1、4.2 整流、濾波與穩(wěn)壓電路,4.1 二極管,第4章 二極管及其整流電路,本章要求： 一、理解PN結的單向導電性，了解二極管、穩(wěn)壓 管的基本構造、工作原理和特性曲線， 理解主要參數(shù)的意義； 二、會分析含有二極管的電路； 三、理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及參 數(shù)計算; 四、了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理;,第4章 二極管及其整流電路,學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。 對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。 器件是非線性的、特性有分散性、RC 的值有誤差、工程上

2、允許一定的誤差、采用合理估算的方法。,對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應用。,1.半導體的導電特性：,摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導 體器件，如二極管、三極管和晶閘管 等）。,光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化 (可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等)。,4.1.1 半導體的基本知識,4.1 二極管,2. 本征半導體,完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價健結構,共價健,共價鍵中的兩個電子，稱為價電子

3、。,價電子,價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。,本征半導體的導電機理,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,空穴,溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。,自由電子,在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。,本征半導體的導電機理,當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運動 電子電流 (2)價電子遞補空穴 空穴電流,注意： (1) 本征半導體中載流子數(shù)目極少, 其導電性能很差； (2) 溫度愈高

4、， 載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。,自由電子和空穴都稱為載流子。 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。,3. N型半導體和 P 型半導體,摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。,摻入五價元素,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子,在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。,在N 型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,動畫,3. N型半導體和

5、P 型半導體,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或 P型半導體。,摻入三價元素,在 P 型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,硼原子,接受一個電子變?yōu)樨撾x子,空穴,動畫,無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。,1. 在雜質半導體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。,2. 在雜質半導體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。,3. 當溫度升高時，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加電壓的作用下，P 型半導體中的電流 主要是 ，N 型半導體中的電流主要是 。 （a. 電

6、子電流、b.空穴電流）,b,a,4. PN結的形成,多子的擴散運動,少子的漂移運動,濃度差,P 型半導體,N 型半導體,內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。,空間電荷區(qū)也稱 PN 結,擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,動畫,形成空間電荷區(qū),5. PN結的單向導電性,(1) PN 結加正向電壓（正向偏置）,PN 結變窄,P接正、N接負,IF,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。,PN 結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。,動畫,(2) PN 結加反向電壓（反向偏

7、置）,P接負、N接正,動畫,PN 結變寬,(2) PN 結加反向電壓（反向偏置）,內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,IR,P接負、N接正,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。,動畫,PN 結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。,4.1.2 二極管及其簡單應用,(a) 點接觸型,(b)面接觸型,結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。,結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。,(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。,1.二極管的結

8、構特點,圖 1 12 半導體二極管的結構和符號,二極管的結構示意圖,2.二極管的伏安特性,硅管0.5V,鍺管0.1V。,反向擊穿 電壓U(BR),導通壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。,正向特性,反向特性,特點：非線性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內(nèi)保持 常數(shù)。,3. 主要參數(shù),(1) 最大整流電流 IDM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,(2) 反向工作峰值電壓URM,是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊

9、穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。,(3) 反向峰值電流IRM,指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。,(4) 最高工作頻率M,二極管的單向導電作用開始明顯退化的交流信號頻率。,二極管的單向導電性,1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負 ）時， 二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。,2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正 ）時， 二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。,3. 外加電

10、壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。,4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。,4. 二極管的簡單應用,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導通截止,分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負。,若 U陽 U陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通 若 U陽 U陰 二極管導通 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V 否則， UAB低于6V一個管壓降，為6.3或6.7V,例1：,取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這里，二極管起“鉗位”作用，即UAB兩端的電壓被鉗制在6V左右。,兩個二極管的陰極接在一起

11、 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,U1陽 =6 V，U2陽=0 V，U1陰 = U2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導通， D1截止。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向電壓為6 V,流過 D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,ui 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui Ub，二極管 D1、 D3 導通， D2、 D4 截止 。,(3) 工作波形,uD2uD4,(1) 電路結構,動畫,u 負半周，UbUa，二極管 D2、 D4 導

12、通， D1、 D3 截止 。,（2） 工作原理,uD1uD3,(3) 工作波形,2. 主要技術指標,(a) 整流電壓平均值 Uo,(b) 整流電流平均值 Io,(c) 流過每管電流平均值 ID,(d) 每管承受的最高反向電壓 UDRM,(e) 脈動系數(shù)S,整流輸出電壓波形中包含有若干偶次諧波分量，稱為紋波。最低次諧波幅值與輸出電壓平均值之比定義為脈動系數(shù)。,注意：如果D2或D4接反 則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。,如果D2或D4因擊穿燒壞而短路 則正半周時，情況與D2或D4接反類似

13、，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。,4.2.2 濾波電路,交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。 濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。 方法：將電容與負載RL并聯(lián)(或將電感與負載RL串聯(lián))。,u uC時，二極管導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電， uC 增加，uo= uC 。,u uC時，二極管截止，電容通過負載RL 放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降， uo= uC 。,二極管承受的最高反向電壓為 。,充電 放電,1 電容濾波器

14、 (1) 電路結構,(2) 工作原理,(3) 工作波形,(4) 電容濾波電路的特點,(T 電源電壓的周期),(a) 輸出電壓的脈動程度和平均值Uo與放電時間 常數(shù)RLC有關。,RLC 越大 電容器放電越慢 輸出電壓的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算?。?Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波） Uo = 1. 0 U （半波）,當負載RL 開路時，UO ,為了得到比較平直的輸出電壓,(b) 外特性曲線,有電容濾波,1.4U2,結論,采用電容濾波時，輸出電壓受負載變化影響較大，即帶負載能力較差。 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負載電流較小且負載變化較小的場合。,(c) 流過二極管的

15、瞬時電流很大,選管時一般?。?IOM =2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二極管導通時間越短 iD 的峰值電流越大。,例：,有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率 f=50Hz，負載電阻 RL = 200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。,流過二極管的電流,二極管承受的最高反向電壓,變壓器副邊電壓的有效值,解：1. 選擇整流二極管,可選用二極管2CP11,IOM =100mA UDRM =50V,例： 有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率 f=50Hz，負載電阻 RL = 200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。,取 R

16、LC = 5 T/2,已知RL = 50,解：2. 選擇濾波電容器,可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器,2. 電感電容濾波器,(1) 電路結構,(2) 濾波原理,對直流分量: XL=0 ，L相當于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量: f 越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。,當流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。,LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。,3. 形濾波器,(1) 形 LC 濾波器,濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。,比 形 LC

17、 濾波器的體積小、成本低。,(2) 形 RC 濾波器,R 愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R 大將使直流壓降增加，主要適用于負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。,穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設備。 穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負載及環(huán)境溫度的變化無關。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。 穩(wěn)壓電路是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分，也可以是一個獨立的電子部件。,4.2.3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,設UI一定，負載RL變化, UO (UZ ) , IZ,限流調壓,穩(wěn)壓電路,1. 電路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,UI UZ ,設負載RL一定， UI 變化, IZ , IR ,1. 電路,3. 參數(shù)的選擇,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) IOM (3) UI = (2 3) UO,(4),為保證穩(wěn)壓 管安全工作,為保證穩(wěn)壓 管正常工作,適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負載變動不大的場合。,例1. 有一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，見前圖。負載電阻RL由開路變到3k，交流電壓