電工學講義7-二極管穩(wěn)壓管與整流濾波穩(wěn)壓電路

電工學講義7-二極管穩(wěn)壓管與整流濾波穩(wěn)壓電路第一頁，共64頁。半導體二極管及整流電路第二頁，共64頁。導電能力介于導體和絕緣體之間。硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物均為半導體。純凈半導體導電能力不強，加入雜質(zhì)后，導電能力增強。利用該特性，制成半導體二極管、三極管、晶閘管等。半導體第三頁，共64頁。半導體N型半導體P型半導體通過一定的工藝，使半導體一部分是P型，一部分N型，則中間交接面形成PN結(jié)。PN結(jié)PNPN結(jié)第四頁，共64頁。PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫嶒濸N+RIPN+RI0PN結(jié)正向偏置時，導通電流大，電阻小，稱導通PN結(jié)反向偏置時，導通電流小，電阻大，稱截止第五頁，共64頁。二極管由PN結(jié)加上引出線和殼體構(gòu)成，P極引出線稱正極，N極引出線稱負極。符號為：+–用萬用表判別二極管的正負極–+黑紅0黑紅0+–第六頁，共64頁。半導體二極管基本結(jié)構(gòu)

(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第七頁，共64頁。二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線指流過二極管的電流與二極管兩端的電壓之間的關(guān)系。不同二極管的伏安特性曲線有差別，但形狀相似：U（V）0.40.8-50-25-2080604020-40-60特點：非線性第八頁，共64頁。當二極管正向偏置：死區(qū):硅管約0.5V，鍺管約0.1V，正向電流非常小,這一電壓稱死區(qū)電壓導通：當正向電壓低于某一值，超過死區(qū)電壓后,電流在很大范圍內(nèi)變化，而電壓變化很小。硅管約0.60.7V，鍺管約0.20.3V死區(qū)電壓U（V）0.50.7-50-25-2080604020-40-60第九頁，共64頁。當二極管反向偏置關(guān)斷：當二極管反向偏置,反向電流很小,鍺管約幾十A,小功率硅管小于1A擊穿：當反向電壓加大到某一值，反向電流突然急劇增大，二極管擊穿燒壞。U(V)0.40.8-50-25-2080604020-40-60反向擊穿電壓U(BR)第十頁，共64頁。伏安特性死區(qū)電壓反向擊穿電壓U(BR)U（V）0.40.8-50-25-2080604020-40-60可見開關(guān)斷開關(guān)閉0導通死區(qū)關(guān)斷擊穿U–U第十一頁，共64頁。正向壓降為0反向電阻無窮大理想二極管第十二頁，共64頁。二極管的命名規(guī)則：2CP10如何選用二極管二極管的主要技術(shù)參數(shù)：1）最大整流電流ICM：二極管長期使用時,允許通過的最大正向平均電流。2）反向工作峰值電壓URWM：保證二極管不擊穿而給出的反向電壓峰值，一般為擊穿電壓的1/2。2：二極管C：N型硅材料,A:P型鍺材料P：普通型，K:開關(guān)管，Z：整流管,W：穩(wěn)壓管10：序號第十三頁，共64頁。電路如圖，求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，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+–第十四頁，共64頁。ui>8V，二極管導通，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2：ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––第十五頁，共64頁。兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，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)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3: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+–第十六頁，共64頁。二極管的用途整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。第十七頁，?4頁。二極管整流電路將交流電變?yōu)槊}動的直流電的過程，稱整流利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪崿F(xiàn)整流0tu變壓ut0整流分析時可把二極管當作理想元件處理：二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。第十八頁，共64頁。元器件：u2為正弦交流電源，D為二極管R為負載電阻Tr為變壓器圖中電流、電壓正方向為正弦交流電正半周的方向u0u2+Tr-DRL+-i0單相半波整流電路u11.電路結(jié)構(gòu)第十九頁，共64頁。uDO2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D導通；3.工作波形–++–aTrDuoubRLioutOuoOu負半周，Va<Vb，二極管D截止。+–只有在交流的正半周，才有電流流過負載第二十頁，共64頁。通過半波整流，負載上得到大小變化的單極性電壓，稱脈動電壓，常用一個周期內(nèi)脈動電壓的平均值來描述脈動電壓的大小4負載上電壓電流的計算1.半波整流電壓的

