电工与电子技术 课件06-直流稳压电源

2026/5/121第6章直流稳压电源第10章直流稳压电源10.2滤波器10.3直流稳压电源10.1整流电路6.1半导体的基础知识6.1.1半导体的基础知识物质按导电能力分：导体，半导体，绝缘体。导电能力的衡量：电阻率ρ按定义式中，l是材料的长度，S是截面积。导体：半导体：绝缘体：图6-1对于常用的半导体材料：锗（ze）：硅（Si）：砷化镓（GaAs）：（也可用电导率

来衡量材料的导电性，它与电阻率ρ的关系是：）冷却加热（热敏特性）遮光光照（光敏特性）提纯掺杂（掺杂特性）半导体的特点：导电能力随外界条件的改变有较大变化。类似绝缘体半导体类似导体半导体二极管，三极管，就是利用掺杂特性来制造的。物质要导电，其内部必须有运载电荷的粒子，这种粒子称为载流子。导电能力最终决定于：

1.载流子的多少；2.载流子的性质；3.载流子的运动速度。一.本征半导体它是指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。1.

本征激发图6-2是半导体Si及Ge的原子结构。四价元素硅和锗的原子结构图6-2第(1)页图6-3表示半导体单晶体内原子与原子之间的结合力，称为共价键。价电子最有可能成为载流子，但它束缚于共价键之中，只有热运动使价电子获得能量，足以冲破共价键的束缚时它才可能成为自由电子，参加运载电荷。我们把这一过程称为本征激发。自由电子是带负电的载流子。图6-3共价键同时，根据图6-4，当价电子变为自由电子时，必然留下一个空位，使其它价电子也有可能参加导电。我们称空位为空穴，空穴也是一种载流子，但带正电荷。总之，本征半导体的热激发将产生两种类型的载流子，即自由电子与空穴。常称为“电子——空穴对”。图6-4本征热激发由图6-5可见，空穴的导电过程，实际上是价电子在电场作用下，不断递补空位的过程。图6-5表示在外电场作用下，空穴的导电过程。图中小圆圈表示空穴，实心小黑圆点表示价电子。E是外电场方向，Ip就是空穴电流方向。图6-5空穴导电过程激发使“电子——空穴对”增加，复合使“电子——空穴对”减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度”ni。2.复合自由电子与空穴在运动过程中相遇，自由电子填补空位导致“电子——空穴对”消失，这一过程称为复合。可见，复合是激发的反过程。3.

本征载流子浓度nini=n0=ρ0所以温度对半导体器件性能的影响很大。最终造成晶体管热稳定性的恶化。式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，ρ0表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，Si的ni=1.5×1010/cm3,Ge的ni=2.4×1013/cm3在同样温度下，由于锗的Eg小于硅的Eg

