二极管及其整流电路

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,4.2,整流、滤波与稳压电路,4.1,二极管,第,4,章 二极管及其整流电路,本章要求：,一、理解,PN,结的单向导电性，了解二极管、稳压,管的基本构造、工作原理和特性曲线，,理解主要参数的意义；,二、会分析含有二极管的电路；,三、理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参,数计算,;,四、了解稳压管稳压电路的工作原理,;,第,4,章 二极管及其整流电路,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。,器件是非线性的、特性有分散性、,RC,的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,1.,半导体的导电特性：,掺杂性,：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电,能力明显改变,(,可做成各种不同用途的半导,体器件，如二极管、三极管和晶闸管,等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(,可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等,),。,(,可做成温度敏感元件，如热敏电阻,),。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,4.1.1,半导体的基本知识,4.1,二极管,2.,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,Si,Si,Si,Si,价电子,Si,Si,Si,Si,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1),本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(2),温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,3. N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或,N,型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,3. N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或,P,型半导体。,掺入三价元素,Si,Si,Si,Si,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.,在杂质半导体中少子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,3.,当温度升高时，少子的数量,（,a.,减少、,b.,不变、,c.,增多）。,a,b,c,4.,在外加电压的作用下，,P,型半导体中的电流,主要是,，,N,型半导体中的电流主要是 。,（,a.,电子电流、,b.,空穴电流）,b,a,4.,PN,结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称,PN,结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,形成空间电荷区,5.,PN,结的单向导电性,(1) PN,结加正向电压,（正向偏置）,PN,结变窄,P,接正、,N,接负,外电场,I,F,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN,结加正向电压时，,PN,结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,+,(2) PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P,接负、,N,接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,+,PN,结变宽,(2) PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,I,R,P,接负、,N,接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,+,PN,结加反向电压时，,PN,结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，,PN,结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,4.1.2,二极管及其简单应用,(a),点接触型,(b),面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c),平面型,用于集成电路制作工艺中。,PN,结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,1.,二极管的结构特点,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,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,图,1 12,半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,2.,二极管的伏安特性,硅管,0.5V,锗管,0,.1V,。,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅,0,.60.8V,锗0,.2,0.3V,U,I,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,3.,主要参数,(1),最大整流电流,I,DM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,(2),反向工作峰值电压,U,RM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压,U,BR,的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,(3),反向峰值电流,I,RM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，,I,RM,受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,，,锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,(4),最高工作频率,M,二极管的单向导电作用开始明显退化的交流信号频率。,二极管,的单向导电性,1.,二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.,二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.,二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,4.,二极管的简单应用,定性分析：,判断二极管的工作状态,导通截止,否则，正向管压降,硅,0,.60.7V,锗0,.2,0.3V,分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位,的高低或所加电压,U,D,的正负。,若,U,阳,U,阴,或,U,D,为正,(,正向偏置,),，二极管导通,若,U,阳,U,阴,二极管导通,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=,6V,否则，,U,AB,低于,6V,一个管压降，为,6.3,或,6.7V,例,1,：,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起“钳位”作用，即,U,AB,两端的电压被钳制在,6V,左右。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,两个二极管的阴极接在一起,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,U,1,阳,=,6 V,，,U,2,阳,=0 V,，,U,1,阴,=,U,2,阴,=,12 V,U,D1,= 6V,，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,= 0 V,例,2:,D,1,承受反向电压为,6 V,流过,D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,u,i, 8V,，二极管导通，可看作短路,u,o,= 8V,u,i,U,b,，,二极管,D,1,、,D,3,导通，,D,2,、,D,4,截止 。,(3),工作波形,u,D2,u,D4,(1),电路结构,u,o,u,D,t,t,R,L,u,i,o,u,o,1,2,3,4,a,b,+,+,动画,u,u,负,半周，,U,b,U,a,，,二极管,D,2,、,D,4,导通，,D,1,、,D,3,截止 。,u,o,u,D,t,t,u,（,2,） 工作原理,R,L,u,i,o,u,o,1,2,3,4,a,b,+,+,u,D1,u,D3,(3),工作波形,2.,主要技术指标,(a),整流电压平均值,U,o,(b),整流电流平均值,I,o,(c),流过每管电流平均值,I,D,(d),每管承受的最高反向电压,U,DRM,(e),脉动系数,S,整流输出电压波形中包含有若干偶次谐波分量，称为纹波。最低次谐波幅值与输出电压平均值之比定义为脉动系数。,注意：,如果,D,2,或,D,4,接反,则正半周时，二极管,D,1,、,D,4,或,D,2,、,D,3,导通，电流经,D,1,、,D,4,或,D,2,、,D,3,而造成电源短路，电流很大，因此变压器及,D,1,、,D,4,或,D,2,、,D,3,将被烧坏。,如果,D,2,或,D,4,因击穿烧坏而短路,则正半周时，情况与,D,2,或,D,4,接反类似，电源及,D,1,或,D,3,也将因电流过大而烧坏。,u,o,+,_,u,+,_,R,L,D,2,D,4,D,1,D,3,4.2.2,滤波电路,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。,滤波原理：,滤波电路利用储能元件电容两端的电压,(,或通过电感中的电流,),不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,方法：,将电容与负载,R,L,并联,(,或将电感与负载,R,L,串联,),。,t,u,o,o,u,o,I,o,Tr,u,2,a,b,D,3,D,2,D,4,D,1,u,1,R,L,C,+,u,u,C,时，二极管导通，,电源在给负载,R,L,供电的同时也给电容充电，,u,C,增加，,u,o,=,u,C,。,u,u,C,时，二极管截止，电容通过负载,R,L,放电，,u,C,按指数规律下降，,u,o,=,u,C,。,二极管承受的最高反向电压为 。,充电,放电,1,电容滤波器,(1),电路结构,(2),工作原理,(3),工作波形,(4),电容滤波电路的特点,(,T,电源电压的周期,),(a),输出电压的脉动程度和平均值,U,o,与放电时间,常数,R,L,C,有关。,R,L,C,越大,电容器放电越慢,输出电压的平均值,U,o,越大，波形越平滑。,近似估算取：,U,o,= 1. 2,U,(,桥式、全波）,U,o,= 1. 0,U,（,半波）,当负载,R,L,开路时，,U,O,为了得到比较平直的输出电压,(b),外特性曲线,有电容,滤波,1.4,U,2,无电容滤波,0,.9,U,2,U,o,o,I,O,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。,因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(c),流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取：,I,OM,=2,I,D,R,L,C,越大,O,越高，,I,O,越大,整流二极管导通时间越短,i,D,的峰值电流越大。,i,D,t,u,o,t,O,O,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率,f,=50Hz,，负载电阻,R,L,= 200,，要求直流输出电压,U,o,=30V,，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解：,1.,选择整流二极管,可选用二极管,2CP11,I,OM,=100mA,U,DRM,=50V,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率,f,=50Hz,，负载电阻,R,L,= 200,，要求直流输出电压,U,o,=30V,，选择整流二极管及滤波电容器。,取,R,L,C,= 5,T/2,已知,R,L,= 50,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解：,2.,选择滤波电容器,可选用,C,=250,F,，耐压为,50V,的极性电容器,2.,电感电容滤波器,(1),电路结构,L,u,R,L,u,o,+,+,+,C,(2),滤波原理,对直流分量,:,X,L,=0,，,L,相当于短路,电压大部分降在,R,L,上。对谐波分量,:,f,越高,X,L,越大,电压大部分降在,L,上。,因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC,滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,3.,形,滤波器,(1) ,形,LC,滤波器,滤波效果比,LC,滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比, 形,LC,滤波器的体积小、成本低。,L,u,R,L,u,o,+,+,+,C,2,+,C,1,(2) ,形,RC,滤波器,R,u,R,L,u,o,+,+,+,C,2,+,C,1,R,愈大，,C,2,愈大，,滤波效果愈好。但,R,大将使直流压降增加，,主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。,稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。,稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,4.2.3.,稳压管稳压电路,2.,工作原理,U,O,= U,Z,I,R,= I,O,+ I,Z,U,I,U,Z,R,L,(,I,O,),I,R,设,U,I,一定，负载,R,L,变化,U,O,基本不变,I,R,(,I,R,R,),基本不变,U,O,(,U,Z,) ,I,Z,+,U,I,R,L,+,C,I,O,U,O,+,+,u,I,R,R,D,Z,I,z,限流调压,稳压电路,1.,电路,2.,工作原理,U,O,= U,Z,I,R,= I,O,+ I,Z,U,I,U,Z,设负载,R,L,一定，,U,I,变化,U,O,基本不变,I,R,R,I,Z,I,R,1.,电路,+,U,I,R,L,+,C,I,O,U,O,+,+,u,I,R,R,D,Z,I,z,U,I,U,Z,3.,参数的选择,(1),U,Z,=,U,O,(2),I,ZM,=,(1.5 3),I,OM,(3),U,I,= (2 3),U,O,(4),为保证稳压,管安全工作,为保证稳压,管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,例,1.,有一稳压管稳压电路，见前图。负载电阻,R,L,由开路变到,3k,，交流电压经整流滤波后得出,U,I,=45V,。今要求输出直流电压,U,0,=15V,，试选择稳压管,D,Z,。,解： 由,U,0,=15V,，可得,U,Z,=15V,。,查半导体器件手册，选择稳压管,2CW20,，其稳定电压,U,Z,=(13.517)V,，稳定电流,I,Z,=5mA I,Zmax,=15mA,。,U,I,R,L,I,O,U,O,+,I,R,R,D,Z,I,z,+,例,2.,下图所示，已知,U=12V,，,I,Zmax,=18mA,，,I,Z,=5mA,，负载电阻,R,L,=2k,，当输入电压由正常值发生,20%,的波动时，要求负载两端电压基本不变，试确定输入电压,U,I,的正常值和限流电阻,R,的数值。,解：,当输入电压波动时，必然引起稳压管上的电压变化，只要在,I,zmax,I,Z,范围内变动，即认为,U,Z,即,U,O,基本不变。,U,I,R,L,I,O,U,O,+,I,R,R,D,Z,I,z,+,