极管及直流电源

1、1,引言,电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学。,电子技术作为一门学科，诞生至今仅有百年的历史，但其发展的速度、应用的广度和深度，远远超过了其它任何学科。,特别是电子技术为当代信息作业提供了强有力的技术手段，如计算机、通讯、广播电视、自动控制、遥感遥测等，从而使人类跨入了信息时代。,*,2,以电子器件的发展为主线，电子技术的发展，经历了下列历程：,电子管晶体管小规模集成电路中大规模集成,*,电路超大规模集成电路可编程集成器件,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。世界上第一台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米，电子管目前仅在一些大功率发射

2、装置中使用。,1948年，肖克利等发明了晶体管，在体积、重量方面明显优于电子管。但器件较多时，体积仍较大、焊点多、电路的可靠性差。,3,集成电路的发展,（105以上）,1961年美国德克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。大大促进了电子技术的发展，特别是促进了微型计算机和通讯技术的飞速发展。,芯片中集成上万个 等效门，目前已达 百万门级。,*,4,电信号的分类,模拟信号随时间连续变化的信号。,数字信号时间上、幅度上都不连续的信号 (离散信号)，如：各种脉冲信号。,如：模拟声音的音频信号；模拟图象的视频信号；热电偶等传感器产生的电信号等。,处理模拟信号的电

3、路称为模拟电路。,处理数字信号的电路称为数字电路。,实验内容安排,实验1：仪器使用及元件识别 实验2：直流稳压电源的设计与研究 实验3：晶体管放大电路的设计与调试 实验4：集成功率放大器 实验5：集成运算放大器的线性应用 实验6：组合逻辑电路的设计 实验7：集成触发器功能测试与应用 实验8：典型集成时序电路的应用与综合 实验9：555定时器的应用 实验10：集成（A / D）和（D/A）转换器的应用,6,一次无故不交作业扣2分； 旷课一次扣2分。,教材书,成绩评定方法,end,电工电子技术，李守成主编；, 学时： 60（讲课）+ 20（实验）,总成绩（100分）= 闭卷考试（60分）+ 平时综

4、合（40分） 平时综合（40分）= 实验（20分）+作业、出勤、研究性教学(20分),7,(1)上课认真听讲，适当记笔记。,(3)认真做实验。,(2)独立、认真地完成作业；,*,对同学们的要求,8,*,独立完成，不准抄袭。 要工整，可以不抄题，但要标题号，电路图必须画。 每周第一节课前，交给老师。补交作业不算数。 作业的错误必须及时纠正,对作业的具体要求：,9,基本要求：,1、了解半导体二极管的结构、工作原理和特点；理解其整流、钳位和限幅作用及应用；,2、了解稳压管的特性和应用；,3、理解单相整流、电容滤波、稳压管稳压电路的工作原理，掌握输出直流量的估算。了解三端集成稳压器的应用。,第6章 半

5、导体二极管及直流稳压电源,Ch6 半导体二极管及其应用电路,6.1 半导体的基本知识,6.2 PN结的形成及特性,6.5 直流稳压电源,6.4 稳压二极管,6.3 半导体二极管及其电路分析方法,6.1 半导体的基本知识,6.1.1半导体特性,6.1.2 本征半导体,6.1.3 杂质半导体,6.1.1 半导体特性,物质分类,导体, 导电率为105S.cm-1，量级，如金属,绝缘体, 导电率为10-22-10-14 S.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力随条件变化。 如：硅、锗、砷化镓等。,半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增

6、加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,6.1.2 本征半导体,本征半导体的原子结构和共价键:,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,它们是成对出现的,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子

7、流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同,本征半导体中的载流子：,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体,掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体,6.1.3杂质半导体,N型半导体:,+5,+5,在本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,P型半导体:,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子

8、是少数载流子,空穴是多数载流子,杂质原子提供,由本征激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,讨论：,若使P型半导体和N型半导体“亲密接触”，,会发生什么现象？,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,6.2 PN结的形成及特性,内电场阻止多子扩散,载流子浓度差,多子扩散,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,扩散运动,多子从浓度大向浓度

9、小的区域运动，称为扩散。 扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方运动，称为漂移。 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN 结,稳定的空间电荷区，,又称为高阻区、,耗尽层，,PN结的接触电位, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V, 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗： V=0.20.3 硅： V=0.60.7,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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结呈现低电阻。,P区的电位高于N区的电位

10、，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 PN结呈现高电阻。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子

11、发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,27,1.点接触型二极管,一、基本结构,PN结面积、结电容小，可通过 电流小。用于高频电路及小电 流整流电路。,6.3 半导体二极管,阳极 阴极,二极管的符号,2.面接触型二极管,PN结面积、结电容大， 可通过大电流。用于 低频电路及大电流