，使锗的ni远大于硅，故本征锗的导电率大于硅。同时，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。注意：ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。二.杂质半导体在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高106倍！在纯净半导体单晶中用人工的方法掺入少量特种元素，就获得杂质半导体，晶体管就是由杂质半导体制成的。我们发现，除了本征激发能产生载流子，掺杂质也能产生载流子，但并不成对出现。1.两种类型的杂质目前掺入半导体材料中的常用杂质分两类：五价元素磷（P）锑（Sb）砷（As）三价元素硼（B）铝（Al）铟（In）镓（Ga）三价元素称为受主杂质（意即“接受价电子”）掺入五价元素，能获得大量电子；掺入三价元素，能获得大量空穴。所以五价元素称为施主杂质（意即“给出电子”）本征半导体+五价元素=N型半导体本征半导体+三价元素=P型半导体参阅图6-6，本征半导体掺入五价元素后，四价的半导体原子被杂质原子代替。2.N型半导体为什么在本征半导体中掺入五价元素，会产生大量自由电子？图6-6施主杂质可见，每掺入一个五价的杂质原子，就会释放一个自由电子。故称五价杂质为“施主型杂质”。五价元素最外层有5个价电子，其中4个用来与周围原子结合成共价键，多余的一个，因不在共价键中，所受束缚很小，常温下，即可脱离原子束搏成为自由电子。需要指出：②施主原子失去一个价电子后，自己成为带正电荷的离子，这称为“杂质电离”。杂质离子束缚于共价键之中不能自由移动，故不参加导电。①施主杂质仅施放电子，不产生空穴。因为4个共价键中所有8个位子被价电子填满没有空位。3.P型半导体掺入三价元素时，因为三价元素最外层只有三个价电子，要结合成四对共价键时，少一个价电子，必然出现一个空位，使半导体具备空穴导电的条件。需要指出：①受主杂质仅产生空穴，不释放自由电子。图6-7受主杂质4.杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子包括杂质电离产生的大量载流子和因热激发产生的少量“电子——空穴对”。必须指出：在同样的温度下，杂质半导体中“电子——空穴对”的浓度比本征载流子浓度还要低。这是因为杂质释放的载流子浓度很大，使复合机会大大增加。②由于出现了一个空位，使其他价电子很容易转移到这个空位上，杂质原子接受一个价电子之后，自己成为带负电荷的离子。由于没有离开共价键，所以从能量角度看，转移要比冲破共价键束缚所需能量小得多，以致只要有微小热振动便可实现这种转移。总之，N型半导体中的载流子=杂质电离产生的电子+热激发产生的“电子——空穴对”P型半导体中的载流子=杂质电离产生的空穴+热激发产生的“电子——空穴对”P型半导体中，自由电子数目大大增加，其浓度远大于空穴浓度，故把电子称为多数载流子，空穴是少数载流子。P型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度，把空穴称为多数载流子，而电子是少数载流子。杂质半导体主要依靠多数载流子导电。最后说明几点：①本征半导体是电中性的，宏观上讲不带电荷，杂质本身也③在常温下，杂质电离产生的载流子远多于热激发产生的载是电中性的，所以整快杂质半导体也是电中性的，不带电荷。②若施主杂质与受主杂质同时掺入一块半导体，其材料性质将由浓度大的那种杂质决定，这一原理称为杂质补偿。流子，材料的性质由杂质决定。但当温度很高时，热激发大大加剧，“电子——空穴对”大大增加，一旦“电子——空穴对”浓度超过杂质浓度，杂质半导体中某种载流子占绝对优势的情况就会改变，于是半导体的性质变得与本征半导体一样，晶体管便会失效。5.载流子的运动载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。①漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。§6.2PN结PN结是用杂质补偿的原理制造的。如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素，其杂质浓度如图6-8（b）所示，在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性边界便是PN结所在位置。PN结最重要的特性是单向导电性。图6-8PN结图7-10PN结把PN结与外电源连接起来，P接电源正端，N接电源负端，如图7-10（c）所示，便有较大电流通过，PN结处于导通状态。若外电源反接，如图7-10（d）所示，电流几乎为零，PN结处于截止状态。可见，PN结只允许电流由P区流向N区，这就是PN结的单向导电性。这一特性使它具有开关作用。一.空间电荷区的形成P型半导体中空穴浓度很大，N型半导体中空穴浓度很小，由于浓度差，空穴将从P区扩散到N区，同理电子将从N区扩散到P区，如图6-9（a）所示。1.PN结边界上多数载流子的扩散图6-9空间电荷区的形成空穴扩散到N区时会在原P区留下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，而电子扩散会在原N区留下不能移动的施主杂质离子，结果在边界两边便形成空间电荷区，如图7-11(b)所示。2.PN结内建电场PN结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称为内建电场E。内建电场的出现，引起两个后果：①阻止多数载流子的继续扩散（故空间电荷区又称为阻层）②引起少数载流子的漂移。3.流过PN结的电流①多数载流子形成的扩散电流。②少数载流子形成的漂移电流。这两种电流方向相反，如图6-10（a）所示，流过PN结的净电流图6-10扩散运动与漂移运动达到平衡：1—多数载流子扩散运动的方向；2—少数载流子漂移运动的方向起初，内建电场较弱，随着内建电场逐渐增强，I扩减小，而I漂增加，直至扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图7-12（b）所示。动态平衡情况下流过PN结的净电流为零，即I=04.PN结边界载流子分布动态平衡状态下，PN结边界两边载流子分布如图6-11所示。

图6-11PN结两边载流子浓度图中符号说明：—N型半导体热平衡状态下的电子浓度。—P型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—N型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—P型半导体热平衡状态下的电子浓度。5.内建电位差内建电场E在PN结中产生的电位差称为内建电位差VB。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。如图6-12所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。图6-12PN结内建电位差6.空间电荷区的宽度图6-13空间电荷区宽度图6-13中xn—PN结边界右边正离子宽度xP—PN结边界左边负离子宽度因而正离子空间电荷总量：式中q=电子电荷量（绝对值）S是截面积。负离子空间电荷总量：杂质浓度越大，空间电荷区宽度越小，对于不对称PN结，空间电荷区宽度如图6-14所示。图6-14空间电荷区宽度二.PN结的单向导电性1.正向连接即外电压V的正端接P，负端接N，如图6-15（a）所示。外电场部分抵消内电场，势垒高度降为（VB-V），空间电荷区宽度变窄，结果扩散电流大大增加，如图6-15所示。图6-15正向偏压结果电流平衡局面被打破，流过PN结的净电流F这就是加正向电压时，流过PN结的正向电流。它是在正向偏压作用下由多数载流子的扩散引起的，其中包括P区向N区的空穴扩散电流以及N区向P区的电子扩散电流：2.反向连接外电压V的负端接P，正端接N，如图6-16（a）所示。图6-16反向偏压外电场增强内电场，势垒高度提高到（VB+|V|），空间电荷区电流平衡被打破，多数载流子的扩散更加困难，扩散电流很快减少，在不大的反向电压下就使于是反向电流R由于漂移电流是少数载流子的漂移形成的，其值极小,决定于热激发产生的少数载流子浓度，在一定温度下它是一个常数，于是令此常数用符号（-IS）表示，即称为反向饱和电流。必须指出，环境温度愈高，少数载流子数量越多，所以温度对IS影响很大。

