第10章直流电路.ppt

1、第1章 直流电路,1,第10章 二极管与直流稳压电源,10.1半导体的基本知识,10.1.1半导体及其特性 （1）导电能力特别强的叫导体，例如一般的金属、碳、电解液等。 （2）导电能力特别差，几乎可以看成不导电的物质叫绝缘体，例如胶木、橡胶、陶瓷等； （3）导电能力介于导体与绝缘体之间的物质叫半导体，常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge ）,热敏性,光敏性,掺杂性,第1章 直流电路,2,10.1.2本征半导体,1、本征激发产生自由电子-空穴对 在一定的温度下或在一定强度光照射下，本征半导体硅和锗中的少数价电子获得足够的能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的共价键上，留下了相同数量的

2、空位，这种现象称为本征激发。 2、本征半导体的导电特性,（1）、两种载流子 （2）、两种导电方式,第1章 直流电路,3,10.1.3掺杂半导体,1、N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入少量的五价元素，例如磷（P）。 2、P型半导体 在本征半导体中掺入少量的三价硼（B）元素。,第1章 直流电路,4,10.1.4 PN结,PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管、可控硅和半导体集成电路等多种半导体器件的基础。,PN结具单向导电特性。,第1章 直流电路,5,1、PN结的形成过程,P型和N型半导体结合面两侧同类型的载流子存在浓度差 ，N型区的多子自由电子向P型区扩散，并与P型区的空穴复合如图 ，

3、这样N型区由于失去电子而出现带正电的杂质层，P型区由于得到电子而出现带负电的杂质层，因此在交界面两侧形成一个带异性电荷的薄层，称为空间电荷区，即PN结。,10.1.4 PN结,第1章 直流电路,6,10.2半导体二极管,10.2.1二极管的结构、类型、电路符号 在PN结上加上相应的电极引线和管壳就制作成一个二极管，与P极相连的引线称为阳极或者正极，与N极相连的引线称为阴极或者负极。 半导体二极管按材料分类，可分为锗二极管、硅二极管；按结构分点接触型和面接触型两类。,第1章 直流电路,7,10.2.2二极管的单向导电特性和伏安特性,让二极管的阳极接电源的正极，阴极接电源的负极，二极管正向偏置而导

4、通，灯泡点亮，此时有一个较大的电流流经二极管称之正向导通电流IF。 让二极管的阴极接电源的正极，阳极接电源的负极，二极管反向偏置而截止，灯泡不亮此时二极管中只有一个很小的反向电流流过，称为反向饱和电流IS（也称为反向漏电流）。,第1章 直流电路,8,2、二极管的伏安特性,二极管的电流随外加电压变化的规律，叫二极管的伏安特性。 （1）、正向特性 “死区电压”或者阈值电压（锗管约为0.1V，硅管约为0.3V）。正向导通电压，小功率的锗管约为0.2-0.3V，硅管约为0.6-0.8V，在工程上一般取硅为0.7V，锗为0.2V。 （2）、反向特性 （3）、反向击穿特性,10.2.2二极管的单向导电特性

5、和伏安特性,第1章 直流电路,9,10.2.3二极管的主要参数,1、最大整流电流IF 表示允许通过二极管的最大的正向平均电流，超过此电流，将因管子超过限度而烧坏PN结。 一般点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下，面结合型二极管的最大整流电流可达数百安培以上，有的甚至可达几千安培以上。 2、最大反向电压URM 最大反向电压是指保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半或三分之一 。 3、最大反向电流IRM 最大反向电流是指二极管加最大反向电压时的反向电流值。,第1章 直流电路,10,1、稳压二极管 （1）、稳压二极管及其伏安特性,给稳压二极管加反向电压，使它工作在

6、电击穿区域，反向电流虽然在很大范围内变化。但稳压二极管两端的电压变化很小，利用这一性质稳压二极管在电路中可以实现稳压作用 。,10.2.4特种二极管,第1章 直流电路,11,（2）、稳压二极管的主要参数,稳定电压UZ 稳定电压UZ就是稳压二极管在正常工作时管子两端的电压。 稳定电流IZ 稳压管正常使用起码的工作电流 。 动态电阻Rz 动态电阻是指稳压二极管在正常工作时，其电压的变化量与相应电流变化量的比值，即 最大允许耗散功率PZM 稳压管所允许的最大功耗，超过此值，管子将会过热击穿损坏。,10.2.4特种二极管,第1章 直流电路,12,2、发光二极管 发光二极管简称为LED管，是由镓（Ga）

