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文檔簡介
1、電工電子學(xué),第 六 章 整流、濾波及穩(wěn)壓電路,主講教師:龔軍 EAIL:,第六章 整流、濾波及穩(wěn)壓電路,本章內(nèi)容,1. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3. 穩(wěn)壓二極管管的穩(wěn)壓原理,本章重點(diǎn),2. 二極管的伏安特性,4. 二極管的整流、濾波電路工作原理,單相橋式整流電路,u2的正半周 AD1RLD3B,uO= u2,u2的負(fù)半周 B D2RLD4 A,uO= -u2,四只管子如何接,集成的橋式整流電路稱為整流堆,1)工作原理,若接反了呢,1、工作原理,電容濾波電路,u2 正半周,D1、D3導(dǎo)通,電源在給負(fù)載RL供電的同時也給電容充電, uC 增加,uo= uC 。(oa段,uo,t,O,a,ucu2 ,D
2、1、D3截止,電容C通過RL放電, uo= uC 。(ab段,b,注:放電的快慢取決于=RLC,愈大,放電愈慢,輸出電壓愈平緩,u2 負(fù)半周, u2uc D2、D4導(dǎo)通,電源又給電容充電, uC 增加,uo= uC 。(bc段,c,u,Uo,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,R,C,Ui,DZ,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū),由于兩端電壓不變,與負(fù)載并聯(lián) 起到穩(wěn)定負(fù)載電壓作用,限制電流,實(shí)驗內(nèi)容,實(shí)驗電路圖,10uF,220V,17V,C2,D2,D1,D3,D4,C1,470uF,7805,RL,穩(wěn)壓,將7805接入電路,觀察記錄輸出波形并記錄在表,6-1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,知識準(zhǔn)備,物質(zhì)按導(dǎo)電性能劃
3、分:導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體,導(dǎo)體:一般是低價元素,如銅、鐵、鋁等金屬,在外電場的作用下自由電子定向流動形成了電流,導(dǎo)體具有較好的導(dǎo)電性,絕緣體:一般為高價元素,如橡膠、塑料、惰性氣體,絕緣體導(dǎo)電性差,物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于:原子結(jié)構(gòu),最外層電子數(shù)目越 少,導(dǎo)電性就越強(qiáng),6-1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,6-1-1 本征半導(dǎo)體,1、半導(dǎo)體導(dǎo)電特性 半導(dǎo)體:導(dǎo)電性 介于導(dǎo)體和絕緣體之間。典型半導(dǎo)體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等,可做成溫度敏感元件,如熱敏電阻,摻雜性:往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),導(dǎo)電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo) 體器件,如二極管、三極管和晶閘管等,光敏性:當(dāng)受到光照時,
4、導(dǎo)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,熱敏性:當(dāng)環(huán)境溫度升高時,導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng),通過一定的工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體,2 本征半導(dǎo)體,完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,稱為本征半導(dǎo)體,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu),共價健,共價鍵中的兩個電子,稱為價電子,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(fù)電),同時共價鍵中留下一個空位,稱為空穴(帶正電,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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,自由電子和空穴成對出現(xiàn),自由電子,在外電場的作用下,
5、空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ),而在該原子中出現(xiàn)一個空穴,其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(相當(dāng)于正電荷的移動)稱為復(fù)合運(yùn)動,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時,在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運(yùn)動 電子電流 (2)價電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流,注意: (1) 常溫下本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差; (2) 溫度愈高, 載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以,溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。 (3)相同條件下,本征半導(dǎo)體較一般半導(dǎo)體導(dǎo)電性弱很多,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(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)
6、平衡,半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目,6-1-2 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體(摻雜半導(dǎo)體,摻雜后自由電子數(shù)目大量增加,自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)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?在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素),形成摻雜半導(dǎo)體。因摻的的雜質(zhì)不同分為:N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體,在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù)載流子。摻入P元素越多,導(dǎo)電性越強(qiáng),6-1-2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后空穴數(shù)目大量增加,空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體,摻入三價元素,在 P 型半導(dǎo)體中空穴是
