第9章-直流稳压

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第1章 二极管及其基本电路,学习重点：,PN结的基本知识,半导体二极管的结构、伏安特性、应用电路,。,学习内容:,PN结的基本知识、半导体二极管、半导体二极管。,第1章 二极管及其基本电路,1.1 半导体基础理论知识,半导体材料（semiconductor material）,导电能力,介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,半导体材料的,电学,性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。,元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。硅（Si）和锗（Ge）是主要的半导体材料，其中硅（Si）是占据了90以上的半导体材料份额。硅和锗材料在电子、冶金、化工、军事、航天等领域有广泛的用途。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体,本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，,常称“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,本征激发 （热激）：当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增,高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,本征半导体的原子结构及共价键,共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。,图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体的两种载流子,温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键,成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。,本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。,图1.1所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图,1.1,本征激发产生电子空穴对,第1章 二极管及其基本电路,N型和P型杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生,显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导,体称为杂质半导体。,1、N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称,电子型半导体。,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子,形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电,子。N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴,是少数载流子, 由热激发形成。如图1.2所示。,第1章 二极管及其基本电路,N型半导体,图,1.2,N,型半导体的共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,P型半导体,本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也,称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个,价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，,主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。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。P型半,导体的结构示意图如图1.3所示。,图,1.3,P,型半导体共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,PN结的行成及其单向导电性,将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。,载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。,在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将,会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。,形成如下物理过程:,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,内电场,内电,场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散。最后多子扩散和少子的漂移达到动,态平衡。,如图1.4所示。,第1章 二极管及其基本电路,图,1.4,P,型和,N,型半导体交界处载流子的扩散,第1章 二极管及其基本电路,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原,来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的,离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.5所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗,了，因此又称空间电荷区为耗尽层,。,图,1.5,PN,结的形成,第1章 二极管及其基本电路,PN结单向导电性,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区， PN结呈低,阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结中：P,区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N,区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时的导电情况如图1.6所示。外加的正向电压有一部分降,落在PN 结区，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结呈现低阻性。