7、、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，用这些材料制成的PN结，加上正偏电压，将电能转化成光能而发光，,3、光电二极管简介 光电二极管又称光敏二极管，它是利用PN结在施加反向电压时，随着光线照射由弱变强，反向电阻由大变小的原理来工作的。,4变容二极管 变容二极管的工作原理是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压的变化而变化的特点，实现用外加电压来控制电路电容。,10.2.4特种二极管,第1章 直流电路,13,10.3单相整流电路,10.3.1单相半波整流电路 1、电路工作原理 设变压器二次绕组的交流电压为：,当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a正b负，二极管VD承受正向电压而导通，iL

8、= id ，uL=u2 。,当u2为负半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a负b正，二极管VD承受反向电压而截止，负载上流过的电流iL等于零，负载电压uL等于零。,第1章 直流电路,14,2、单向半波整流参数计算,（1）、电压的平均值为： 电压的平均值是指一个周期内脉动电压的平均值，即：,uL的平均值的几何意义是一个半波与横轴所围成的面积与周期的比值。,10.3.1单相半波整流电路,第1章 直流电路,15,（3）最高反向电压,（2）电流的平均值,3、整流二极管的选择 （1）在选择二极管时，整流二极管的最大整流电流IFID，而流经二极管的电流等于负载电流，即： （2）应选择整流二极管的最大反向电

9、压URM大于等于在电路中二极管实际要承受的最大反向电压UDM。 URMUDM=U2,10.3.1单相半波整流电路,第1章 直流电路,16,10.3.2单相桥式整流电路,1、电路工作原理,第1章 直流电路,17,当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a正b负，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电路形成回路，电流iL从a点VD1RLVD3b点；uL=u2 ，输出电压uL的波形与u2相同。,当u2为负半周时，由于u20，u2的瞬时极性为b正a负，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，电路形成回路，电流iL从b点VD2RLVD4a点；uL=-u2 ，输出电压uL的波形与U2关于横轴对称

10、。,10.3.2单相桥式整流电路,第1章 直流电路,18,2、单向桥式整流参数计算 （1）电压的平均值为： 单相桥式整流电路的整流的输出电压是全波，所以输出电压的平均值UO比半波整流增加了一倍，即：,（2）电流的平均值 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：,（3）最高反向电压 单向半波整流电路中二极管截止时承受的最高反向电压就是变压器二次侧交流电压的幅值U2M。,10.3.2单相桥式整流电路,第1章 直流电路,19,3、整流二极管的选择,（1）在选择二极管时，整流二极管的最大整流电流IFID，而流经二极管的电流等于。,（2）应选择整流二极管的最大反向电压URM大于等于在电路中二极管

11、实际要承受的最大反向电压UDM。,URMUDM=,U2,例10.1 一单相桥式整流电路，接到220V正弦工频交流电源上，负载电阻RL=50，负载电压Uo=100V。根据电路要求选择二极管。,解：整流电流的平均值为,10.3.2单相桥式整流电路,第1章 直流电路,20,流过每个二极管的平均电流为,变压器二次侧电压有效值为,考虑到变压器二次侧绕组及整流二极管上的压降，变压器二次侧电压一般应高出（5%10%）U2。 所以U2=111 1.1V=122V。,每只二极管截止时承受的最高反向电压为 UDRM= U2=122V=172V,可选用2CZ12D二极管，其中最大整流电流为3A，反向工作电压峰值为3

12、00V。,10.3.2单相桥式整流电路,第1章 直流电路,21,10.4滤波电路,10.4.1电容滤波电路,第1章 直流电路,22,例10.2一单相桥式整流电容滤波电路，已知负载RL=1.2K，要求输出直流电压U0=30V。试选择整流二极管和滤波电容。已知交流电源频率f=50HZ。 （1）选择整流二极管 流过二极管的电流平均值为：,变压器二次侧电压的有效值为：,查手册，可选用地二极管2CP11，最大整流电流100mA，最大反向工作电压50V。,滤波电容的选择,取RLC=,所以滤波电容的容量为 C5,可以选择容量为47uF的电解电容。,10.4.1电容滤波电路,第1章 直流电路,23,10.4.

