第2章 半导体二极管及直流稳压电源.ppt

1、第2章 半导体二极管及直流稳压电源,1,第2章 半导体二极管及直流稳压电源,2.1 半导体二极管的外部特性 2.2 晶体二极管电路的分析方法 2.3 晶体二极管的应用及直流稳压电源 2.4 半导体器件型号命名及方法,1、半导体材料及PN结,在电子元器件中，用得最多的材料是硅Si、锗Ge，均为四价元素。,硅、锗属于半导体导电特性介于导体和绝缘体之间。,2.1 半导体二极管的外部特性,一、半导体二极管的基本结构,磷（P）,一、半导体二极管的基本结构,硼（B）,N型半导体,P型半导体,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,一、半导体二极

2、管的基本结构,按结构分，有点接触型和面接触型两类。,点接触型,面接触型,一、半导体二极管的基本结构,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,二极管的伏安特性的测试电路,（a）测正向特性,（b）测反向特性,二、二极管的伏安特性,加反向电压，简称反偏。,正向电压，简称正偏,二、二极管的伏安特性,开启电压Uth: 硅管0.5V，锗管0.1V,导通电压（管压降）UD（on） 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V,反向击穿电压UBR,uD（V）,i（mA）,死区电压,低电阻, 大的正向电流,高电阻, 很小的反向电流,当0uD Uth时，正向电流为零，

3、Uth称为死区电压或开启电压。,当uD0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当uD Uth时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。,开启电压,二、二极管的伏安特性,1.二极管的正向特性,当uD0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当UBRuD0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当uDUBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压 。,锗二极管2AP15的伏安特性,击穿电压,二、二极管的伏安特性,2.二极管的反向特性,二、二极管的伏安特性,二极管伏安特性特征参数,11,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压UB

4、R和最大反向工作电压UR,二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。,为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压 URM一般只按反向击穿电压 UBR的一半计算。,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,2.1.3 二极管的主要参数,12,(3) 反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。即IS,(4)最高工作频率fM,(5) 极间电容CJ,2.1.3 二极管的主要参数,13,将二极管特性曲线分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,理想开

5、关 导通时uD0 截止时IS0,理想 二极管,(1)理想模型,2.2.1 晶体二极管的模型,2.2 晶体二极管电路的分析方法,14,近似分析中最常用,（2）恒压降模型,导通时uUD(on) 截止时IS0,2.2.1 晶体二极管的模型,对如图所示简单二极管电路，采用不同的简化模型，得到不同的电路,（1）理想模型，用短路线代替导通的二极管,(a) 理想模型电路,简单二极管电路,2.2晶体二极管电路的分析方法,（2）恒压降模型时，用恒压降模型等效电路代替二极管,（b）恒压降模型电路,简单二极管电路,2.2 晶体二极管电路的分析方法,解：（1）断开VD，如图(b)，求UD。,【例】电路如图(a)所示。

6、试用理想模型求输出电压Uo。,注意：UD的参考方向应与二极管的方向相一致,二极管电路分析举例,用导通时的理想模型(导线)代替二极管，得到图(c),(2) 理想模型,UD0V，VD导通,由此求得：,UO=1V,二极管电路分析举例,【例】 电路如图(a)所示，图中为理想二极管求输出电压Uab。,此电路有两个二极管，首先仍按前述方法断开二极管，求出UD1和UD2,若UD1、UD2均不满足导通条件，则两管均截止；,若一管满足、另一管不满足，则一管导通，另一管截止；,若两管均满足导通条件，则压差大者优先导通。,二极管电路分析举例,解：理想模型,由图(b)可以得到：,UD2=1+5=4(V)0,UD1=1

7、(V)0,VD1截止，VD2导通,得到图(c),Uab=5(V),二极管电路分析举例,【例】 电路如图(a)所示，理想二极管，求输出电压Uo。,解：,UD2=1+5=6(V)0,UD1=1(V)0,UD2UD1VD2先导通,由图(b)重求UD1,UD1=5(V)0,VD1截止,为什么不是UD1=1(V)？,Uab=5(V),二极管电路分析举例,断开二极管,- UD1+,- UD2+,解：（1）理想模型,当uD0，即uiUREF时，二极管截止，,当uD0，即uiUREF时，二极管导通 ，,例：电路如图所示R=1k,UREF=3V为直流参考电压源。当 ui=6sint(V)试分别用理想模型和恒压降

8、模型分析该电路，画出相应的输出电压uo的波形。,uo=ui,uo=UREF=3V,二极管限幅电路分析,(b) 理想模型时的波形,理想模型,uiUREF,uiUREF,uo=ui,uo=UREF=3V,波形如图(b)所示,二极管限幅电路分析,二极管限幅电路分析,解：（2）恒压降模型,当uD0，即uiUREF+UD(on)时，二极管截止，,当uD0，即uiUREF+UD(on)时，二极管导通 ，,uo=ui,uo=UREF+UD(on)=3.7V,(c) 恒压降模型,恒压降模型,波形如图(d)所示,(d) 恒压降模型时的波形,uiUREF+UD(on),uiUREF+UD(on),uo=ui,uo

9、=UREF+UD(on)=3.7V,二极管限幅电路分析,(b) 理想模型时的波形,(d) 恒压降模型时的波形,二极管限幅电路分析,双向限幅电路,二极管限幅电路分析,改变电压值通常为降压,交流变脉动的直流,减小脉动,直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。,直流电源的组成及各部分的作用,稳定输出电压,1) 负载变化输出电压基本不变； 2) 电网电压变化输出电压基本不变。,在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。,2.3 晶体二极管的应用及直流稳压电源,29,（1） 工作原理,u2的正半周，D导通， ADRLB，uO

