電工學(xué)-第8章直流穩(wěn)壓電源.ppt

1,第8章直流穩(wěn)壓電源,8.3直流穩(wěn)壓電源的組成,8.5濾波電路,8.6穩(wěn)壓電路,8.4整流電路,8.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識,8.2半導(dǎo)體二極管,下一章,上一章,返回主頁,2,8.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識,導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。,物質(zhì)按導(dǎo)電能力劃分：,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能：,價電子參與導(dǎo)電、摻雜增強導(dǎo)電能力、熱敏特性、光敏特性。,一、本征半導(dǎo)體1.什么是本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,硅的二維晶格結(jié)構(gòu)圖,正離子芯,硅晶體的空間排列,硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型,價電子,本征半導(dǎo)體純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。,由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對,本征激發(fā)溫度300K下，被束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子在晶體內(nèi)運動。,空穴當電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，共價鍵中留下的空位。,空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點。,電子空穴對在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。,空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的?？昭ǖ囊苿臃较蚝碗娮拥囊苿臃较蚴窍喾吹?。如圖所示，若1處存在一個電子的空位，則電子由321，而空穴由123。,自由電子和空穴的濃度本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴濃度總是相等的。即：ni=pi,6,2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,在絕對零度時，不導(dǎo)電。溫度（或光照）價電子獲得能量：本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對。自由電子和空穴均參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子(運載電荷的粒子)。載流子的產(chǎn)生：在熱能激勵下，晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)被打破，以一定的速率成對地產(chǎn)生自由電子和空穴。溫度載流子的濃度導(dǎo)電能力。自由電子釋放能量跳回共價鍵復(fù)合。本征半導(dǎo)體載流子濃度較低，導(dǎo)電能力較弱。,大連理工大學(xué)電氣工程系,7,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。,(1)摻入五價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度。自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體。(2)摻入三價的雜質(zhì)元素自由電子的濃度空穴的濃度。空穴為多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。,(1).N型半導(dǎo)體,因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,(2).P型半導(dǎo)體,因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。,在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。,10,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,大連理工大學(xué)電氣工程系,11,三、PN結(jié),1.PN結(jié)的形成,擴散運動,擴散運動：多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運動。,大連理工大學(xué)電氣工程系,12,內(nèi)電場,PN結(jié),多數(shù)載流子的擴散運動繼續(xù)進行，使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強。內(nèi)電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。內(nèi)電場越強，少數(shù)載流子的運動越易于進行。,大連理工大學(xué)電氣工程系,13,漂移運動：少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運動。漂移運動使PN結(jié)變薄，內(nèi)電場削弱。內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴散運動，而不利于少數(shù)載流子的漂移運動。,漂移運動,大連理工大學(xué)電氣工程系,14,多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運動達到動態(tài)平衡平衡的PN結(jié)。,內(nèi)電場,15,2.PN結(jié)的特性,正向偏置外電場與內(nèi)電場方向相反；擴散運動強于漂移運動，擴散電流起主要作用(2)反向偏置外電場與內(nèi)電場方向相同；漂移運動強于擴散運動，漂移電流起主要作用,正向?qū)?反向截止,I0,主要特性：單向?qū)щ娦浴?大連理工大學(xué)電氣工程系,16,8.2半導(dǎo)體二極管,一、普通二極管,(1)按結(jié)構(gòu)分類點接觸型、面接觸型。(2)按材料分類硅管、鍺管。(3)按用途不同分類普通管、整流管、開關(guān)管等。,1.基本結(jié)構(gòu),在一個PN結(jié)兩側(cè)加上電極引線做成,大連理工大學(xué)電氣工程系,17,二、伏安特性,反向特性,正向特性,死區(qū),死區(qū)電壓Uth：硅管0.5V鍺管0.1V,導(dǎo)通壓降UD：硅管0.60.7V鍺管0.20.3V,(1)實際特性,鍺管硅管,大連理工大學(xué)電氣工程系,18,UD,(2)近似特性,(3)理想特性,3.主要參數(shù)(1)額定正向平均電流（最大整流電流）IF(2)正向壓降UF(3)最高反向工作電壓UR一般規(guī)定為反向擊穿電壓的1/2或1/3。(4)最大反向電流IRm,大連理工大學(xué)電氣工程系,19,*二、光電二極管（光敏二極管）,作用：將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。反向電流隨光照強度的增加而上升。,光電二極管電路,發(fā)光二極管電路,*三、發(fā)光二極管,作用：將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。發(fā)光的顏色取決于制造材料。,大連理工大學(xué)電氣工程系,20,*四、光電耦合器（光電隔離器）,作用：電氣隔離；抗干擾；系統(tǒng)保護。,大連理工大學(xué)電氣工程系,21,利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪崿F(xiàn)整流、限幅、箝位、隔離、檢波等作用。,1.整流：將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的過程稱為整流。,當u2為正半周時，a點電位高，b點電位低，二極管導(dǎo)通，負載電壓uo=u2；,當u2為負半周時，a點電位低，b點電位高，二極管截止，負載電壓uo=0；,半波整流電路,22,2.限幅：將輸出電壓的幅值限制在某一數(shù)值。,在圖示電路中，設(shè)ui=2sinwtV，D1和D2都為鍺管，其正向電壓降UD=0.3V,試分析輸出電壓的波形。,在ui的正半周期內(nèi)，D2截止，當Ui0.3V時，D1導(dǎo)通，uo=uD=0.3V;,在ui的負半周期內(nèi)，D1截止，當ui-0.3V時，D2截止，uo=ui;當ui-0.3V時，D2導(dǎo)通，uo=-0.3V。,該電路將輸出電壓限制在0.3V范圍內(nèi)，所以D1、D2在這個電路中起限幅作用。,23,大連理工大學(xué)電氣工程系,24,8.3直流穩(wěn)壓電源的組成,大小不合適的交流,大小合適的交流,脈動直流,不穩(wěn)定的直流,穩(wěn)定直流,大連理工大學(xué)電氣工程系,25,電源變壓器,將市電變換為整流所需的交流電壓,整流電路,將交流電變換為方向不變的直流電,濾波電路,將脈動直流電變換為平滑的直流電壓,穩(wěn)壓電路,將不穩(wěn)定的直流電壓變換為穩(wěn)定直流電壓,大連理工大學(xué)電氣工程系,26,8.4整流電路,u2正半周，D1和D3導(dǎo)通，uO=u2；電流通路：aD1RLD3b。u2負半周，D2和D4導(dǎo)通，uO=u2；電流通路：bD2RLD4a。,大連理工大學(xué)電氣工程系,27,uO,iO,大連理工大學(xué)電氣工程系,28,1.負載直流電壓,UO=0.9U2,2.負載直流電流,3.二極管平均電流,4.二極管反向電壓,5.整流元件的選擇,IFID,URURm,大連理工大學(xué)電氣工程系,29,例8.4.1一橋式整流電路，已知負載電阻RL=240，負載所需直流電壓=12V，電源變壓器一次電壓U1=220V。試求該電路正常工作時的負載電流、二極管平均電流ID和變壓器的電壓比k。,解負載直流電流,二極管平均電流,變壓器的二次電壓,變壓器的電壓比,大連理工大學(xué)電氣工程系,30,8.5濾波電路,一、電容濾波電路,電容放電,當二極管導(dǎo)通時，電容被充電儲能。當二極管截止時，電容放電。濾波電容的選擇：,大連理工大學(xué)電氣工程系,31,輸出電壓的平均值:UO=1.2U2（全波）空載輸出直流電壓:,濾波電容的耐壓：,大連理工大學(xué)電氣工程系,32,例8.5.1一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=100，輸出直流電壓UO=30V。試求：(1)選擇整流二極管；(2)選擇濾波電容器；(3)負載電阻斷路時的輸出電壓UO；(4)電容斷路時的輸出電壓UO。,解(1)選擇整流二極管,IO=,大連理工大學(xué)電氣工程系,33,查附錄，選用2CZ53B4個（IF=300mA，UR=50V）。,(2)選擇濾波電容器,C,=,=(300500)F,F,UCN,=35.4V,(3)負載電阻斷路時,(4)電容斷路時,UO=0.9U2=0.925V=22.5V,IF2ID=20.15A=0.3A，URURm=34.5V,大連理工大學(xué)電氣工程系,34,二、電感濾波電路,對直流分量:XL=0，大部分整流電壓降在RL上。對諧波分量:f越高，XL越大，電壓大部分降在XL上。,大連理工大學(xué)電氣工程系,35,三、復(fù)式濾波電路,1.LC形濾波電路,2.RC形濾波電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,36,一、穩(wěn)壓二極管又稱為齊納二極管。為面結(jié)型硅二極管。,反向特性,正向特性,特點：反向擊穿電壓?。环聪驌舸┨匦远?。,擊穿電壓,8.6穩(wěn)壓電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,37,解(1)Ui10V時DZ反向擊穿穩(wěn)壓：UO=UZ=5V。(2)Ui=3V時DZ反向截止：UO=Ui=3V。(3)Ui=5V時DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。(4)ui=10sintV時當0ui5V時，DZ反向截止：UO=Ui=10sintV。當ui5V時，DZ反向擊穿穩(wěn)壓：,例8.6.1如圖所示電路，設(shè)UZ=5V，正向壓降忽略不計。當直流輸入Ui=10V、3V、5V時，Uo=？當輸入為交流ui=10sintV時，分析uO的波形。,UO=UZ=5V。當ui0V時，DZ正向?qū)ǎ篣O=0V。,大連理工大學(xué)電氣工程系,38,二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓過程：,UOIZIIR,UO,大連理工大學(xué)電氣工程系,39,三、集成穩(wěn)壓電路,分為線性集成穩(wěn)壓電路和開關(guān)集成穩(wěn)壓電路。,1.三端固定式集成穩(wěn)壓器,CW7800系列正電壓穩(wěn)壓器。CW7900系列負電壓穩(wěn)壓器。,輸出電壓規(guī)格：5V,6V,8V,9V,12V,15V,大連理工大學(xué)電氣工程系,40,CW7