二極管整流、濾波、穩(wěn)壓電路

1、第一部分 二極管及其整流電路復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1.導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 2.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 。由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)到平衡，載流合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。子的濃度就一定了。 3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 （1）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入少量的五價元摻入少量的五價元素素,如磷如磷,則形成則形成N型半導(dǎo)體。型

2、半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的P（磷）（磷）越多導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。越多導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。第一部分 二極管及其整流電路（2）P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入少量的三價摻入少量的三價元元 素素,如硼如硼,則形成則形成P 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體中空穴是多型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。子，電子是少子。 4.PN結(jié)的形成結(jié)的形成 用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成形成 P型半導(dǎo)體區(qū)型半導(dǎo)體區(qū)域和域和 N型半導(dǎo)體區(qū)域型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個在這兩個區(qū)域的交界

3、處就形成了一個PN 結(jié)。結(jié)。 PN結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴?正向偏置：正向偏置： P區(qū)加正、區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓區(qū)加負(fù)電壓 多子運(yùn)動增強(qiáng)，多子運(yùn)動增強(qiáng)，PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通 反向偏置：反向偏置： P區(qū)加負(fù)、區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓 少子運(yùn)動增強(qiáng)，少子運(yùn)動增強(qiáng)，PN結(jié)截止結(jié)截止第一部分 二極管及其整流電路5.半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管PN陽極陽極A陰極陰極K硅材料二極管硅材料二極管 死區(qū)電壓死區(qū)電壓0.5V ，導(dǎo)通電壓，導(dǎo)通電壓0.7V鍺材料二極管鍺材料二極管 死區(qū)電壓死區(qū)電壓0.2V，導(dǎo)通電壓，導(dǎo)通電壓0.3V第一部分 二極管及其整流電路反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反

4、向特性UIPN+PN+1.二極管的伏安特性二極管的伏安特性第一部分 二極管及其整流電路第一部分 二極管及其整流電路直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成 直流電源一般由交流電源、變壓器、整流、濾波和直流電源一般由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成。穩(wěn)壓電路幾部分組成。 變壓器變壓器將常規(guī)的交流電壓（將常規(guī)的交流電壓（220V220V、380V380V）變換成所需）變換成所需要的交流電壓；要的交流電壓； 整流電路整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電；將交流電壓變換成單方向脈動的直流電； 濾波電路濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的大部分再將單方向脈動的直流電中所含的大部分交流

5、成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電； 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路用來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載改變對用來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。3 3 整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路 第一部分 二極管及其整流電路濾波濾波整流整流穩(wěn)壓穩(wěn)壓變壓變壓交流交流電源電源負(fù)負(fù)載載OtuOtuOtuOtuOtu220 V單向單向脈動電壓脈動電壓合適的合適的交流電壓交流電壓濾濾 波波穩(wěn)穩(wěn) 壓壓組成組成框圖框圖第一部分 二極管及其整流電路整流電路整流電路整流電路的作用整流電路的作用: 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直

6、流電壓。將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。 常見的整流電路：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。半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。 二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的單向?qū)щ娦缘谝徊糠?二極管及其整流電路uo to to to to 2 3 uou2u2u1uDioioRLT 2 3 2U22U22U2Im 2 2 3 3 uDVDu2正正半周半周負(fù)負(fù)第一部分 二極管及其整流電路u20:導(dǎo)通導(dǎo)通i0u1u2aTbDRLu0忽略二極管正向壓忽略二極管正

7、向壓降：降： u0=u2t uit uoi0=u0 /RL第一部分 二極管及其整流電路u20 0 時時D D1 1,D,D3 3導(dǎo)通導(dǎo)通D D2 2,D,D4 4截止截止電流通路電流通路: :由由+ +經(jīng)經(jīng)D D1 1R RL LD D3 3- -u u2 20 0 時時D D2 2,D,D4 4導(dǎo)通導(dǎo)通D D1 1,D,D3 3截止截止電流通路電流通路: :由由- -經(jīng)經(jīng)D D2 2R RL LD D4 4+ +輸出是脈動的直流電壓！輸出是脈動的直流電壓！u2tt橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1tuou2D4D2D1D3

8、RLu0+-第一部分 二極管及其整流電路負(fù)載電壓負(fù)載電壓 U0的平均值的平均值: 209 . 022t22ooUUdu21U負(fù)載上的負(fù)載上的(平均平均)電流電流:L2oR0.9UI L2oDRU0.45I21I2RMDU2U每個二極管只有半周導(dǎo)通。流過每只整流二極管的平均每個二極管只有半周導(dǎo)通。流過每只整流二極管的平均電流電流 ID是負(fù)載平均電流的一半。是負(fù)載平均電流的一半。二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：tuo(io )第一部分 二極管及其整流電路濾波電路濾波電路濾波原理濾波原理:交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流

9、脈動直流，其中，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件電容既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓兩端的電壓(或通過電感中的電流或通過電感中的電流)不能突變的特性不能突變的特性, 將將電容電容與負(fù)載與負(fù)載RL并聯(lián)并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián)串聯(lián))，濾掉整流電路輸，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。壓波形的目的。第一部分 二極管及其整流電路u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL未接入時未接入時u2t設(shè)設(shè)t1時刻接時刻接通電源通電源t1充電結(jié)束充電結(jié)

