電子技術(shù)基礎(chǔ)第2章半導(dǎo)體二極管和直流電源---1

1、3.9功率放大電路3.9功率放大電路本章要求：本章要求：1. 理解理解半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；結(jié)的單向?qū)щ娦?；了解二極管、穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特了解二極管、穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線，性曲線，理解理解主要參數(shù)的意義。主要參數(shù)的意義。2. 掌握掌握二極管、穩(wěn)壓管應(yīng)用電路的分析方法。二極管、穩(wěn)壓管應(yīng)用電路的分析方法。3. 了解小功率直流穩(wěn)壓電源的基本組成及各部分的了解小功率直流穩(wěn)壓電源的基本組成及各部分的功能。功能。4. 掌握掌握單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計(jì)算的計(jì)算;5.了解集成穩(wěn)壓電路的

2、性能及應(yīng)用。了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應(yīng)用。整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管2.1.1 2.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、 鍺、硒等材料鍺、硒等材料。本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。共價(jià)健共價(jià)健 Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子本征激發(fā)：本征激發(fā)： Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子空穴空穴自由電子自由電子1.溫度越高，本征溫度越高，本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴越多。子和空穴越多。2.本征激發(fā)與復(fù)合本征激發(fā)與復(fù)合同時(shí)存在。同時(shí)存

3、在。 Si Si Si Sip+多余多余電子電子磷原子磷原子失去一個(gè)失去一個(gè)電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子在常溫下成為在常溫下成為自由電子自由電子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴 2.1.2 2.1.2 PNPN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.1.2 2.1.2 PNPN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差濃度差 擴(kuò)散的結(jié)果使空擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬，間電荷區(qū)變寬，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負(fù)接

4、負(fù) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+ 內(nèi)電場(chǎng)被加內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+2.1.2.1.陰極引線陰極引線陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 2.1.2.1.陰極陰極陽(yáng)極

5、陽(yáng)極( d ) 符號(hào)符號(hào)D 反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向擊穿反向擊穿UIPN+PN+硅硅2CP6鍺鍺2AP15定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 例例4：ui = 2 sin t (V)，分析二極管的限幅作用。，分析二極管的限幅作用。ui 較小，宜采用恒壓降模型較小，宜采用恒壓降模型 0.7 V ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7

6、 VV2 導(dǎo)通導(dǎo)通 V截止截止ui UN二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通等效為等效為 0.7 V 的恒壓源的恒壓源 PNUO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)UZIZIZM UZ IZ_+UIO 2.2.1 穩(wěn)壓二極管的常用參數(shù)穩(wěn)壓二極管的常用參數(shù) (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓Zener voltage VZ (3) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻Zenner Impe

7、dance rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。作電壓。穩(wěn)壓二極管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。穩(wěn)壓二極管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。 rZ愈小，愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。rZ = VZ / IZ (2) 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)Temperature Coefficient U 說(shuō)明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。說(shuō)明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。溫度的變化將使溫度的變化將使VZ改改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)變，在穩(wěn)壓管中當(dāng) VZ 6 V時(shí)，時(shí)，VZ具有正溫度系數(shù)。當(dāng)具有正溫度系數(shù)。當(dāng)

8、 VZ 6 V時(shí)，時(shí)， VZ具有負(fù)溫度系數(shù)。當(dāng)具有負(fù)溫度系數(shù)。當(dāng) VZ 為為6V左右時(shí)，穩(wěn)壓管可以左右時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。管使用。IZIZ(5) (5) 最大允許耗散功率最大允許耗散功率 Zener Power Dissipation PZM 最大功率損耗是最大功率損耗是管子不致發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗管子不致發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗，取決于取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損結(jié)的功率損耗為耗為 PZ= VZ IZ，由，由

9、 PZM和和VZ可以決定可以決定IZmax。 穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而而Izmin對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)VZmin。 若若IZIZmin則不能則不能穩(wěn)壓。穩(wěn)壓。 (4) (4) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流Zenner Current IZ最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流IZmax 和最和最小穩(wěn)定工作電流小穩(wěn)定工作電流IZminIZ 穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流

10、變化時(shí)，通管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(c)IZUO = UZ IR = IO + IZUIUZRL (IO ) IR 設(shè)設(shè)UI一定，負(fù)載一定，負(fù)載RL變化變化UO 基本不變基本不變 IR (IRR) 基本不變基本不變 UO (UZ ) IZ +UIRLIOUO+IRRDZIz限流調(diào)壓限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路UO = UZ IR = IO + IZUIUZUI UZ UO 基本不變基本不變 IRR IZ IR +UIRLIOUO

11、+IRRDZIzImaxOZmaxOminUU IIR (1) UZ = UO(2) IZmax= (1.5 3) Imax(3) UI = (2 3) UO(4) ImaxZZmaxominUU RII IminZZminOmaxUU II IminOOmaxZminUUIIR +UIRLIOUO+IRRDZIz例例2.2.1 2.2.1 在如圖所示穩(wěn)壓電路中在如圖所示穩(wěn)壓電路中, ,選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓管選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓管和限流電阻和限流電阻R R，要求，要求 。假設(shè)的波動(dòng)范圍假設(shè)的波動(dòng)范圍1010。+UIRLIOUO+IRRDZIzOU6V, OI0 10mA 【解解】（1 1）穩(wěn)壓管的選擇）穩(wěn)

12、壓管的選擇V6UUOZ mA30mA103ImaxZ V5 . 60 . 6UZ mA10IZ mA30ImaxZ 查表可選查表可選2CW7C2CW7C，其穩(wěn)壓電壓，其穩(wěn)壓電壓，耗散功率，耗散功率0.2W。IZmax= (1.5 3) Imax（2 2）限流電阻）限流電阻R R的確定的確定 mA0IminO mA10ImaxO mA5IminZ OIU3U 18V6V3U3UOI V8 .19V181 . 1UaxIm V2 .16V189 . 0UinIm 3310)105(62 .16R10)030(68 .19 已知已知，; ;, ,，考慮，考慮1010波動(dòng)：波動(dòng)：0.46kR0.68

13、k0.46kR0.68 k；可選用標(biāo)稱值為；可選用標(biāo)稱值為510510限流電阻。限流電阻。取取, , ,UI = (2 3) UO作業(yè)作業(yè) 2.1.2 2.1.3 2.2.1 2.2.32.32.3直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源功能：功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適 的直流電壓的直流電壓u4uou3u2u1 整流電路整流電路 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。 半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。等。 二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o(wú)窮大。

14、利用二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的單向?qū)щ娦詔 uDO u 負(fù)半周，負(fù)半周，VaVb，二極二極管管 1、3 導(dǎo)通，導(dǎo)通，2、4 截止截止 。uouD t tuD1uD3 ut U2U2U2 4. 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算LLRURUI9 . 0oo o21DII UU2DRM o11. 1 d) sin(2122mIttII ) d( sin21ttU U0.9 oU (1) 輸出直流電壓高；輸出直流電壓高； (2) 脈動(dòng)較小；脈動(dòng)較??； (3) 二極管承受的最大反向電壓較低；二極管承受的最大反向電壓較低； (4) 電源變壓器得到充分利用。電源變壓器得到充分利用。 目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝

15、在一目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝在一起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可靠性，使用起來(lái)非常方便?？啃?，使用起來(lái)非常方便?！纠?.3.22.3.2】 采用單相橋式整流電路，已知供電使用頻率采用單相橋式整流電路，已知供電使用頻率50Hz50Hz、電壓電壓220V 220V 的單相交流電源，負(fù)載電阻的單相交流電源，負(fù)載電阻 ， 要求輸出要求輸出直流電壓，直流電壓， , ,確定整流器件。確定整流器件。50RL V30UO A6 . 0A5030RUILOO 解解

16、: : 負(fù)載電流負(fù)載電流 A3 . 0I21IOD 每個(gè)整流二極管的平均電流每個(gè)整流二極管的平均電流V3 .33V9 . 0309 . 0UUO 變壓器二次側(cè)電壓有效值變壓器二次側(cè)電壓有效值 V473 .332U2URM 整流二極管最大反向電壓整流二極管最大反向電壓 查找器件手冊(cè)可知使用查找器件手冊(cè)可知使用MB1SMB1S（0.5A0.5A，100V100V）整流橋滿足要求。）整流橋滿足要求。 2.3.1 常用整流電路一覽表常用整流電路一覽表（P16）uo+_u+_RLD2D4 D1D3當(dāng)當(dāng)D2或或D4斷開(kāi)后斷開(kāi)后 電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，電路為單相半波整流電路。正半周時(shí)，D1和和D

17、3導(dǎo)導(dǎo)通，負(fù)載中有電流通，負(fù)載中有電流過(guò)，負(fù)載電壓過(guò)，負(fù)載電壓uo o= =u；負(fù)半周時(shí)，；負(fù)半周時(shí)，D1和和D3截止，負(fù)載中無(wú)電流通截止，負(fù)載中無(wú)電流通過(guò)，負(fù)載兩端無(wú)電壓，過(guò)，負(fù)載兩端無(wú)電壓， uo o =0=0。 uo u 2 34tt234oo 則正半周時(shí)，二極管則正半周時(shí)，二極管D1、D4或或D2、D3導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流經(jīng)經(jīng)D1、D4或或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及此變壓器及D1、D4或或D2、D3將被燒壞。將被燒壞。 則正半周時(shí)，情況與則正半周時(shí)，情況與D2或或D4接反類似，電源及接反類似，電源及D1或或D3也將因電流過(guò)大而燒壞。也將

18、因電流過(guò)大而燒壞。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3例例2.3.5：試設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出電壓為試設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出電壓為24V，輸出電流為，輸出電流為1A的直流電的直流電源，電路形式可采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式源，電路形式可采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。解：解：V3 .5345. 0240.45o2 UU整流二極管承受的最高反向電壓為：整流二極管承受的最高反向電壓為：V2 .753 .5341. 122RM UU流過(guò)整流二極管的平均電流為：流過(guò)整流二極管的平均電流為：A1oD II因此可選用因此可選用2CZ12B整流二極管，其最大整流電流為整流二極管，其最大整流電流為3A，最高反向工作電壓為最高反向工作電壓為200V。（1）當(dāng)采用半波整流電路