极管及直流稳压电路

教材 :电路与电子简明教程 主讲教师 :张 军颖 电子技术 6.1 半导体的基本知识 6.2 半导体二极管 6.3 稳压二极管 6.4 整流、滤波及稳压电路 第 6章 二极管及直流稳压电路 6.1 半导体的基本知识 半导体 :导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和 硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 半导体材料的特性 : 1. 纯净半导体的导电能力很差； 2. 热敏特性 :温度升高 -导电能力增强 (如钴、锰、镍的 氧化物做成的 热敏电阻 )； 3. 光敏特性 :光照增强 -导电能力增强 (如镉、铅等硫化 物做成的 光敏电阻 )； 4. 掺入少量杂质 -导电能力增强 (可做成 半导体二极管、 半导体三极管 ) 。 6.1.1 本征半导体 1.本征半导体 :完全纯净、具有晶体结构的半导体。 最常用的半导体为硅 (Si)和锗 (Ge)。它们的共同特征 是四价元素 ,每个原子最外层电子数为 4。 + + Si Ge 共价键 6.1.1 本征半导体 本征半导体中 ,每 个原子与相邻的 四个原子结合。 共价键 :每个原子的外层一个价电 子与另一原子的一个价电子组成一 个电子对 ,这电子对叫 共价键 。 2.共价键结构 这对价电子是由相邻两个原子共有 , 把相邻原子结合在一起 ,构成 共价 键结构。 共价键 价电子 共价键 价电子 自由电子 和 空穴 同时产生 6.1.1 本征半导体 获 取能量 自由电子 升温和光照 外加电压 电子电流 离开 剩 空穴 原子带正电 吸引相邻原子 价电子 填 补空穴 好像空穴在运动 （正电荷） 外加电压 空穴电流 与金 属导 电的 区别 硅原子 自由电子 3.自由电子和空穴的形成 硅原子 载流子 :自由电子和空穴都称为 载流子 。 共价键 价电子 6.1.1 本征半导体 半导体中的自由电子和空穴总是 成对 出现 ,同时又不断进行复合。在一定温 度下 ,载流子 的 产生与复合会达到 动态 平衡 , 载流子便维持一定数目。 半导体两端加外电压时 ,半导体中出现 两部分电流 ： 一 是自由电子作定向运动所形成的电子电流； 一 是被原子核束缚 价电子 填补空穴所形成的空穴电流。 温度愈高 ,载流子数目就愈多 ,导电性 能就愈好 温度对半导体器件性能 影响很大。 6.1.2 N型半导体和 P型半导体 在常温下 ,本征半导体的载流子数量极少 ,其导电能力相当低。 如在半导体中掺入微量杂质元素 ,将得到掺杂半导体 ,而 掺杂 半导体的导电能力将大大提高 。 由于掺入杂质元素的不同 ,掺杂半导体可分为两大类 N型半导体 和 P型半导体 。 1.N型半导体 在 本征半导体 中掺入微量 磷 (或 五价元素 ),不改变原子的晶 体结构 ,只是某些位置的硅原子被磷原子取代 ,磷原子与周围 四个硅原子形成共价键后 ,磷原子的外层电子数将是 9,比稳定 结构多一个价电子 。 1. N型半导体 P + Si Si Si Si Si Si P 多余 电子 掺入磷杂质的半导体中 ,自由电子数目大量增加 。 自由电子 导电是主要的导电方式 ,称为 电子半导体或 N型半导体 ,其中 自由电子 是 多数载流子 ,空穴 是 少数载流子 。 自由电子数比 本征半导体中 自由电子数多 ,空穴数比 本征半 导体中 空穴数少 。 2. P型半导体 在 本征半导体 中掺入微量 硼 (三价元素 )。 B + Si Si Si Si Si Si B 空 穴 掺 入 硼 杂质的 半导体中 ,空穴的数目远大于自由电子的数目 。 空穴为多数载流子 ,自由电子是少数载流子 ,空穴 导电是主要导 电方式 ,称为空穴型半导体或 P型半导体 。 不论是 N型半导体还是 P型半导体 ,都只有一种载流子占 多数 ,然而 整个半导体晶体仍是电中性的 。 6.1.3 PN结及其单向导电性 P N 空间电荷区 根据浓度梯度 ,多数载流 子将进行 扩散运动 。 耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷 区 ;这空间电荷区就是 PN结 (内电场 )也称耗尽层。 内电场阻碍了多子的继续扩散 ,推动少数载流子的 漂移 运动 ,最终达到动态平衡 ,空间电荷区即 PN结宽度一定。 