电压：二极管的平均电流：三、整流元件选择最大整流电流IFIF1.1ID(AV)最大反向工作电压URUR1.1URmax52变压器付边电流为正弦波！注意！53能够输出正、负电压的桥式整流电路ABu2正半周时（A+，B-）D1，D3通，

D2，D4止；D2，D4通，

D1，D3止；u2负半周时：（A-，B+）twu2twuo1uo254滤波电路整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo单向半波整流（半波整流）单向桥式整流（全波整流）557.3电源滤波电路滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路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,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，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。56uDRLu0+C单向半波整流滤波电路u0u/202初始时刻uC=00<t</2：u>

uC

C充电，uo按正弦变化t1/2<t<t1：uC按指数规律下降u按正弦规律下降快慢u>

uC，

uo按正弦规律变化uo=uC

t1<t<t2：u<

uC，D截止uo按指数规律变化t27.3.1.电容滤波电路57桥式整流电容滤波电路u1u2u1abVD4VD2VD1VD3RLu0C接在整流电路之后，与负载并联；一般选择极性电容器。滤波电容C58u2tu0t没有电容时的输出波形一、滤波原理0/2t1t2C事先未充电0~/2u2>

uo，D1、D3通，C充电

C放电，指数规律，快！u2>

uo，D1、D3仍导通uo正弦规律uo仍为正弦规律~t2t1C放电，

uo指数规律有电容时的输出波形~t1/2u2正弦规律，慢！u1u2u1abD4D2D1D3RLu0C59u0tt1t2理想情况下桥式整流电容滤波电路输出波形：考虑变压器内阻和二极管管压降时，在二极管导通期间输出电压略有下降。输出波形：理想情况下半波整流电容滤波电路输出波形：u2tu0t有电容时的输出波形没有电容时的输出波形uO0t260u0tu2tu2<uo时，二极管截止，电容通过RL放电，u0逐渐下降。电容的放电电流填补了波形的部分空白，使输出电压的平均值增大。u0tu2t滤波电容在u2>

uo时充电，在u2<uo时放电。桥式整流电容滤波时，每个周期充、放电两次；半波整流电容滤波时，每个周期充、放电一次；61输出电压的平滑程度和平均值与电容的放电时间常数RLC有关。RLC越小，输出电压越低，输出电压中含纹波成分越大。RLC大RLC小UOUO若空载（RL开路），输出波形如何？62二、滤波电容的选择与输出电压的估算

C容量选择：T：交流电压的周期

C耐压选择：输出电压的估算：RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大。63输出电压的估算：桥式整流电容滤波:TRLCtw64若满足：则：半波整流电容滤波:同理，可得：65三、整流二极管导通角整流电路二极管的导通时间<T/2，因此，二极管的导通角度小，导致流过二极管的冲击电流大，容易损坏管子。整流二极管的导通电流uO0t2i0t2iDiO66uDRLu0+C半波和桥式整流二极管承受的最高反向电压：67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。1）电路7.3.2电感滤波电路u2u1RLLu068对直流分量(f=0):XL=0

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XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。2）滤波原理整流输出的脉动电压中既含直流分量(f=0)

，也含各次谐波分量（不同频率的交流分量）。u2u1RLLu0693）电感滤波的特点:因为电感线圈感应电势的作用，电管滤波电路整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,带负载能力强，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。电感铁芯笨重,不但体积大,而且线圈的直流电阻较大，损耗了一定的直流压降，使输出电压减少，而且易引起电磁干扰。70LC滤波电路电路结构u2u1RLLu0C其滤波原理及应用场合与电感滤波相似7.3.3电感电容滤波电路711）LC型滤波器LC

型滤波电路电路同电感滤波电路。7.3.4滤波电路滤波原理及应用场合u2u1RLLu0C2C1为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法,如在电容滤波后再接一级（LC或RC）滤波电路，从而构成（LC或RC）

-型滤波电路。722）RC-滤波RC-u0Ru2u1C1C2RL电路滤波原理桥式整流电路输出的直流脉动电压经C1滤波后，仍含有一定的纹波成分，再经R和C2使其中的交流分量较多地降在电阻两端（因为电容C2的交流阻抗很小），而较少地降在负载上，从而有较好的滤波效果。73特点电阻上有直流压降损失；适用于负载电流较小，又要求输出电压脉动很小的场合。滤波效果好，脉动分量小；747.4稳压二极管UIUZIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。1、结构和符号：结构同二极管2、伏安特性：稳压值同二极管DZ稳压误差+-+-753.主要参数1）稳定电压UZ：正常工作时管子两端的电压。4）动态电阻ZZIUZrdd=2）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。3）最大允许功耗UIUZIZminIZmax5）电压温度系数：稳压值受温度变化影响的系数。数值上等于温度每升高1。C时稳定电压的相对变化量。764.稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区，二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。77

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用：一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。UODZRRL+－78已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600Ω，求限流电阻R的取值范围。RIRUODZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例4DZ79例5稳压管的参数是：Uz=8V，Iz=10mA，Izm=29mA。选择600Ω

，0.125w的电阻作为限流电阻，是否合适？

DZ+20VR限流电阻R的阻值选得合适，但电阻的额定功率选得太小（0.125W<0.24W），会烧坏电阻。应选600

Ω，0.25W的电阻比较合适。因此在选择限流电阻时，要注意电阻的额定功率必须大于其实际消耗的最大功率80稳压电路常用稳压电路（小功率）稳压管稳压电路集成稳压电路电路简单，带负载能力差，一般只提供基准电压。电路简单，带负载能力较强，作为电源使用。7.5稳压电路81概念1：稳压系数Sr定义为负载一定时稳定电路输出电压相对变化量与其输入电压变化量之比。Sr描述稳压电路在电网波动时，对输出电压的稳定能力。Sr越小，稳压效果越强。概念2：内阻R0定义为在电网电压和环境温度一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。R0表征了稳压电路的带负载能力的大小，R0越小越好，带负载能力越强。一、衡量稳压管稳压电路性能的主要指标：82概念3：温度系数是指电网电压和负载都不变时，输出电压变化量与温度变化量的比值。概念4：最大纹波电压是指输出端存在50Hz或100Hz交流电压的分量，通常以有效值或峰值表示。837.5.1稳压管稳压电路一、电路组成稳压电路

R：调整电阻

DZ：稳压管与负载电阻RL并联u2u1RLuOCVDZuZuIRuRiuOUZIZIZM84u2t0tuIuOt二、稳压原理UZ当电源电压波动引起输出变化时，调整过程如下：请自行分析电源电压下降时的调整过程。电网电压↑→UI↑→UO(UZ)↑→IDZ↑→IR↑→UR↑

UO↓85RL+-uOR-DZCu2～220V50HzABUI+IRIDZIO+稳压电路RL+-R-rZUI+UO86三、电路参数的选择1.稳压电路输入电压UI的选择2.稳压管选择iuOUZIZIZMRL+-uOR-DZCu2～220V50HzABUI+IRIDZIO+稳压电路873.限流电阻R的选择iuOUZIZIZMRL+-uOR-UI+IRIDZIO887.5.3集成稳压器电路一、W7800三端稳压器常用的W7800和W7900系列三端集成稳压器（只有输入，输出和公共引出端）。W78系列(输出