第八章二极管及整流电路.ppt

1、第8章 半导体二极管及整流电路,8.3 特殊二极管,8.4 集成稳压器,8.2 半导体二极管,8.1 半导体的基础知识,本章要求,三、会分析含有二极管的电路。,一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流 分配和电流放大作用；,二、了解二极管、稳压管和三端稳压源的基本 构造、工作原理和特性曲线，理解主要参 数的意义；,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，

2、就不要过分追究精确的数值。,器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,8.1 半导体的基本知识,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,3、掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些微量杂质， 半导体的导电特性明显增强。,2、光敏性：当受到光照激发时，导电能力明显增强。,1、热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。,(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)。,(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）。,8.1.1 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

3、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。,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： (

4、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。,8.1.2 N型半导体和 P 型半导体,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,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

5、半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,8.1.2 N型半导体和 P 型半导体,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,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。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,8.1.3 PN结,一、PN结的形成,多子的扩散运动,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。,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

6、厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,空间电荷区 也称 PN 结,二、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,IF,内外电场方向相反，相互削弱。,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结导通。,动画,E总与E内方向相同， E总仍阻止多子扩散，IF很小,E总与E外方向相同， E总加速多子扩散，IF很大,PN 结变宽,2）. PN 结加反向电压（反向偏置）,由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P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。,bdt5.exe 动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽

7、，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,内外电场 方向相同，相互增强。 更阻止多子 扩散。增强 少子的漂移,8.2 半导体二极管,8.2.1 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，用于高频整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,8.2 半导体二极管,二极管的结构示意图和符号,8.2.2 伏安特性,硅管0.5V 锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压

8、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0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电 压范围内保持常数。,8.2.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,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. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR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. 反向峰值电流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

9、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,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。,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V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6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考

10、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。,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2：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,第11章 直流稳压电源,11.1 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,11.2 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

11、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,8.2.4 单相半波整流电路（P215）,2. 工作原理,u 正半周，VaVb， 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,动画,4. 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 I,5. 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

12、ID ， URWM UDRM,11.2.1 单相桥式整流电路(P309),2. 工作原理,(1) u 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3. 工作波形,uD2uD4,1. 电路结构,动画,8.3.2 单相桥式整流电路（负半周）,2. 工作原理,(2) u 负半周，VaVb，二极管 D2、 D4 导通， D1、 D3 截止 。,3. 工作波形,uD1uD3,1. 电路结构,动画,红色为正半周波形 绿色为负半周波形,uD2uD4,(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 UDR

13、M,(5) 变压器副边电流有效值 I,4. 参数计算,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，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。,解：,考虑电网电压波动10%,变压器副边电压 U 122 V,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，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。,解：,可选用二极管2CZ55E，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S = U

14、I = 122 2.2 = 207. 8 V A,选择二极管,11.3.1 电容滤波器,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 。,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 u 。,= uC,3. 工作波形,二极管承受的最高反向电压为,动画,1. 单相半波滤波电路结构,5. 工作原理,6. 工作波形,4. 单相桥式滤波电路结构,io,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 。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放

15、电，uC按指数规律下降， uo= uC u 。,7. 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. 2 U ( 桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）,当负载RL 开路时，UO ,为了得到比较平直的输出电压,11.3.2 电感电容滤波器,1. 电路结构,2. 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。

16、,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。,11.3.3 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。, 形 RC 滤波器,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。,8.3 特殊二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 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

17、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。,8.3.1 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) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,2) 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,1) 电路,限流调压,稳压电路,4. 稳压管稳压电路（P314）,3

18、) 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。,8.3.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,8.3.3 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,光电二极管,发光二极管,11.4.2 集成稳压电路,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,（1. 25 37 V 连续可调）,2. 外形及引脚功能,W78系列稳压器外形,1输入端,3 公共端,2 输出端,78xx,W7900系列稳压器外形,塑料封装,3. 性能特点（7800、7900系列）,输出电流超过 1. 5 A（加散热器） 不需要外接元件 内部有过热保护 内部有过流保护 调整管设有安全工作区保护 输出电压容差为 4%,输出电压额定值有: 5V、6V、 9V、12V 、 8V、 18V、 24V等 。,4. 主要参数,(1) 电压调