10、束忽略整流電路內(nèi)阻忽略整流電路內(nèi)阻u0t沒有電容時的輸沒有電容時的輸出波形出波形一一. . 電容濾波電容濾波第一部分 二極管及其整流電路u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且接入（且RLC較大）時較大）時 u2tuot電容通過電容通過RL放電，在整放電，在整流電路電壓小于電容電流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。會逐漸下降。第一部分 二極管及其整流電路近似估算近似估算: UL=1.2U2(b) 流過二極管瞬時電流很大流過二極管瞬時電流很大整流管導(dǎo)電時間越短整流管導(dǎo)電時間越短 iD的峰值電流越大的峰

11、值電流越大電容濾波電路的特點：電容濾波電路的特點：(a) UL與與RLC的的 關(guān)系：關(guān)系：RLC 愈大愈大 C放電愈慢放電愈慢 UL(平均值平均值)愈大愈大RLC 較較大大一般?。阂话闳。?T:電源電壓的周期電源電壓的周期)2T)53(CRLu2tuc= uL第一部分 二極管及其整流電路2. 波形及輸出電壓波形及輸出電壓2O2U U 當(dāng)當(dāng) RL = 時：時：O tuO 2 22U當(dāng)當(dāng) RL 為有限值時：為有限值時：2O229 . 0UUU 通常取通常取 UO = 1.2U2RC 越大越大 UO 越大越大2)53(LTCR RL = 為獲得良好濾波效果，一般?。簽楂@得良好濾波效果，一般?。? (

12、T 為輸入交流電壓的周期為輸入交流電壓的周期) )第一部分 二極管及其整流電路結(jié)論：結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。較小且負(fù)載變動不大的場合。第一部分 二極管及其整流電路Tuou2Liou1uo二、電感濾波電路二、電感濾波電路 由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負(fù)載串聯(lián)由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負(fù)載串聯(lián),流過負(fù)載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也流過負(fù)載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。就平穩(wěn)了。 其實質(zhì)是因為電感對交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感其實質(zhì)是因

13、為電感對交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則抗越大，則交流成分絕大部分降到了電感上交流成分絕大部分降到了電感上,若忽略導(dǎo)線電阻，若忽略導(dǎo)線電阻，電感對直流沒有壓降，即電感對直流沒有壓降，即直流均落在負(fù)載上直流均落在負(fù)載上，達(dá)到了濾波目的。，達(dá)到了濾波目的。輸出電壓平均值輸出電壓平均值: UL=0.9U2第一部分 二極管及其整流電路RL tuouo、oi 2 3 uo電感電感L L越大，濾波效果越好。越大，濾波效果越好。Tuou2Liou1uo第一部分 二極管及其整流電路三三. . 其它濾波電路其它濾波電路為進(jìn)一步改善濾波特性，采取多級濾波。為進(jìn)一步改善濾波特性，采取多級濾波。LC濾波電路

14、濾波電路+uo+-LCu-i+u+u-iC-oRC12RC型濾波電路型濾波電路第一部分 二極管及其整流電路穩(wěn)壓電路的作用穩(wěn)壓電路的作用: :交流交流電壓電壓脈動脈動直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波有波紋的有波紋的直流電壓直流電壓穩(wěn)壓穩(wěn)壓直流直流電壓電壓第一部分 二極管及其整流電路穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路 通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。 電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。 如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引

15、起直流放大器的零點漂移，如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進(jìn)行交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進(jìn)行穩(wěn)壓。穩(wěn)壓。第一部分 二極管及其整流電路IFUF0正向特性正向特性反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)UZIminIZmaxVZ負(fù)極負(fù)極伏安特性伏安特性一、穩(wěn)壓管一、穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管是一種特殊的穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管。面接觸型半導(dǎo)體二極管。 第一部分 二極管及其整流電路第一部分 二極管及其整流電路TRLCUiRIRUZIZDZuou2iou1 硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖所示，經(jīng)整流濾波后得硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電

16、路如圖所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻，限流電阻R和穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓管DZ組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。第一部分 二極管及其整流電路TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1RiZO=UUUUIRU iRLZIII根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)U UZ Z升高一升高一點時，點時，I IZ Z將會顯著增加，這樣必將會顯著增加，這樣必然使電阻然使電阻R R上的壓降增大。上的壓降增大。第一部分 二極管及其整流電路TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1穩(wěn)壓穩(wěn)壓當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓Ui發(fā)生變

17、化，發(fā)生變化，負(fù)載負(fù)載RL變化時，輸出電壓基本不變變化時，輸出電壓基本不變下面分別以兩種情況來討論：下面分別以兩種情況來討論：U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0當(dāng)當(dāng)U Ui i增加使增加使U U0 0升高時升高時第一部分 二極管及其整流電路TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0當(dāng)當(dāng)R RL L減小，輸出電流增加，使減小，輸出電流增加，使U U0 0減小時減小時第一部分 二極管及其整流電路下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理：下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理： （1）設(shè)）設(shè)RL不變，電網(wǎng)電壓升高使不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導(dǎo)致升高，導(dǎo)致Uo升

18、高，升高，而而Uo=UZ。 根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)UZ升高一點時，升高一點時，IZ將會將會顯著增加，這樣必然使電阻顯著增加，這樣必然使電阻R上的上的壓降增大，吸收了壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持的增加部分，從而保持Uo不變。不變。 RRIIIZZoUUUiUIIUUUZLRRio反之亦然。反之亦然。 第一部分 二極管及其整流電路（2）設(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻）設(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL阻值增大時，阻值增大時，IL減小，限流電阻減小，限流電阻R上壓降上壓降UR將會減小。將會減小。 由于由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導(dǎo)致，所以導(dǎo)致Uo升高，即升高，即UZ升高，這樣升高，這樣必然使必然使IZ顯