图6-17半导体二极管§6.2半导体二极管一.基本结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。点接触型二极管（一般为锗管）如图7-19(a)所示。它的PN结结面积很小（结电容小），因此不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型二极管（一般为硅管）如图7-19(b)所示。它的PN结结面积较大（结电容大），故可通过较大电流（可达上千安培），但其工作频率较低，一般用作整流。图7-19(c)

是二极管的表示符号。二.伏安特性二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图6-18所示。图6-18二极管伏安特性可以证明，二极管的理想伏安特性可由下式表示：根据式（7-11），当时，这是反向饱和电流，由少数载流子的漂移电流构成。这是流过二极管的正向电流，由多数载流子的扩散电流构成。当时，图6-192CP10硅二极管的伏安特性曲线而当U=0，I=0，I扩=I漂时，是动态平衡状态。三.实际二极管的伏安特性图6-19是一个实例。实际二极管伏安特性，有如下特点：1.正向电压较小时，存在死区电压（又称阀值电压，导通电压）由图可见，当外加正向电压很小时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压就是死区电压，硅管的死区电压约为0.6V，锗管约为0.2V。2.PN结的反向击穿

当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为PN结的击穿。击穿电压用U(BR)表示。我们注意到，击穿时，虽然反向电流急剧增加，但管压降几乎不变。利用反向击穿时二极管的恒压特性，可以作为稳压管，它的表示符号如图6-20（a）所示。图6-20稳压二极管例6-1已知图6-20（b）稳压管应用电路中，稳压管击穿电压（即稳定电压），负载电阻欧姆，限流电阻欧姆，外加电压10V。求I，IL，IZ。解：（1）（2）（3）四.二极管的电容特性PN结不仅具有非线性电阻特性，而且具有非线性电容特性。在正向偏压下，PN结呈现的电容称为扩散电容，而在反向偏压下，PN结呈现的电容称为势垒电容。这里，我们讨论势垒电容。图6-21势垒电容前已论述，在反向偏压时，反向电流几乎为零，PN结可以认为几乎截止，PN结反向电阻近似无穷大。从宏观看，PN结边界两边的基本结构类似于平板电容，这一电容称为势垒电容Cj。势垒电容与反向偏压大小有关，反向偏压越高，空间电荷越多，空间电荷区宽度ℓ越大，势垒电容越小。图6-22PN结势垒电容特性图6-23变容二极管符号图6-22是PN结势垒电容特性曲线。利用势垒电容可以制成变容二极管，它的电路符号为图6-23所示。直流稳压电源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416.3

整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性uDO6.3.1单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuoubRLio动画u

tOuoO4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I5.整流二极管的选择

平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID

，URWM

UDRM

6.3.2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。3.工作波形uD2uD41.电路结构

－uouDttRLuiouo1234ab+–+–

－动画u例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50

，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U

122V

可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。例2：

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。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？

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

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo48

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+_RLD2D4D1D36.4

滤波电路

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。

滤波原理：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,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。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。

6.4.1电容滤波电路

1.电路结构2.工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，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

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形二极管承受的最高反向电压为。动画uoutOtO4.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。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U

无电容滤波0.45UUooIO

结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

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。iDtuotOO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=200

，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uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

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=200

，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5

T/2已知RL=50

uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250

F，耐压为50V的极性电容器2026/5/12556.4.2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。2026/5/1256

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。6.5

直流稳压电源

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。6.5.1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

)

IZ

1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路6.5.1稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZUI

UZ

设负载RL一定，UI变化UO

基本不变

IRR

IZ

IR

1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz2026/5/12603.参数的选择(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)ICM(3)UI

=(2~3)UO(4)为保证稳压管安全工作为保证稳压管正常工作

适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。UiTR2UZRLUO

+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1串联型稳压电路1.电路结构

串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件比较放大基准电压取样电路

当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO

升高时，有如下稳压过程：2.稳压过程

由电路图可知UO

Uf

UB

UO

IC

UCE

由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。UITR2UZRLUO

+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R13.输出电压及调节范围

输出电压UiTR2UZRLUO

+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R16.5.2

集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.

分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入端3—公共端2—输出端78xxW7900系列稳压器外形1—

公共端3—输入端2—输出端79xx塑料封装2026/5/12663.

性能特点（7800、7900系列）输出电流超过1