P区 :空穴多 自由电子少 N区 :空穴少 自由电子多 内电场 1.PN结的形成 漂移 运动 :少数载流子受 内电场作用沿电场力方 向的运动。 空间电荷 区 P区 N区 载流子的运动有两种形式： 扩散 运动 :由浓度梯度引起的多子从高浓度区向低浓度区的运动。 漂移 运动 :少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。 耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种 动态平衡 , PN结的厚度就一定。 6.1.3 PN结及其单向导电性 6.1.3 PN结及其单向导电性 P N + + - 2. PN结的单向导电性 1).加正向电压 P区接电源正极 、 N区接负极。 内电场方向 外电场方向 载流子运动的动态平衡被破坏。 外电场 作用 P区空穴进入 PN N区电子进入 PN PN结内正负离子 被抵消 PN结 变窄 内电 场弱 变窄 扩散增强 漂移变弱 多子运动形成较大正向电流 外电源不断提供电荷维持电流。 外电场愈强 ,正向电流愈大 ,这时 PN结电阻很低。 I 2. PN结的单向导电性 2).加反向电压 P区接外电源的负极 , N区接正极。 P N + 内电场方向 外电场方向 载流子 运动的动态平衡被破坏。 外电场 作用 变宽 PN结 变宽 内电场 增强 扩散 难进行 漂移 增强 I0 PN结电 阻很高 I0 PN结具有单向导电性 ,即正向导 通、反向截止。 6.2 半导体二极管 在一个 PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来 ,便构成 一只半导体二极管 ,简称二极管。 6.2.1 基本结构 金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 外壳 (a)点接触型 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 阴极引线 (b) 面接触型 阴极 阳极 符号 D 二极管是由 PN结构成的 ,具有单向导电性。某种硅二极管伏 安特性如图： 1.正向特性 正向 :由死区电压分为 死区 和 导通区 。 (死区电压 Si-0.5V,Ge-0.1V) U(V) 0.4 0 0.8 -50 -25 I (mA) 20 40 60 (A) 40 20 0-0.5V:电压低 外电场 0.5V:电 压高 外电场 内电场 内 电场大大削弱 正向电流大 导通。 导通压降 : Si 0.6 0.7V,Ge 0.2 0.3V 6.2.2 二极管的伏安特性 死区 导通区 死区电压 击 穿 区 截止区 :反向电压小 漂移强 (少子 ) 反向电流很小 反向饱和电流 U(V) 0.4 0 0.8 -50 -25 I (mA) 20 40 60 (A) 40 20 2.反向特性： 由击穿电压分为截止区和击穿区。 击穿区 :反向电压 增大到一定值时 反向电流将突然增大 二极管失去 单向导电性 击穿 不可逆 。 击穿电压 截止区 6.2.2 二极管的伏安特性 二极管特性可用伏安曲线表示 ,也可用二极管参数来说明。 二极管的主要参数有： 1.最大整流电流 IOM :二极管长时间使用所允许通过的最大 正向平均电流。当电流 IOM 时 ,PN结过热而使管子损坏。 2.反向工作峰值电压 URWM:指二极管使用时允许加的最大反 向电压。 一般为反向击穿电压的 1/2至 2/3。 3.反向峰值电流 IRM : 二极管加反向峰值电压时的反向电流 值。受温度影响很大。 6.2.3 二极管的主要参数 4.最高工作频率 fM:二极管所能承受的外施电压的最高频率。 总之 ,温度对二极管特性有较大的影响 ,随着温度的升高 ,反向 电流增大 ,正向压降减小。 6.2.4 二极管的应用 应用 :整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。 电路分析 :二极管理想时 ,正向导通时 压降 为零 ,非理想时 ,导通压 降 : Si 0.6 0.7V,Ge 0.2 0.3V;反向截止时二极管为断开。 因为 VBVA, D2优先导通 ,D2导通后 ,D1上 加的是反向电压 ,因而截止。 例 1:如图 , 求输出端 Y的电位 VY。 A B 0V 3V R -12V Y D1 D2 解： 则 :VY=3V。 D2起钳位作用 ,把 VY钳 制 在 3V;D1起隔离作 用 ,隔离输入 A和输出 Y。 