13、2电感滤波电路,电感滤波电路的外特性较好，带负载能力较强，但体积比较笨重,第1章 直流电路,24,10.5稳压电路,10.5.1稳压二极管稳压电路,1、负载RL不变，电源电压发生波动时，稳压电路的稳压情况,2、电源电压不变、负载电流变化的稳压情况,第1章 直流电路,25,稳压二极管稳压电路参数的选择,硅稳压管的选择,输入电压的确定 Ui高，R大，稳定性能好，但损耗大。一般Ui=（23）UO,限流电阻R的选择,所以,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,26,（4）限流电阻额定功率的选择 PR应适当选大一点。,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,27,当整流滤波后的电压

14、为最小值Uimin（即交流电源电压最高），负载电流为最大值Iimax时，流过稳压二极管上的电流最小，应让它大于稳压管的稳定电流IZ，才能保证稳压二极管工作于稳压状态。,因此，限流电阻的计算公式为,（4）限流电阻额定功率的选择,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,28,例10.3 某二极管稳压电路如图所示，负载电阻RL由开路变到2K，整流滤波以后的电压UC=30V，设Ui的变化范围为10%，负载电压Uo=10V，试选择稳压二极管和限流电阻。 解（1）选择稳压管： 负载的稳定电压 UZ=U0=UL=10V 负载的电流最大值为,负载电流的最小值为ILmin=0,查手册得2CW18管的参

15、数为 UZ=10V12V，IZ=5mA，IZmax=2mA。 符合要求，所示选2CW18。,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,29,（2）选择限流电阻R 整流滤波以后的电压就是稳压电路的输入电压Ui，所以Ui=UC=30V。因为UC的变化范围为10%，所以,限流电阻的计算公式可得,电阻R的功率,所以选择1.5K1W的电阻。,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,30,10.5.2串联型稳压电源,取样环节是用来从输出电压中取出能反应输出电压变化的取样电压，由基准环节产生一个基准电压与取样电压在比较放大环节进行比较，由调整环节进行输出电压调整，以达到稳定输出电压的目的。

16、,第1章 直流电路,31,10.5.3集成稳压电路,1、固定式三端稳压器 （1）正电压输出稳压器,常用的三端固定正电压稳压器有78系列，型号中的两位数表示输出电压的稳定值，78系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种。例如：7812的输出电压为12V，7805输出电压是5V。,（2）负电压输出稳压器 常用的三端固定负电压稳压器有79系列，型号中的两位数表示输出电压的稳定值，和78系列相类似，79系列输出负电压有-5V、-6V、-8V、-9V、-10V、-12V、-15V、-18V、-24V等多种。例如：7912的输出电压为-12V，7905输出电压是

17、-5V 。,第1章 直流电路,32,（3）三端固定式稳压器的应用电路,输入端的Ci用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，接线时可以不用。 Ci一般在0.11uF之间 。输出端的电容Co用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声。Co一般是1uF 。虚线所接的二极管起保护稳压器的作用 。,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,33,2、可调式三端集成稳压器,正稳压器W17（例如W117、W217、W317）和负稳压器W37（例如W137、W237、W337），调压范围正稳压器为1.25V37V，负稳压器-1.25V-37V，

18、输出电流达到1.5A。,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,34,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,35,10.5.1稳压二极管稳压电路,第1章 直流电路,36,10.6.1晶闸管,普通晶闸管的外型有螺栓形、平板型等不同形式。晶闸管由四层半导体P1、N1、P2、N2制成，形成J1、J2、J3三个PN结，最外层的P1层引出的电极称为阳极A，最外层的N2层引出的电极为阴极K，中间的P2层引出的电极为控制极G，然后用外壳封装起来。,开创了半导体用于强电领域的先河,广泛用于可控整流、交流调压、 逆变、保护和开关电路中,第1章 直流电路,37,分解成PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合,导通的晶闸管外加电压降到零（或切断电源），则阳极电流IA降到零，晶闸管即自行阻断。,1、晶闸管的工作原理,10.6.1晶闸管,第1章 直流电路,