10、= u2 。,u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2； uO=0。,1半波整流电路,2.3.2. 小功率整流滤波电路,30,(2) UO（AV）和 IO（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为U2,1半波整流电路,31,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,(3) 二极管的选择,1半波整流电路,32,u2的正半周 AD1RLD3B，uO= u2,u2的负半周 B D2RLD4 A，uO= -u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,(1) 工作原理,若接反了呢？,2、单相桥式整流电路,33,(2) 输出电压和电流平均值的估算,2、单相桥式整流电路,34,考

11、虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,与半波整流电路对二极管的要求相同,(3) 二极管的选择,2、单相桥式整流电路,电容 充电,电容 放电,二极管导通时给电容充电，二极管截止时电容向负载放电。,（1）工作原理,RL,D1,D4,D3,D2,iO,+ uO= uC ,+ u2 ,3、电容滤波电路,36,(1)工作原理,按指数规律下降,滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。,当|u2|uC|时，有一对二极管导通，对电容充电，充电非常小,当|u2|uC|时，所有二极管均截止，电容通过RL放电，放电=RLC。,3、电容滤波电路,（1）工作原理,37,(2) 二极管的导通角,导通角,无滤

12、波电容时。 有滤波电容时 ，且二极管平均电流增大，故其峰值很大！,小到一定程度，难于选择二极管！,3、电容滤波电路,C 越大， RL越大，越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。,3、电容滤波电路,t,uO, ,0,2,(3) 电容的选择及UO（AV）的估算,例 有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率 f = 50 Hz，负载电阻 RL = 200 ，要求直流输出电压 UO = 30 V，选择整流二极管及滤波电容器。,解(1)选择整流二极管,流过二极管的电流,取 UO = 1.2U2，所以变压器二次电压的有效值,3、电容滤波电路,二极管所承受的最高反向电压,因此可选用 2CZ52B 型二

13、极管，其最大整流电流为 100 mA，反向工作峰值电压为 50 V。,(2)选择滤波电容器,选用 C = 250 F ，耐压为 50 V 的极性电容器。,3、电容滤波电路,41,简单易行，UO（AV）高，C 足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。,优缺点,整流桥的简化画法,2.3.2. 小功率整流滤波电路,42,讨论,已知变压器副边电压有效值为10V，电容足够大，判断下列情况下输出电压平均值UO（AV）？ 1. 正常工作； 2. C开路； 3. RL开路； 4. D1和C同时开路； 5. D1开路。,2.3.2. 小功率整流滤波电路,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,I/mA,

14、U/V,O,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,电路符号,等效电路,2.3.3 稳压管稳压电路,1. 稳压管的伏安特性和主要参数,1. 稳压管的伏安特性和主要参数,稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ 动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rzU / I,2.3.3稳压管稳压电路,2.基本电路的组成,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻必不可少！,R的作用,限流

15、电阻,调整电阻,2.3.3稳压管稳压电路,RLIO IR URUO(UDZ) IDZIRURUO,（1）输出电压 UOUZ （2）输出电流 Iomax Iomin IZM IZ （3）稳压系数,（4）输出电阻,3. 稳压管稳压电路的主要性能指标,2.3.3 稳压管稳压电路,电网电压UIUO(UDZ)IDZIRURUO,若UIUR，则UO基本变。利用R上的电压变化补偿UI的波动,直流电源中的稳压管稳压原理,2.3.3 稳压管稳压电路,RLIO IR URUO(UDZ) IDZIRURUO,若IDZIO，则UR基本不变，UO也就基本不变。利用IDZ变化补偿IL的变化,直流电源中的稳压管稳压原理,2

16、.3.3 稳压管稳压电路,选择稳压管时一般取 UZ = UO ， UI = (2 3)UO 。,例 有一稳压二极管稳压电路，负载电阻 RL 由开路变到 3 k，交流电压经整流滤波后得出 UI = 30 V。今要求输出直流电压 UO = 12 V，试选择稳压管 DZ。,解根据输出电压 UO = 12V 的要求，负载电流最大值,可选择稳压二极管 2CW60，其稳定电压 UZ = (11.5 12.5) V，其稳定电流 IZ = 5 mA，最大稳定电流 IZM = 19 mA。,2.3.3 稳压管稳压电路,【例】 硅稳压管电路如图所示。其中待稳定的直流电压UI=18V，R=1k，RL=2k，硅稳压管

17、VDZ的稳定电压UZ=10V，动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略。（1）试求UO、IO、IR和IZ的值。（2）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。,解：（1）,2.3.3 稳压管稳压电路,（2）当,2.3.3 稳压管稳压电路,52,2.3.3 稳压管稳压电路,【例】：设UI足够大，UZ1=8V，UZ2=7.5V，UD(on)=0.7V，判断VDZ1，VDZ2的导通情况，并求输出电压UO。,Multisim仿真结果,2.3.3 稳压管稳压电路,（1）UI的选择 UI（23）UZ （2）稳压管的选择 UZUO IZMIZ ILmax ILmin （3）限流电阻的选择 保证稳压管既

18、稳压又不损坏。,稳压管稳压电路的设计,2.3.3 稳压管稳压电路,输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流：1.5A（W7800）、0.5A （W78M00）、0.1A（W78L00）,1. 固定输出的三端稳压器 W7800系列（1）简介,2.3.4 三端集成稳压器,使Co不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻。,（2）基本应用,消除高频噪声,1、固定输出的三端集成稳压器,IW为几mA(常可忽略)，UO与三端稳压器参数有关。调节R2，则能调节输出电压UO。,（3）输出电压扩展电路,输出电压 UO = U + UZ,1、固定输出的三端集成稳压