7、多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子,硼原子,空穴,無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的,對外不顯電性,在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,經(jīng)過載流子的擴(kuò)散,在它們的交界面處就形成了PN結(jié),6-1-3 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?擴(kuò)散運(yùn)動:物質(zhì)總是從濃度高度地方向濃度低的地方運(yùn)動,稱為擴(kuò)散運(yùn)動,氣體,液體,固體,內(nèi)電場越強(qiáng),漂移運(yùn)動越強(qiáng),而漂移使空間電荷區(qū)變薄,擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬,PN結(jié)的形成原理,多子的擴(kuò)散運(yùn)動,少子的漂移運(yùn)動,濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,空間電荷區(qū)稱為 PN 結(jié),擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡,空間電荷區(qū)的厚度固定不變,形成空間電荷區(qū),注
8、:PN結(jié)的結(jié)電容很小,P接正、N接負(fù),IF,三)PN結(jié),2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1)PN結(jié)外加正向電壓,PN結(jié)正偏,IR,P接負(fù)、N接正,2)PN結(jié)外加反向電壓,PN結(jié)反偏,總結(jié),結(jié)單向?qū)щ娦?一)基本結(jié)構(gòu)和分類,6-2 半導(dǎo)體二極管,符號:P,_N,PN結(jié)加上管殼和引線,就成為半導(dǎo)體二極管,思考,1、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子分別是什么?它們的濃度與什么有關(guān),2、P型半導(dǎo)體是否帶正電?N型半導(dǎo)體是否帶負(fù)電,3、PN結(jié)如何形成?它為什么具有單向?qū)щ娦?二)伏安特性,二極管陽極與陰極之間的電壓與流過電流之間的關(guān)系曲線,通常使用二極管時應(yīng)保證其工作在正向?qū)ɑ蚍聪蚪刂範(fàn)顟B(tài),故
9、認(rèn)為二極管正偏則導(dǎo)通,反偏則截止單向?qū)щ娦?B,硅,正向:OA段(死區(qū)) 硅管約0.5V,鍺管約0.2V(死區(qū)電壓) 正向?qū)?:硅管約0.7V,鍺管約0.3V(導(dǎo)通電壓或稱管降) 理想狀態(tài)認(rèn)為管降為0V,反向:OB段(截止區(qū))I近似為0 擊穿區(qū) 管子被擊穿,UB反向擊穿電壓,o,三) 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UDRM,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UB的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至過熱而燒壞,3. 反向峰值電流IDRM,指二極管加最高反向工作電壓時
10、的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁DRM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,二極管在電子技術(shù)中有廣泛的用途,整流,四)二極管的應(yīng)用,利用其單向?qū)ㄌ匦裕梢詫?shí)現(xiàn)以下電路,限幅,實(shí)現(xiàn)邏輯電路,檢波,將交流電轉(zhuǎn)化成直流電,限制輸出信號的幅度,實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算(鉗位,將調(diào)波信號的語音信號取出來,保護(hù)電路或在數(shù)字電路中作開關(guān)元件,電路如圖,求:UAB,V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導(dǎo)通 若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB = 6V 若考慮管降, UAB低于6V一個管壓降,為6.3或6.7V,例1:二極管的
11、鉗位作用,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn),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,四)二極管的應(yīng)用,1、二極管電路分析:先判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,若 V陽 V陰或 UD為正,二極管導(dǎo)通 若 V陽 V陰或 UD為負(fù),二極管截止,若二極管是理想的,正向?qū)〞r管壓降為零,二極管相當(dāng)于導(dǎo)線; 反向截止時二極管相當(dāng)于開路,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(fù),總結(jié),兩個二極管的陰極接在一起 取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位,V1陽 =6 V,V2陽=0 V,V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V,UD2 =12V
12、 UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通, D1截止。 若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB = 0 V,例,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,例2:“與”邏輯,當(dāng)VA = 3V,VB = 0V時,分析輸出端的電位VY,理想二極管:VY = VB = 0V,UDB UDA DB 優(yōu)先導(dǎo)通, DA截止,鍺二極管:VY = VB + UD = 0.3V,硅二極管:VY = VB + UD = 0.7V,UDA UDB DA 優(yōu)先導(dǎo)通, DB截止,理想二極管:VY = VA = 3V,鍺二極管:VY = VA - UD = 2.7V,
13、硅二極管:VY = VA - UD = 2.3V,3V,均導(dǎo)通,DB導(dǎo)通,DA導(dǎo)通,均導(dǎo)通,當(dāng)輸入均為同3V時,輸出才為3V,當(dāng)輸入有一為0V時,輸出為0V,實(shí)現(xiàn)了“與”門邏輯,2、多個二極管連接,若 共陰極,陽級最高一個先導(dǎo)通 若 共陽級,陰級最低一個先導(dǎo)通,先導(dǎo)通的一個二極管起嵌位作用,總結(jié),ui 8V,二極管導(dǎo)通,可看作短路 uo = 8V ui 8V,二極管截止,可看作開路 uo = ui,已知: 二極管是理想的,試畫出 uo 波形,8V,例3限幅作用,參考點(diǎn),二極管陰極電位為 8 V,L,R,UL,例5二極管保護(hù)電路,US,S,D,1. 符號,UZ,IZmin,IZmax,UZ,IZ