分析方法 :将二极管断开 ,分析二极管两端电位的高低 。 若 V阳 V阴 ,二极管 导通 ;若 V阳 V阴 ,二极管 截止。 例 2:电路如图 ,己知输入电压 ui=10sintV,电源电动势 E=5V,二 极管为理想元件 ,试画出输出电压 uo的波形。 解 :当 ui5V时 ,二极管 D截止 ,故 uo= ui。 当 ui 5V时 ,二极管 D导通 ,则 uo=E=5V。 uo被限制在 5V以内 , 二极管起限幅作用。波形如下图。 1.如图 ,二极管 D1.D2为理想元件 ,判断 D1.D2 的工作状态为 ( )。 (a). D1导通 , D2截止 (b). D1 导通 , D2导通 (c). D1截止 , D2导通 (d). D1截止 , D2截止 D 1 D 2 15V 12V R + - + - a 2.半导体二极管的主要特点是具有（ ）。 (a)电流放大作用 (b)单向导电性 (c)电压放大作用 b 6.3 稳压二极管 稳压管 :是一种特殊的面接触型 硅二极管 。在电路中与适当 数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 稳压管的 图形符号 ： 6.3.1 稳压管的伏安特性 U(V) 0.4 0 0.8 -8 -4 I (mA) 20 40 10 -20 -10 30 -12 反向 正向 正常工作于 反向击穿区 ,电流在很大 范围内变化 ,电压变化很小 ,即它能起 稳压的作用。反向击穿是 可逆的 。 在电路中稳压管是 反向联接 的。 UZ IZ IZ UZ IZM 1 稳定电压 UZ 稳压管在正常工作时两端的电压 , 就是它的反向击穿电压 。 同一型号稳压管 UZ也不一定相等 。 2稳定电流 IZ 指稳压管工作电压等于稳定电压时的电流 。 每种型号稳压管都规定有一个 最大稳定电流 IZM, 超过它 ,易发生热击穿 (不可逆 ),稳压管损毁 ,IZIZM。 Z z Z = Ur I 6.3.2 稳压管的主要参数 3动态电阻 rZ 指稳压管两端电压的变化量 与相应电流变化量的比值。 U(V) 0 I (mA) 反向 正向 UZ IZ IZM IZ UZ 4.电压温度系数 u :说明稳压值受温度影响的参数。温度每 变化一度时 ,它的稳压值变化值 。 2 1 1t t t u21()U U t t U 特别说明： 稳压管的电压温度系数有正负之别。 u u u 5 V 0 6V 7 V 0 Z Z Z U U U 很 小 因此选用 6V左右的稳压管 ,具 有较好的温度稳定性。 6.3.2 稳压管的主要参数 5.最大允许耗散功耗 PZM:保证稳压管不发生热击穿的最大功 率损耗 。 其值为稳定电压和允许的最大电流乘积 。 Z M Z Z MP U I 例题 1： 如图 ,通过稳压管的电流 IZ等于多少？ 解： UR=20-12=8V IZ=IR=8/1.6=5mA0时 , 二极管 导通 ,u0=u； 而 u0时 ,D1.D3导通 ,而 D2.D4截止； uo a Tr RL b u D1 D2 D3 D4 t 0 uo U2 T 0 1 2 si n ( ) 22 0.9 o U U t d t UU u 0时 ,D2.D4导通 ,而 D1.D3截止。 Uo 工作情况 : - + 0 .9o 0 0 . 9 o LL U UI RR 0 1 0 . 4 5 2D L UII R 2D R MUU io 管中电流： 管承受的最高反向电压： 例 :桥式整流电路 ,已知 RL=160,要求输出电压的平均值为 20V, 试选择合适的二极管。 解： 因 U0=20 V, Io=Uo/RL=20/160=125mA 流过二极管的平均电流为 ID=0.5Io =0.5 125=62.5mA 变压器副边电压的有效值为 U=Uo/0.9=20/0.9=22.2V 二极管承受的最高反向电压为 V.UU D RM 43122222 查附录 C-1可知 ,应选用 2CZ52B(100 mA,50 V)二极管。 常见的几种整流电路 U Uo Io U Uo Io U Uo U Io 整流电压平均值 t 0 uo t 0 uo t 0 uo 电 路 整流电压波形 o 0 .4 5UU 0.9oUU 0 .9oUU 二极管平均电流 oI 2oI 二极管最高 反向电压 2 1 . 4 1UU 2 2 2 . 