平均值為：2.半波整流電流的

平均值為：0uT第二十一頁，共64頁。5整流二極管的選擇二極管最大整流電流IOM

：反向工作峰值電壓URWM:(流過二極管的電流與負載電流相等)(二極管承受的最高反向電壓=二極管截止時端電壓最大值)u2+Tr-DRL+-u0i0第二十二頁，共64頁。單相橋式全波整流電路iD1=iD3=iRuD1=uD3=0uO=u2uD2=uD4=-u2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2D1,D3導通在u的正半周：aD1RLD3b第二十三頁，共64頁。uD2=uD4=0uO=u2uD1=uD3=-u2iD2=iD4=iRaD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2在u的負半周:bD2RLD4a第二十四頁，共64頁。aD4D2D1D3RLu0u2+-i1bi2u0aD4D2D1D3RL+-i1bi2u2u00i1uouo,ioi2i1i22.波形圖無論u正/負半周，負載上均有方向相同的電流通過，稱:全波整流第二十五頁，共64頁。3.負載上電壓電流的計算全波整流時，負載上的電壓是半波時的兩倍u00i1uouo,ioi2i1i21.全波整流電壓的平均值為：2.全波整流電流的平均值為：第二十六頁，共64頁。4.整流二極管的選擇二極管最大整流電流：反向工作峰值電壓：二極管承受的最高反向電壓=二極管截止時端電壓最大值由于D1~D4輪流導通，流過每個二極管的電流平均值只有負載電流的一半aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2第二十七頁，共64頁。5.橋式整流的其它畫法RLu0+-u+-第二十八頁，共64頁。舉例有一負載需直流電壓U0=40V，I0=4A，計算采用半波和全波整流電路時，整流二極管的電流ID和最高反向電壓UDRM及電源變壓器次級電壓U2半波ID=I0=4AU0=0.45U2U2=40/0.45=89VUDRM=2U2=126V選擇時，可選其最大整流電流5A，反向工作峰值電壓200V全波ID=(1/2)I0=2AU0=0.9U2U2=40/0.9=44VUDRM=2U2=63V選擇時，可選其最大整流電流3A，反向工作峰值電壓100Vu0u2+Tr-DRL+-i0第二十九頁，共64頁。例2：試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時負載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4

D1D3解：當D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和D3導通，負載中有電流過，負載電壓uo=u；負半周時，D1和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo第三十頁，共64頁。如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導通，電流經(jīng)D1、D4

或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。uo+_~u+_RLD2D4

D1

D3第三十一頁，共64頁。濾波電路交流電經(jīng)整流后成為單向脈動電壓，要將其變?yōu)檩^為平滑的直流電，可通過濾波電路來改善其脈動性。ut0濾波ut0整流第三十二頁，共64頁。電容濾波電路(忽略二極管壓降)uC（u0）跟隨u2變化u2達最大,uC（u0）也達最大D導通u2對C充電u2+-DRL+-u0+Cabu0D導通D截止D導通0無電容濾波u00D截止D導通電容濾波當u2處于正半周：第三十三頁，共64頁。電容較慢放電(放電回路時間常數(shù)大)u2按正弦規(guī)律較快下降當u2由峰值下降：當u2<uC，D截止uc繼續(xù)對R放電直至u2到達另一正半周的u2>uC，D重新導通u2+-DRL+-u0+Cabu0D導通D截止D導通0無電容濾波u00D截止D導通電容濾波第三十四頁，共64頁。加入濾波后，負載上得到的直流電壓的脈動情況改善，輸出電壓的平均值提高uoutOtO第三十五頁，共64頁。電路元器件的選擇1)濾波電容的選擇濾波電容越大，負載電阻R越大，放電時間常數(shù)=RC越大，輸出電壓越平滑，直流電壓越高。一般?。喊氩ㄕ鳎篟LC>=(3~5)T全波整流：RLC>=(3~5)T/2T為交流電壓u2的周期；濾波電容一般取幾十uF~幾千uF，通常采用電解電容，使用時要注意正負極性，不能接反。a.電容值的選擇第三十六頁，共64頁。負載開路，在交流電壓正半周，D導通，電容器上電壓充至交流電壓最大值2U2，由于負載開路，電容器不能放電，隨后D截止，導致該電壓一直維持。故電容耐壓應(yīng)大于此值.一般?。?1.5~2)U2b.濾波電容耐壓值的選擇：u2+-DRL+-u0+Cab第三十七頁，共64頁。3）二極管的選擇（考慮UDRM）：a.對單相半波帶有電容濾波的整流電路，當負載開路時在交流電壓的負半周，

截止二極管上承受的反向電壓為交流電壓的最大值2U2與電容器上電壓2U2之和，即22U2在交流電壓正半周，電容器上電壓充至交流電壓最大值2U2，由于負載開路，電容器不能放電，該電壓一直維持。UDRM>22U2IOM=IO2U22U2uDu2DRL+-u0+Cab-+-第三十八頁，共64頁。b.對單相橋式帶有電容濾波的整流電路,當負載開路時二極管截止時承受的最高反向電壓UDRM=2U2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bUDRM不受電容C影響第三十九頁，共64頁。截止二極管上的最高反向電壓UDRM電路無電容濾波有電容濾波單相半波整流單相橋式整流小結(jié)第四十頁，共64頁。負載上的直流電壓接入濾波電容后，負載直流電壓升高，通常?。篣0=U2(半波整流濾波)U0=1.2U2(全波整流濾波)第四十一頁，共64頁。舉例半波整流電容濾波電路，f=50HZ,要求輸出直流電壓U0=30V,電流I0=80mA,估計整流二極管及電容濾波器參數(shù)。二極管：UDRM=22U0