14、,2. 伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,使用時要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后,電流變化很大,但其兩端電壓變化很小,利用此特性,穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用,6-3 穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓原理,RL,2、RL (Ui不變,RL,IR,IDZ,IL,Ui=UR+Uo,UZ=Uo,IR=IDZ+IL,Uo(UZ,3. 主要參數(shù),1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓,5) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù),3) 動態(tài)電阻,2) 穩(wěn)定電流 IZ ,IZmin IZ IZmax,4) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMax,rZ愈小,曲線愈陡,穩(wěn)壓性能
15、愈好,例 1 穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ = 5V,正向壓降忽略不計。當(dāng)輸入電壓Ui 分別為 直流10 V、3 V、-5V時,求輸出電壓UO;若 ui = 10sin tV,試畫出 uo 的波形,解,Ui = 10V,DZ 工作在反向擊穿區(qū),穩(wěn)壓,UO = UZ = 5V,Ui = 3V,DZ 反向截止,UO = Ui = 3V,Ui = -5V,DZ 工作在正向?qū)顟B(tài),UO = 0V,ui = 10sintV,ui正半周,當(dāng)ui UZ,DZ 反向擊穿,uO = 5V,當(dāng)ui UZ,DZ 反向截止,uO = ui,ui負(fù)半周,DZ 正向?qū)ǎ瑄O = 0V,5V,電路如下圖所示,設(shè)穩(wěn)壓二極管D
16、Z1和DZ2的穩(wěn)定工作電壓分別為 5V和10V,求電路的輸出電壓UO,判斷穩(wěn)壓二極管所處的工作狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管正向電壓為0.7V,上節(jié)復(fù)習(xí),R,Uo,25V,功能:把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適 的直流電壓,6-4 整流、濾波及穩(wěn)壓電路,小功率直流穩(wěn)壓電源的組成,整流電路的作用: 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓,常見的整流電路: 半波、全波、橋式和倍壓整流;單相和三相整流等,分析時可把二極管當(dāng)作理想元件處理: 二極管的正向?qū)娮铻榱?,反向電阻為無窮大,整流原理: 利用二極管的單向?qū)щ娦?6-4-1 整流電路,分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設(shè)二極管為理想二極管,u2 正半周,VaVb,D導(dǎo)
17、通,uo = u2,u2 負(fù)半周,Va Vb,D 截止,uo = 0,二極管起整流作用,6-4 整流、濾波及穩(wěn)壓電路,6-4-1-1 單相半波整流電路,整流電流的平均值,流過二極管的正向電流的平均值,IoIDM,選管條件之一,二極管UDRM,uD=u2-uo,u2 負(fù)半周,D 截止,承受反向電壓,為了使用安全,選擇二極管時,反向工作峰值電壓要比UDRM 大一倍左右,選管條件之二,如圖所示的單相半波整流電路,負(fù)載RL=500,變壓器副邊電壓有效值U2=10V,求UO、Io及UDRM并選用適合二極管,選管時應(yīng)滿足: IDM Io , URWM UDRM,查附錄二。可選擇2AP2(16mA,30V,
18、單相半波整流電路特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡單,輸出電壓低脈動大,變壓器使用效率低,用于小電流、脈動要求不嚴(yán)格的電路,6-4-1-2 單相橋式整流電路,u2的正半周 AD1RLD3B,uO= u2,u2的負(fù)半周 B D2RLD4 A,uO= -u2,四只管子如何接,集成的橋式整流電路稱為整流堆,1)工作原理,若接反了呢,二)數(shù)量關(guān)系,1、負(fù)載直流電壓平均值,2、負(fù)載直流電流平均值,3、變壓器副方電流有效值I2,根據(jù)輸出電壓數(shù)值來決定變壓器副邊電壓的有效值,副邊電壓和電流的有效值是選擇變壓器的重要依據(jù),4、流過每管的電流平均值ID,5、每管承受的最高反向電壓UDRM,同半波整流一樣,選管時應(yīng)滿足: IDM ID
19、 , URWM UDRM,例2:如圖所示的單相橋式整流電路,要求輸出直流電壓Uo為12V,電流Io為10mA,試選擇二極管并確定變壓器副邊電壓和電流的有效值,查附錄二。可選擇2CP11(100mA,50V,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(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。 方法:將電容與負(fù)載RL并聯(lián)或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián),6-4-2 濾波電路,1、工作原理,6-4-2-1 電容濾波電路,u2 正半周,D1、D3導(dǎo)通,電源在給負(fù)
20、載RL供電的同時也給電容充電, uC 增加,uo= uC 。(oa段,uo,t,O,a,ucu2 ,D1、D3截止,電容C通過RL放電, uo= uC 。(ab段,b,注:放電的快慢取決于=RLC,愈大,放電愈慢,輸出電壓愈平緩,u2 負(fù)半周, u2uc D2、D4導(dǎo)通,電源又給電容充電, uC 增加,uo= uC 。(bc段,c,2. 電容濾波電路的特點(diǎn),T 電源電壓的周期,1) 輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間 常數(shù)RLC有關(guān),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,近似估算取: Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波,當(dāng)負(fù)載RL 開路時,UO,為了得到比較平直的輸出電壓,2) 外特性曲線,有電容濾波,1.4U,結(jié)論,采用電容濾波時,輸出電壓受負(fù)載變化影響較大,即帶負(fù)載能力較差。 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載
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