電工學(xué)第五章

第六章2013

年9月第六章整流、濾波及穩(wěn)壓電路半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性6-1半導(dǎo)體二極管6-2穩(wěn)壓管6-3本章內(nèi)容整流、濾波及其穩(wěn)壓電路6-41.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.穩(wěn)壓二極管的穩(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6-1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性知識(shí)準(zhǔn)備：物質(zhì)按導(dǎo)電性能劃分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：一般是低價(jià)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(dòng)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(jià)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(shí)，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(shí)，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(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健

Si

Si

Si

Si價(jià)電子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)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(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)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)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子便愈多，自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）稱為復(fù)合運(yùn)動(dòng)。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(shí)，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(dòng)電子電流

(2)價(jià)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(duì)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(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，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(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。6-1-2N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(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮釉诒菊靼雽?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)。6-1-2N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(jià)元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。對(duì)同一塊半導(dǎo)體，一端摻入受主雜質(zhì)，成為P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，成為N型半導(dǎo)體，這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起。于是在接觸面便形成一個(gè)PN結(jié)。6-1-3PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)氣體液體固體PN結(jié)的形成原理：多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)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。空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)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：PN結(jié)的結(jié)電容很小

P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（三）PN結(jié)2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)正偏PN結(jié)正向?qū)ㄍ怆妶雠c內(nèi)電場方向相反有利于擴(kuò)散進(jìn)行擴(kuò)散>漂移PN結(jié)變窄外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較大的擴(kuò)散電流IF外電場IR

P接負(fù)、N接正–+內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（2）PN結(jié)外加反向電壓PN結(jié)反偏PN結(jié)反向截止外電場與內(nèi)電場方向相同有利于漂移進(jìn)行漂移>擴(kuò)散PN結(jié)變寬少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較小的反向電流IR總結(jié)：ＰＮ結(jié)加正向電壓導(dǎo)通ＰＮ結(jié)加反向電壓截止ＰＮ結(jié)單向?qū)щ娦裕ㄒ唬┗窘Y(jié)構(gòu)和分類PN陽極陰極6-2半導(dǎo)體二極管符號(hào)：P+_NPN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。（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(shí)應(yīng)保證其工作在正向?qū)ɑ蚍聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)，故認(rèn)為二極管正偏則導(dǎo)通，反偏則截止——單向?qū)щ娦?/p>

B硅UIAAB伏安特性曲線鍺正向：OA段（死區(qū)）硅管約0.5V，鍺管約0.2V(死區(qū)電壓）正向?qū)ǎ汗韫芗s0.7V，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UI理想特性曲線+-UI-+UIo（三）主要參數(shù)1.最大整流電流IDM二極管長期使用時(shí)，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(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IDRM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?，可以?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)化成直流電當(dāng)輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；當(dāng)輸入電壓超過該范圍時(shí)，輸出電壓保持不變實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算（鉗位）將調(diào)波信號(hào)的語音信號(hào)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

=－6VV陰=－12VV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(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：二極管的鉗位作用取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。D6V12V3kBAUAB+–（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)通截止考慮管降，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V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(shí)管壓降為零，二極管相當(dāng)于導(dǎo)線；

反向截止時(shí)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(gè)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

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V∵

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

=0V例:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–例2：“與”邏輯:+6VRDAVAVBVYDB當(dāng)VA=3V，VB=0V時(shí)，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-6VRDAVAVBVYDB∵

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硅二極管：VY=VA-

UD=2.3V+6VRDAuAuBuoDBt/suA/V3Vt/suB/V3Vt/suo/V3V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(shí)，輸出才為3V當(dāng)輸入有一為0V時(shí)，輸出為0V實(shí)現(xiàn)了“與”門邏輯2、多個(gè)二極管連接：若

共陰極，陽級(jí)最高一個(gè)先導(dǎo)通若

共陽級(jí)，陰級(jí)最低一個(gè)先導(dǎo)通先導(dǎo)通的一個(gè)二極管起鉗位作用。

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：ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––1.符號(hào)UZIZminIZmaxUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)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。-+UIO6-3穩(wěn)壓二極管UZRUoUi++––穩(wěn)壓原理：RL1、Ui↑IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑UR↑Uo↓若△UR=△Ui，則UO基本不變2、RL

↑(Ui不變）IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑IL↓RL

↑IR↓若△IL=-△IDZ，則UO基本不變+-IRIDZILUi=UR+UoUZ=UoIR=IDZ+IL→Uo（UZ）↓Uo（UZ）↑UIUZIZminIZmax3.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(shí)管子兩端的電壓。(5)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻(2)穩(wěn)定電流IZ，IZmin＜IZ＜

IZmax(4)最大允許耗散功率PZM=UZIZMaxrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。例

1

穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計(jì)。當(dāng)輸入電壓Ui分別為直流10V、3V、-5V時(shí)，求輸出電壓UO；若ui=10sinωtV，試畫出uo的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui=10V：DZ工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向?qū)顟B(tài)，UO=0Vui=10sinωtV：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=uiui負(fù)半周，DZ正向?qū)ǎ瑄O=0V5V功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負(fù)載變壓整流濾波穩(wěn)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)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流。單相橋式整流電路用得最普遍。分析時(shí)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?-4-1整流電路

–++–aTrDuou2bRLio+–u1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，Va>Vb，D導(dǎo)通，uo=u2

u2

負(fù)半周，Va<Vb，D截止，uo=0

uoOu2tO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→Io＜IDM選管條件之一

–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDO

uoOu2tO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(shí)，反向工作峰值電壓要比UDRM

大一倍左右。選管條件之二

–++–aTrDuou2bRLio+–u1如圖所示的單相半波整流電路，負(fù)載RL=500Ω，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(shí)應(yīng)滿足：IDM

Io

，URWMUDRM

查附錄二?？蛇x擇2AP2（16mA，30V）

單相半波整流電路特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單

輸出電壓低脈動(dòng)大，變壓器使用效率低用于小電流、脈動(dòng)要求不嚴(yán)格的電路（一）電路及工作原理Flash56-4-1-2單相橋式整流電路（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、變壓器副邊電流有效值I2===ppwwpwp02209.0sin211UttdUtduUoo∫∫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ID5、每管承受的最高反向電壓UDRM同半波整流一樣，選管時(shí)應(yīng)滿足：

IDM

ID

，URWMUDRM

u0u2u2u1abD4D2D1D3RL+_i0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?？蛇x擇2CP11（100mA，50V）

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)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(chǔ)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u0u2u2u1abD4D2D1D3RLC+_uCi0

u2

正半周，D1、D3導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。（oa段）uou2tOtOa

uc＞u2

，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τ=RLC，τ愈大，放電愈慢，輸出電壓愈平緩

u2

負(fù)半周，u2＞ucD2、D4導(dǎo)通，電源又給電容充電，uC

增加，uo=uC

。（bc段）c2.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(dòng)程度與平均值Uo與放電時(shí)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?。?/p>

Uo

=1.2U(

橋式、全波）當(dāng)負(fù)載RL開路時(shí)，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1.2U無電容濾波0.9U

UooIO結(jié)論

采用電容濾波時(shí)，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)載變化較小的場合。(3)流過二極管的瞬時(shí)電流很大選管時(shí)一般?。?/p>

IDM=（2-3）ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短iD

的峰值電流越大。iDtuotOO1.電路結(jié)構(gòu)L

uRLuo++––~2.濾波原理對(duì)直流分量:XL=0，L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)交流分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動(dòng)減小。

電感濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場合，用于高頻時(shí)更為合適。6-4-2-2電感