12、整 流电路。,PN结加封装和引线，构成二极管。,28,半导体二极管图片,(a)点接触型,(b)面接触型,29,600,400,200,-0.1,-0.2,0,0.4,0.8,-50,-100,I / mA,U / V,正向特性,反向击 穿特性,硅管的伏安特性,二、二极管的伏安特性,30,600,400,200,-0.1,-0.2,0,0.4,0.8,-50,-100,I / mA,U / V,反向击 穿特性,二、二极管的伏安特性,二极管的近似和理想伏安特性,I / mA,U / V,0,三、主要参数,1 . 额定正向平均电流 IF,2 . 正向电压降 UF,3 . 最高反向工作电压 UR,4

13、. 最大反向电流 IRm,长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值,UF,恒压 特性,理想 特性,UF,Si：0.60.7V,Ge：0.20.3V,31,(1)整流(半波、全波) 利用D的单向导电性,(2)限幅(削波，单向或双向) 利用箝位作用,单向削波,三、二极管应用举例,半波整流,32,(3)低压稳压,(4)开关作用,D导通:开关闭合,D截止:开关断开,VD=Vth,33,二极管电路分析方法,1、判断二极管的工作状态,导通截止,将二极管断开,若正向偏置 :V阳 V阴 或 UD0，二极管导通 若反向偏置: V阳 V阴 或 UD0，二极管截止,理想二极管，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二

14、极管相当于断开。,34,二极管箝位电路,D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例1：下图中D为理想二极管, ui = 6 Sin tV, E= 3V,画出 uo波形。, t, t,ui / V,uo /V,6,0,0,2,解：,将D断开,三、二极管应用举例,35, t,ui / V,6,0,2,D,E 3V,R,ui,uR,uD,D,E 3V,双向限幅电路,uo, t,uo /V,0,36,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点， 断开二极管，,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1

15、截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,例2:,解:,例3：判别二极管是导通还是截止。,+ 9V -,+ 1V -,+ 2.5V -,+ 12.5V -,+ 14V -,+ 1V -,截止,解：,导通,例4.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,例：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,39,2.变容二极管,4.

16、 发光二极管,6.4 特殊二极管,稳压管,稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管，其反向击穿是可逆的，且反向电压稳定。,40,伏安特性曲线,正向特性：同普通二极管； 反向特性：同普通二极管；,反向电压达到UZ时，反向击穿。对应很大的IZ，UZ很小,反向击穿特性：,且反向击穿是可逆的。,稳压！,41,6.5 直流稳压电源,结构框图,一、直流稳压电源的组成:,42,1、单相半波整流电路,(1)电路组成,uo, t,o, t,o, t,o, t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,(2)工作原理,D,u2正半周,负,二、整流电路,43,u

17、O, t,0, t, t, t,2,3,uO,u2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,D,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,UO=0.45U2 ,ID= IO ,(3)电路计算,0,0,0,44,2,3,uo,t,o,2,3,t,o,t,o,uD,io,Im,2,2,3,3,u2,2.单相桥式整流电路,A、工作原理,45, t,o, t,o, t,o,2,3,uo,uD,io,2,3,Im,2,2,3,3,u2,uD1,uD3,uD4,uD2,B、电压、电流的计算,Uo=0.9U2,ID=(1/2) Io,选用二极管的依据是:,ID稍小于IF (最大整流电流）,URM稍小于UR（最高反

18、向工作电压）,负载直流电压,负载直流电流,二极管平均电流,二极管最大反向电压,46,集成硅整流桥：,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。,I 2= 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 = U2 I 2= 111 2.2 = 244. 2 V A,变压器副边电压 U 2 111 V,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。,练习1:,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

19、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？,练习2:,当D2或D4断开后,解:,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。,49,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。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路,如果D2或D4接反,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。,50,练习：分析全波整流电路,uo,（1

20、）输出电压平均值UO：,IO= UO /RL =0.9 U2 / RL,（2）输出电流平均值IO ：,（3）流过二极管的平均电流：,ID = IO/2,（4）二极管承受的最高反向电压：,51,估算公式: UO=1.0U2,u2,三、滤波电路,1. 有电容滤波的半波整流电路,52,2.有电容滤波的桥式整流电路,A、工作原理,u2,T,u1,RL,D1,D4,D3,D2, t,0,u2,a.断开RL;,b. t=0时接入RL;,此时，D1D4均截止，C经RL放电，uc下降，,但=RLC很大，uc下降缓慢。,53, t,o,iD,uo,o, t,t1,t4,t3,t2,A、工作原理,2.有电容滤波的桥式整流电路,越大，纹波越小！ 但二极管导通角越小，,54,T,Uo=1.2U2,B、输出电压及元件参数选择,特点：带负载能力差。 适用于输出电压较高， 输出电流较小的场合。,2.有电容滤波的桥式整流电路,IF (最大整流电流）大于等于2 ID,55,Uo,u2,RL,Io,u1,C,Ui,U2变化,Ui变化,