8 3UU 副边电流有效值 1.57 oI 0.79 oI 1.11 oI 半 波 全 波 桥 式 2 oI 2 1 . 4 1UU 6.4.2 滤波 电路 整流电路仅将交流电转换成单向脉动的电压。 需 滤波器 改善电压的脉动程度。 1 电容滤波电路 D RL Tr a b uC=uo C t 0 u t 0 u D截止 D导通 D导通 D截止 D导通 电容滤波器的作用 ucu + u - - + + - 无 滤 波 有 滤 波 二极管 UDRM=22U 当 RL= 时 ,UO=2U,输出最大。 改善了输出电压的脉动程度 ,但带负载能力较差。 采用电容滤波时 ,输出电压的脉动程度与电容器的放电时间 常数 RLC有关 ,其值愈大则脉动程度就愈小。一般为 : L TC ( 3 5 ) 2 R 即 输出电压 Uo由下式估算： oUU 12.oUU (半波 ); (全波 ) 二极管的导通时间短 , 在一个周期内电容器的充电电荷等于 放电电荷 ,即电流平均值为零， ID=IO。 1 电容滤波电路 C ( 3 5 ) 2L TR 二极管的导通时间较短 ,因此通过二极管的电流峰值较大 ,应 避免电流冲击损坏二极管。 二极管选择时 ,一般按 (23)ID选择二极管的最大整流电流。 桥式电容滤波 : t 0 u 电容滤波器的作用 有 滤 波 a Tr b u RL uo D1 D2 D3 D4 C 二极管 UDRM=2U 1 电容滤波电路 滤波电路中 电容 元件的选择： 5 2L TRC 取 ：耐压值为二极管的反向 工作峰值电压。 电容滤波电路的 特点 :结构简单 ,输出电压较高 ,脉动也较小 , 带负载能力差 ,且有电流冲击。 例 :如图 ,已知电源 f=50Hz, RL=200,要求输出直流电压 U0=20V, 选择整流二极管和滤波电容。 R L u uo C 解： 20 0 . 1 A 200 O O L UI R A 050102121 .II OD V6716212021 .UU O V623671622 .UU D R M 查附录 C-1可知 ,应选用 2CZ52B(100mA,50V)。 15C = 5 5 2 5 0 2 2 2 2 0 0 5 0LL T F R R f 应选用 C=250F,耐压为 50V的电解电容。 为了减小输出电压的脉动程度 ,可在滤波电容之前串接一个 铁心电感线圈 L 即 电感滤波器 。 XL=2fL, f愈高 ,电感上 的压降 愈大 , 输出电压的 脉动程度减小 。 一般需要线圈的电感量 较大 ,但其直流电阻也较 大 ,因而会造成输出电压 的下降。 L滤波器适于电流较大、输出 电压脉动很小场合 ,更适合高频 滤波。 2 电感滤波 电路 Tr RL u C L 电感滤波电路 + - 如果需要输出电压的脉动 更小 ,可再加一个滤波电容 , 即 形 LC滤波器。 由于线圈体大且重 ,有时可用 电阻代替电感线圈以构成 形 RC滤波器 。 R愈大滤波效果 愈好 ,但将使输出电压下降 ,所 以适用于负载电流较小、电 压脉动很小场合。 3 形 滤波电路 形 LC滤波电路 RL u C 2 L C1 + - 形 RC滤波电路 RL u C2 R C1 + - 最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。 1.电路结构 6.4.3稳压管 稳压电路 经整流滤波后 , 脉动程度虽有了最大改善 ,但直流电压幅度还 会随着 电网的波动或负载的变化 而变化。需进行稳压。 uUIUoIZ(稳压管特性 ) UR(IR=IZ +Io) Uo=UI -RIR,抵消 UI ,保持 Uo近似不变。 (1)电网电压波动 (2)负载波动 IoIRURUo(UI不变 ) IZ UR Uo不变 2.工作原理 选稳压管规律 : UZ=Uo;IZM=(1.5-5)IOM;UI=(2-3)Uo 3.稳压管的选择 RL UI DZ R C UO IZ Io + + - - IR u + - 例 :如图 ,已知 RL由开路变至 2k,交流电压经整流滤波后得到 UI=30V。今要求 Uo=10V,试选择合适的稳压管。 解：当 RL=2 k时 5-3-310 5 1 0 A m A 2 1 0 O OM L UI R 查附录 C-2可知 ,应选用 2CW59,其参数为 Uz=10 11.8 V， IZM=20 mA RL UI DZ R C UO IZ Io + + - - IR