,第1章 二极管及其基本电路,图,1.6 PN,结加正向电压时的导电情况,第1章 二极管及其基本电路,PN结加反向电压时的导电情况,PN结加反向电压时的导电情况如图1.7所示。外加的反向电压有一部,分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场,对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在,内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于,漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。这样的反接电压使N区和P区中,的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流,由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流相反，表,现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动,形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以是很微弱的，一般硅管为微,安数量级。由于很小，所以 PN结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的,电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称PN结截止。PN结加正向电压,时，电阻值很小，PN结导通；加反相电压时，电阻值很大，PN结截止，,这就是它的单向导电性，PN结的单相导电性关键在于它的耗尽区的存,在，且其宽度随外加电压而变化。,第1章 二极管及其基本电路,图,1.7,PN,结外加反向电压,第1章 二极管及其基本电路,PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容C,B,；,二是扩散电容C,D,。,势垒电容,C,B,。,势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使,PN,结上压降发,生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当,PN,结中存储的电,荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图,1.8,。,图,1.8,势垒电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,（,2）扩散电容C,D,。,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正,偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向,电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多,子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类,似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.9所示。当外加正向电,压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积,的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。势垒电,容和扩散电容均是非线性电容。,第1章 二极管及其基本电路,图,1.9,扩散电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,二极管及其特性,二极管的结构和类型,接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的,阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用,途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管,等。图1.10为不同结构的二极管。,图1.10不同结构的二极管,第1章 二极管及其基本电路,图,1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的,方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,A K,图1.11 二极管的符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检,波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形,各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形及实物。,图1.12 几种常见的二极管外形及实物,第1章 二极管及其基本电路,二极管的特性,(1).二极管伏安特性,二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。理,论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为1.1式。,1.1,此式称为理想二极管电流方程。式中，I,R,称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常,温下U,T,26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图1.13中，实线对应硅材料二极,管，虚线对应锗材料二极管。,第1章 二极管及其基本电路,(2).正向特性,二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图2.15所示，当二,极管所加正向电压比较小时（0U0时:二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2;(2)、u2u2,VD1，VD3截止, C向RL放电, uo（uc）按指数规律下降，四个二极管仍,然截止。,(c)当uo（uc） b点时，|u2|=|uo|, u2 过了b点VD2、VD4导,通 C再次充电uo=|u2|,(d)当u2达到峰值后VD2、VD4截止 C向RL充放电, 电容如此反复充,放电，输出波形如图9.12所示。,第9章 直流稳压电源,(3)、由于二极管截止期间C向RL放电缓慢，使 Uo（av）的脉动减少，波,形平滑了许多，Uo（av）提高，当R,L,=，为了取得良好的滤波效果，,一般取，T为交流电源的周期,此时：Uo（av）1.2U,2,(4)、二极管的导通角小于，所以C充电的瞬间电流放大，为了保护二,极管，常在滤波电容前串接一个小的电阻。工程上选择二极管的条件：,I,FM,=（23）Io（av）。,电容滤波电路简单，输出电压平均值Uo较高，脉动较小，但是二极管中,有较大的冲击电流。因此，电容滤波电路一般适用于输出电压较高、负,载电流较小并且变化也较小的场合。,其他滤波电路,1、RC型滤波电路,图9.13所示是RC型滤波器。 图中C1电容两端电压中的直流分量， 有很小一,部分降落在R上，其余部分加到了负载电阻RL上；而电压中的交流脉动，大部分,被滤波电容C2衰减掉，只有很小的一部分加到负载电阻RL上。 此种电路的滤波,效果虽好一些， 但电阻上要消耗功率， 所以只适用于负载电流较小的场合。,第9章 直流稳压电源,2、LC型滤波器,图9.14所示是LC型滤波电路。可见只是将RC型滤波器中的R用电感L做了替,换。由于电感具有阻交流通直流的作用，因此在增加了电感滤波的基础上，此种,电路的滤波效果更好，而且L上无直流功率损耗，所以一般用在负载电流较大和,电源频率较高的场合。缺点是电感的体积大，使电路看起来笨重。,3、电感滤波电路,图9.15所示电路是电感滤波电路，它主要适用于负载功率较大即负载电流很大,的情况。电感滤波电路输出电压平均值U,o,的大小一般按经验公式计算：U,o,=0.9U,2,第9章 直流稳压电源,第9章 直流稳压电源,4、LC型滤波电路,图9.16所示电路为LC型滤波电路,多用于较大功率电源中(而且当电流很大时,仅用一电感器与负载相连)。,第9章 直流稳压电源,9.3稳压电路,当电路中起稳压调整作用的晶体管或集成块中的电压（或电流）为连续变化时，,此电路称为线性稳压电路。,稳压电源类型:,(1)稳压管稳压电路,这种电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电,压，不作为电源使用。,(2)线性稳压电路,这是本节讨论的重点。,(3)开关型稳压电路，这种效率较高，目前用的也比较多。,稳压电路的作用：,整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还有相当的距离，主要存在,两方面的问题：,(1)当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压,将随之发生变化；,(2)当电网电压波动时,因整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有,关，因此也要相应地变化。,在整流滤波电路的后面再加上稳压电路，以提供更加稳定的直流电源。,下面对这几种稳压电路作以简单介绍。,第9章 直流稳压电源,稳压管稳压电路,这种稳压电路的稳压原理主要是利用稳压管的反向击穿特性。在反向击穿区，较,大的电流变化I,只会引起较小的电压变化U；根据伏安特性，若工作电流太,小，例如在零电流附近，则电压随电流的变化很大，即稳压性能不好；工作电流,太大，则由可能超过管子的额定功耗，造成损坏。故稳压管应工作在规定的电流,范围内。,1、硅稳压管稳压电路及稳压过程:,U,I,为整流滤波后所得的直流电压。为保证工作在反向击穿区，二极管V,DZ,反接。,电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时，调节R本身压降来保持输出电压,基本不变。稳压过程如下:(电网电压波动时）稳压电路电路原理如图9.17所示。,第9章 直流稳压电源,图,9.17,稳压电路电路原理,第9章 直流稳压电源,2、内阻和稳压系数的估算：,(1)内阻R,O,：直流输入电压U,I,不变时，输出端的U与I之比。其交流等效电,路如图9.18所示.,由于一般情况下能够满足 故上式可化简为,由此可知， 则稳压电路的内阻 也越小，当负载变化时，稳压电路的稳压性,能越好。,(2)稳压系数,不变时，稳压电路的输出电压与输入电压的相对变化量之比。,第9章 直流稳压电源,其交流等效电路如图9.19所示。 越小, 越大,则 越小,稳压电路的稳压,性能越好。,图9.19交流等效电路,(3)限流电阻的选择：,限流电阻R的阻值必须选择适当，才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时，,很好地实现稳压作用，见图9.20所示。,(a)R太大,则I,R,很小, 当I,R,增大时,稳压管的电流可能减小到临界值以下，失去稳,压作用。所以，当电网电压最高和负载电流最小时, 的值最大,此时不应超过,允许的最大值,即,第9章 直流稳压电源,(b) R太小,则 I,R,很大,当R,L,很大或开路时, I,R,都流向稳压管,可能超过其允许定,额而造成损坏。所以，当电网电压最低和负载电流最大时, 的值最小。即：,图,9.20,第9章 直流稳压电源,例9.1：在如图所示的硅稳压管稳压电路中,设稳压管的,给定当 由 变到 时, 的变化量为0.35V。,试选择限流电阻R；,估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。,解:由给定条件知,第9章 直流稳压电源,可取 电阻上消耗的功率可选200,1W的碳膜电阻(RT-1W-200)。,再由给定条件可求得,则输出电阻为： 估算稳压系数时,取,当输出电压不需要调节,负载电流比较小的情况下,硅稳压管稳压电路的效果较好,所以在小型的电子设备中经常采用这种电路。,缺点：(1)输出电压由稳压管的型号决定,不可随意调节;(2)电网电压和负载电流,的变化范围较大时,电路将不能适应。,为了改进以上缺点,可以采用线性稳压电路，在线性稳压电路中我们以串联型直,流稳压电路为例为大家做详细的说明。,第9章 直流稳压电源,串联型直流稳压电路性能指标,一般用技术指标衡量串联型稳压电路的性能。技术指标分为两种：一种是特性指,标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是,质量指标，用来衡量输出直流稳压程度，包括稳压系数、电压调整率、电流调整率、,输出电阻、温度系数及波纹电压等。这些质量指标的含义如下：,稳压电路的质量指标,由于输出直流电压随输入直流电压（即整流滤波电路的输出电压，其数值可近,似认为与交流电源电压成正比）、输出电流和环境温度的变动而变动，即输出电,压，因而输出电压变化量的一般式可表示为：,系数KU是输入调整因数，反映了输入电压波动对输出电压的影响，实用上常用输,入电压变化时引起输出电压的相对变化来表示，称为电压调整率， 即:,有时也以输出电压和输入电压的相对变化之比来表征稳压性能，称为稳压系数，其,定义可写为,第9章 直流稳压电源,稳压电源的内阻ro反映负载电流 变化对 的影响:,有时也用电流调整率 表示:它反映了直流稳压电源克服负载变化影响的能力。,当输入电压和负载电流均不变时，输出电压的变化量与环境温度变化量之比,反映了,直流稳压电源克服温度影响的能力:,纹波抑制比为输入纹波电压峰值 U,IP,与输出纹波电压峰值U,OP,之比。反映输入电压U,I,中含100 Hz 交流分量峰值或纹波电压有效值经稳压后的减小程度。稳压系数较小,稳压电路，它的输出纹波电压一般也较小,第9章 直流稳压电源,串联反馈式稳压电路,(1)组成和工作原理,串联型稳压电路组成框图如图9.21(a)所示，包括四个组成部分：基准电压；比,较放大；输出电压取样电路；调整元件。9.21(b)所示为串联反馈式稳压电路的原,理电路图。,9.21,串联型稳压电路,第9章 直流稳压电源,基准电压：,基准电压由稳压管V,DZ,提供,接到放大电路的同相输入端。采样电压与,基准电压进行比较后,再将二者的差值进行放大。电阻R的作用是保证V,DZ,有一个,合适的工作电流。,比较放大电路A：,它的作用时将稳压电路输出电压的变化量进行放大,然后再送到,调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大,则只要输出电压产生一点微小,的变化,即能引起调整管的基极电压发生较大的变化。,输出取样电路：由电阻R1、R2、R3组成。当输出电压发生变化时,采样电阻取其,变化量的一部分送到放大电路的反相输入端。,调整元件：,当输出电压Uo由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时,其变,化量经采样、比较、放大后送到调整管的基极,使调整管的集射电压发生相应,的变化。最终调整输出电压使之基本保持稳定。,VT为调整管:,它工作在线性放大区，故又称为线性稳压电路。R3和稳压管VD组成,基准电压源，为集成运放A的同相输入端提供基准电压；R1、R2和Rp组成取样电,路，它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放A的反相输入端；集成运放A构,成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。从反馈放大器角,度看，该电路属电压串联负反馈电路。,第9章 直流稳压电源,稳压过程：,输出电压可以通过改变采样电阻中电位器的滑动端位置在一定范围内调节。即：,反之,若R2滑动端向下移动,则Uo增大。,假设放大电路A是理想运放,且工作在线性区,则U+=U-=UZ=UF,而且两个输入端不,取电流,则 或,当R2的滑动端调至最上端时,Uo达到最小值,此时,当R2的滑动端调至最下端时,Uo达到最大值,此时,第9章 直流稳压电源,例9.2:设如图9.22所示串联型直流稳压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为,U,Z,7V，采样电阻R,1,=3K，R,2,=2K, R,3,=3K,试估算输出电压的调节范围。,解：,因此,稳压电路输出电压的调节范围是(11.218.7V),图,9.22,串联型直流稳压电路,第9章 直流稳压电源,调整管的选择,调整管不仅需要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳,压，还要提供负载所要求的全部电流，因此调整管的功耗比较大，通常采样大功率,的三极管。为了保证调整管的安全，在选择三极管的型号时，应对三极管的主要参,数进行初步的估算。,a.集电极最大允许电流I,CM,假设流过采样电阻的电流为I,R,，则,b.集电极和发射极之间的最大允许反向击穿电压U,(BR)CEO,正常工作时调整管上的压降约为几伏。负载短路时U,I,全部加在调整管两端。在电容,滤波电路中，U,I,可能接近于变压器副边电压峰值 再考虑电网可能有,的波动,因此，根据调整管可能承受的最大反向电压，应选择三极管的参数为,是空载时整流滤波电路的最大输出电压。,c.集电极最大允许耗散功率P,CM,调整管的功耗为,故， 为保证调整管工作在放大状态，U,CE,通常为(38)V。,故, 若为桥式整流、电容滤波电路,并考虑到电网电压可能有,第9章 直流稳压电源,的波动，要求变压器副边电压为：,(4)稳压电路的过载保护,使用稳压电路时,如果输出端过载甚至短路，将使通过调整管的电流急剧增大,故,在实用的稳压电路中通常加有必要的保护电路,以免调整管造成损坏。,b.温度保护型：利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。当温,度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。,限流型保护电路如图9.23所示。,图,9.23,第9章 直流稳压电源,当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为,零。截流特性如图9.24所示。,截流型保护电路如图9.25所示。,它是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流,特性如图9.26所示。,图,9.26,第9章 直流稳压电源,9.4 集成三端稳压器,三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能,稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端式稳压器有两种，一种输,出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称,为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型,稳压电路。,三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电,源)。,图9.27所示为CW7800和CW7900系列塑料封装和金属封装三端集成稳压器的外,形及管脚排列。,图,9.27,第9章 直流稳压电源,1、基本应用电路,图9.28所示为7800系列集成稳压器的基本应用电路。由于输出电压决定于集成,稳压器，所以图9.28输出电压为12,V,，最大输出电流为1.5,A,。,2、提高输出电压的电路,提高输出电压的电路如图9.29所示。实际需要的直流稳压电源，如果超过集成,稳压器的输出电压数值时，可外接一些元件提高输出电压，图9.29所示电路能,使输出电压高于固定电压，图中的UXX为CW78系列稳压器的固定输出电压数值，,显然有：U,O,=U,XX,+U,Z,；,图,9.28,第9章 直流稳压电源,也可采用图,9.30,所示的电路提高输出电压。图中,R,1,、,R,2,为外接电阻，,R,1,两端的电压为三端集成稳压器的额定输出电压,U,XX,，,R,1,上流过的电流为,I,R1,=,U,XX,R,1,，三端集成稳压器的静态电流为,I,Q,，则有：,I,R2,=I,R1,+I,Q,；,图,9.29,图,9.30,第9章 直流稳压电源,3、输出正、负电压的电路,图9.31所示为采用CW7815和CW7915三端稳压器各一块组成的具有同时输,出+15V-15V电压的稳压电路。,恒流源电路,集成稳压器输出端串入阻值合适的电阻，就可构成输出恒定电流的电源，如图,9.32所示。,图,9.31,图,9.32,精品课件,！,精品课件,！,第9章 直流稳压电源,I,Q,为稳压器静态工作电流，由于它受U,I,及温度变化的影响，所以只有U,23,/RI,Q,时，输出电流I,Q,才比较稳定。,