=85VID=80mA電容器：取RLC=5T，則C=5/RLf，又：RL=U0/I0C=266uF電容耐壓為(1.5~2)U2，取50V可選用最大整流電流100mA，反向工作峰值電壓100V的二極管，電容為250uF，耐壓50V的電解電容第四十二頁，共64頁。例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值uRLuo++––~+C解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

第四十三頁，共64頁。有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器第四十四頁，共64頁。電感濾波電路當流過電感線圈的電流發(fā)生變化，電感兩端將產(chǎn)生一個反電動勢來阻止電流變化，負載電壓和電流就比較平滑了。橋式整流電感濾波電路C+-u+-RLLu0+第四十五頁，共64頁。濾波用線圈稱為扼流圈。L越大，阻礙電流變化作用越

強，但成本增加，直流損耗增加。一般取電感量為幾~

幾十亨電感濾波電路多用于單相全波整流電路及三相整流電路

中，忽略電感線圈電阻，負載上直流電壓為：U0=0.9U2電感濾波輸出的直流電壓小于電容濾波，但負載變化時，輸出電壓變化小，適用于負載變化大及負載電流大的場

合。第四十六頁，共64頁。C2+-uRLL++C1C2+-uRLR++C1復(fù)式濾波電路第四十七頁，共64頁。ut0濾波tu0穩(wěn)壓穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓電路整流濾波后，交流變?yōu)楸容^平滑的直流,但直流電壓/電流的平均值受到電網(wǎng)電壓波動及負載變動的影響。為了得到穩(wěn)定的直流電壓，必須在整流和濾波后增加穩(wěn)定環(huán)節(jié)。第四十八頁，共64頁。U(v)I(mA)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是特殊工藝制成的面接觸型硅二極管。普通二極管：在反向電壓達到擊穿電壓時,將擊穿燒壞+-UZImax工作在反向擊穿區(qū)，具有穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓管：反向工作時，當達到擊穿電壓，只要擊穿電流限制在Imax以內(nèi)，當電流有較大變化時，電壓都基本恒定在UZ。在Imax以內(nèi)，穩(wěn)壓管的反向擊穿可逆，去掉反向電壓又恢復(fù)正常正向工作時相當于普通二極管第四十九頁，共64頁。穩(wěn)壓管的基本參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓范圍內(nèi)穩(wěn)壓管的工作電壓。就某一型號穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓有一定范圍.如:2CW1型:7~8.5V穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時,制造廠的

測試電流最大穩(wěn)定電流Izmax:穩(wěn)定管允許通過的最大反向電流。大于此值，穩(wěn)壓管燒壞。動態(tài)電阻rZ:在穩(wěn)定狀態(tài)下，穩(wěn)壓管端電壓與相應(yīng)電流之比。穩(wěn)壓管反向伏安特性曲線越陡，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)定性能越好。第五十頁，共64頁。IZRLR++CUO+-u2-UIDZ+-Io穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路選擇穩(wěn)壓管時一般?。旱谖迨豁?，共64頁。限流電阻串聯(lián)在電路中,使穩(wěn)壓管電流不超過ImaxUI=UR+UZ=UR+UOI=IO+IZ穩(wěn)壓電路工作原理1）當電網(wǎng)電壓

UI

UZ，UO

IZ

I

UR

UO2）當負載RL變小

UO

UZ

IZ

I

UR,UI不變UO

穩(wěn)壓過程總通過穩(wěn)壓管電流的變化來調(diào)整IZRLR++Cuo+-u2-UIDZ+-IoUIUZ第五十二頁，共64頁。思考題1）R=0時產(chǎn)生什么現(xiàn)象？2）穩(wěn)壓管接反了，結(jié)果如何？3）同型號穩(wěn)壓管能串聯(lián)使用嗎？能并聯(lián)使用嗎？提示：1）從穩(wěn)壓過程入手分析。2）穩(wěn)壓管是特殊的二極管。3）串聯(lián)、并聯(lián)以后穩(wěn)定電壓和允許通過電流分別如何變化？IZRLR++Cu0+-u2-UiDZ+-Io第五十三頁，共64頁。0tu交流電源0tu變壓ut0整流ut0濾波tu0穩(wěn)壓直流穩(wěn)壓電源第五十四頁，共64頁。特殊用途二極管參閱教科書！第五十五頁，共64頁。思考題第五十六頁，共64頁。單相全波整流電路的工作原理U1負半周：u1u2aTbD1RLu0D2u2i0uDU1正半周：電流流向：a-D1-RL電流流向：b-D