電工學少學時

電工學少學時第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第8章直流穩(wěn)壓電源8.3直流穩(wěn)壓電源的組成8.5濾波電路8.6穩(wěn)壓電路8.4整流電路

8.1半導體的基礎知識8.2半導體二極管第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。8.1

半導體的基礎知識第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(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：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（一）本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

Si

Si

Si

Si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（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（二）雜質半導體

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體，正負電荷數目相等，他們的相互作用抵消，因此是電中性的，對外不顯電性。第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日 不論是P型半導體還是N型半導體，都只能看做是一般的導電材料，不具有半導體器件的任何特點。 半導體器件的核心是PN結，是采取一定的工藝措施在一塊半導體晶片的兩側分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結。 各種各樣的半導體器件都是以PN結為核心而制成的，正確認識PN結是了解和運用各種半導體器件的關鍵所在。（二）PN結第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1）PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2）PN結的單向導電性

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日8.2

半導體二極管（一）基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，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結結面積可大可小，用于大功率整流和開關電路中。陰極陽極(

d

)符號D第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（二）伏安特性硅管0.5V,鍺管0.2V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數。第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日UI0UD近似特性UI0理想特性當電源電壓與二極管導通時的正向電壓降相差不多時，正向電壓降不可忽略。二極管的電壓小于其導通電壓的正向電壓降時，二極管截止，電流等于零；二極管導通后，正向電壓降恒等于UD。當電源電壓遠大于二極管導通時的正向電壓降時，二極管可看作理想二極管。加正向電壓時，二極管導通，正向電壓降和正向電阻等于零，二極管相當于短路；加反向電壓時，二極管截止，反向電流等于零，反向電阻等于無窮大，二極管相當于開路。第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（三）主要參數1.

額定正向平均電流

IF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.

最高反向工作電壓UR是保證二極管不被擊穿而施加的最大反向電壓，一般是二極管反向擊穿電壓的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

最大反向電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM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。第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V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。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。

問題：如何判斷二極管是導通還是截止？“開關特性”第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日電路如圖，求：UAB

V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+–第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日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2: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+–第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日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3：ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––在這里，D

起限幅(或削波)作用。第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日小功率直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓8.3直流穩(wěn)壓電源的組成第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（1）單相橋式整流電路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3導通，D2、D4截止。1.電路結構－RLuiouo1234ab+

–+

–－3.工作波形uD2uD4uouDttu第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（）單相橋式整流電路2.工作原理3.工作波形1.電路結構－uotRLuiouo1234ab+

-+

–－uu負半周，Va<Vb，二極管D2、D4導通，D1、D3截止。uD2uD4uDtuD1uD3第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4.參數計算整流電壓平均值Uo（負載直流電壓）(2)整流電流平均值Io

（負載直流電流）t0uTUo第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4.參數計算(3)流過每管電流平均值為輸出電流的一半ID(4)每管承受的最高反向電壓URM選用的二極管參數必須滿足：第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日整流橋實物照片第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

[例8.4.1]一橋式整流電路，已知負載電阻RL=240，負載所需直流電壓=12V，電源變壓器一次電壓U1=220V。試求該電路正常工作時的負載電流、二極管平均電流ID和變壓器的電壓比k。[解]負載直流電流IO=UORL=A=0.05A12240ID=IO=×0.05A=0.025A1212二極管平均電流

變壓器的二次電壓U2=

=V=13.33VUo0.9120.9變壓器的電壓比k=

==16.5U2U1

22013.33第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例1：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。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？

第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

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第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日方法：將電容與負載RL并聯(或將電感與負載RL串聯)

整流電路僅將交流電轉換成單向脈動的直流電壓。這種電壓對許多電子設備遠達不到要求，往往再加接濾波器以改善電壓的脈動程度。+C+CLC型濾波電路LC型濾波電路形濾波電路+CC+8.5濾波電路第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一、電容濾波器

1.電路結構2.工作原理

1）若RL未接入隨著u的正半波，對C不斷充電，電容兩端的電壓為uC

=而在u負半波時，D2、D4管也不能導通。因為V陽<

V陰，故輸出電壓uo的波形如圖[即電容兩端的電壓]。3.工作波形uoutOtO+Cuo+_~u+_RLD2D4

D1D3第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日(2)

電容濾波器

1.電路結構2.工作原理

2）若RL接入（且RLC較大）電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uc

會逐漸下降。+Cuo+_~u+_RLD2D4

D1D33.工作波形uoutOtO

u>uC時，電源給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數規(guī)律下降，uo=uC

。第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日4.電容濾波電路的特點(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RLC有關。

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。為了得到比較平直的輸出電壓近似估算?。?/p>

Uo

=1.2U2(

橋式有載）

Uo

=（橋式空載）第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日(2)流過二極管的瞬時電流很大電容器的額定工作電壓應不小于其實際電壓的最大值：

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導通時間越短iD

的峰值電流越大。iDtOuotO選管時一般?。旱谌彭?，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例：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=100，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解：1.選擇整流二極管可選用二極管2CZ53BIF=300mAUDRM=50V

+Cuo+_~u+_RLD2D4

D1D3第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例：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=100，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。

uRLuo++––~+C解：2.選擇濾波電容器可選用C=470F，耐壓為50V的極性電容器第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二、電感電容濾波器1.電路結構L

uRLuo++––~+C2.濾波原理對直流分量:XL=0，L相當于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。

LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日(4)形濾波器形LC濾波器

濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。

比形LC濾波器的體積小、成本低。L

uRLuo++––~+C2+C1形RC濾波器R

uRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用于負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日8.6

穩(wěn)壓電路1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.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。_+UIO一、穩(wěn)壓二極管第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日3.主要參數(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。(2)動態(tài)電阻(3)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(4)最大允許耗散功率rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗：PZM=UZIZM第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

[解](1)Ui＝10V時DZ反向擊穿穩(wěn)壓：UO=UZ=5V。

(2)Ui=3V時DZ反向截止：UO=Ui=3V。

(3)Ui=－5V時DZ正向導通：UO=0V。

(4)ui

=10sin

tV時當0＜ui＜5V時，DZ反向截止：UO=Ui=10sin

tV。當ui＞5V時，DZ反向擊穿穩(wěn)壓：

[例8.6.1]

如圖所示電路，設UZ=

5V，正向壓降忽略不計。當直流輸入Ui

=10V、3V、－5V時，Uo=？當輸入為交流ui

=10sin

tV時，分析uO的波形。RDZ

＋Ui－＋UO－5

tuO/VO23UO=UZ=5V。當ui＜0V時，DZ正向導通：UO=0V。第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR設UI一定，負載RL變化UO

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZