第7章 直流穩(wěn)壓電源教材

第4篇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本篇為模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，在電路分析理論的基礎(chǔ)上，主要介紹電子電路的相關(guān)半導(dǎo)體元器件、直流穩(wěn)壓電源、放大器基礎(chǔ)與集成運(yùn)算放大器等內(nèi)容。7.1直流穩(wěn)壓電源的組成7.2半導(dǎo)體二極管7.6拓展與應(yīng)用7.3半導(dǎo)體二極管整流電路7.4濾波電路7.5穩(wěn)壓電路第7章直流穩(wěn)壓電源7.1直流穩(wěn)壓電源的組成小功率的直流穩(wěn)壓電源一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)部分組成。

(1)變壓電路：將交流電變換為合適的數(shù)值，并且起到電氣隔離的作用。

(2)整流電路：將交流電變換為脈動(dòng)直流電。

(3)濾波電路：過(guò)濾掉脈動(dòng)直流電中的波動(dòng)成份。

(4)穩(wěn)壓電路：減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載大小變化對(duì)輸出電壓的影響，穩(wěn)定輸出的直流電壓值。7.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體就是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，常用半導(dǎo)體材料是硅和鍺等。

7.2.1本征半導(dǎo)體

一、基本特性

(1)熱敏特性：溫度升高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。

(2)光敏特性：受到光的照射，導(dǎo)電能力明顯增加。

(3)摻雜特性：有目的的摻入其他物質(zhì)，會(huì)顯著改變其導(dǎo)電能力。本征半導(dǎo)體定義：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體

二、導(dǎo)電原理

硅和鍺都是四價(jià)元素，各有四個(gè)價(jià)電子。

(1)硅材料具有晶體結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體也稱為晶體。

二、導(dǎo)電原理

(2)硅單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：每個(gè)硅原子與相鄰的四個(gè)硅原子結(jié)合。共價(jià)鍵中的價(jià)電子不能自由移動(dòng)，不導(dǎo)電。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子空穴

溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返回

二、導(dǎo)電原理

(3)本征激發(fā)：價(jià)電子獲得能量，脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，數(shù)量少。自由電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

本征半導(dǎo)體獲得一定能量稱為本征激發(fā)。

二、導(dǎo)電原理

(4)復(fù)合：自由電子與空穴遇到一起，就會(huì)復(fù)合消失。

二、導(dǎo)電原理

(5)動(dòng)態(tài)平衡：本征激發(fā)不斷產(chǎn)生電子和空穴，同時(shí)，復(fù)合也在不斷進(jìn)行。當(dāng)本征激發(fā)與復(fù)合相平衡時(shí)，半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度不再變化。溫度升高或受到光的照射，價(jià)電子獲得能量，本征激發(fā)加強(qiáng)，自由電子和空穴的濃度升高，故半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。

二、導(dǎo)電原理

(6)自由電子和空穴的導(dǎo)電過(guò)程：自由電子逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。

兩種載流子

三、雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，有N型和P型兩類。

1.N型(電子型)半導(dǎo)體

(1)摻雜過(guò)程：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素(磷)，某些位置上的硅原子被磷原子取代，但整個(gè)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)不變。

磷原子與周?chē)乃膫€(gè)以共價(jià)鍵結(jié)合后，最外層軌道上有一個(gè)多余的電子，受到的束縛小，常溫下變化自由電子。磷原子失去電子后變?yōu)閹д姷牧纂x子，不產(chǎn)生空穴。

1.N型(電子型)半導(dǎo)體

(2)帶電粒子：自由電子：由摻雜產(chǎn)生，也由本征激發(fā)產(chǎn)生；帶負(fù)電；能運(yùn)動(dòng)，能導(dǎo)電；是多數(shù)載流子?？昭ǎ河杀菊骷ぐl(fā)產(chǎn)生；帶正電；能運(yùn)動(dòng)，能導(dǎo)電；是少數(shù)載流子。正離子(磷離子)：由摻雜產(chǎn)生；帶正電；不能自由移動(dòng)，不導(dǎo)電。

N型半導(dǎo)體對(duì)外不顯電性。

1.P型(空穴型)半導(dǎo)體

(1)摻雜過(guò)程：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素(硼)，某些位置上的硅原子被硼原子取代，但整個(gè)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)不變。

硼原子與周?chē)乃膫€(gè)以共價(jià)鍵結(jié)合后，最外層軌道上少一個(gè)電子，出現(xiàn)空位，從其他地方奪取一個(gè)電子填補(bǔ)到空位處，產(chǎn)生一個(gè)空穴。硼原子得到電子后變?yōu)閹ж?fù)電的硼離子。

2.P型(空穴型)半導(dǎo)體

(2)帶電粒子：自由電子：由熱激發(fā)產(chǎn)生；帶負(fù)電；能運(yùn)動(dòng)，能導(dǎo)電；是少數(shù)載流子。空穴：由摻雜產(chǎn)生，也由熱激發(fā)產(chǎn)生；帶正電；能運(yùn)動(dòng)，能導(dǎo)電；是多數(shù)載流子。負(fù)離子(硼離子)：由摻雜產(chǎn)生；帶負(fù)電；不能自由移動(dòng)，不導(dǎo)電。

P型半導(dǎo)體對(duì)外不顯帶電。

7.2.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成過(guò)程

(1)濃度差產(chǎn)生多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：將P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于濃度差，引起多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

(2)PN結(jié)的形成：多子擴(kuò)散到對(duì)方，與對(duì)方多子復(fù)合，在交界面處產(chǎn)生空間電荷區(qū)(PN結(jié))，里面只有不能移動(dòng)的正、負(fù)離子。

(3)內(nèi)電場(chǎng)的形成：空間電荷區(qū)中不能移動(dòng)的正、負(fù)離子產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，方向是從N區(qū)指向P區(qū)。

(4)內(nèi)電場(chǎng)的作用：阻礙多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。

(5)擴(kuò)散電流的方向：從P區(qū)指向N區(qū)。

(6)漂移電流的方向：從N區(qū)指向P區(qū)。

(7)動(dòng)態(tài)平衡：開(kāi)始時(shí)，擴(kuò)散電流大于漂移電流。隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，擴(kuò)散電流逐漸減小，漂移電流逐漸增大。當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流，PN不再加寬。在平衡狀態(tài)時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的電流為零。

二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.正偏導(dǎo)通

P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，稱為PN結(jié)加正向偏置電壓，簡(jiǎn)稱為正偏。

PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)的作用，PN結(jié)變窄。有利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)中有正向電流通過(guò)。

PN結(jié)導(dǎo)通。

二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2.反偏截止

P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，稱為PN結(jié)加反向偏置電壓，簡(jiǎn)稱為反偏。

PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用，PN結(jié)變寬。不利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)。

由于少子數(shù)目少，反向漂移電流很小，PN結(jié)不導(dǎo)通。

7.2.3半導(dǎo)體二極管一、概述

(1)結(jié)構(gòu)：一個(gè)PN結(jié)加外殼和電極引線構(gòu)成。

(2)符號(hào)：

(3)分類：

按材料分類：可分為硅管和鍺管。

按用途分類：可分為普通、整流、發(fā)光、光電、檢波、穩(wěn)壓二極管等。按結(jié)構(gòu)分類：可分為點(diǎn)接觸型(PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，工作電流小)、面接觸型(PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，工作電流大)。

二、二極管的伏安特性

1.正向特性

(1)OA段：二極管不導(dǎo)通，稱為死區(qū)。硅管的死區(qū)電壓為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓為0.2V。

(2)AB段：二極管導(dǎo)通后，電壓基本不變。硅管的導(dǎo)通電壓為0.7V，鍺管的導(dǎo)通電壓為0.3V。

2.反向特性

(1)OC段：反向電壓極小，不需考慮。

(2)CD段：反向電流很小，且基本不變。

反向電流由少數(shù)載流子產(chǎn)生，數(shù)目少，反向電流小。反向電壓增加時(shí)，少子數(shù)目不變，故反向電流不變。溫度升高，熱激發(fā)加強(qiáng)，少子數(shù)目增加，反向電流增大。

3.反向擊穿特性DE段

反向電流迅速增大，反向電壓基本不變。

(1)雪崩擊穿：自由電子的動(dòng)能大，碰撞價(jià)電子使之獲能，變?yōu)樽杂呻娮印?/p>

(2)齊納擊穿：反向電壓很高，內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng)，將價(jià)電子拉出來(lái)，變?yōu)樽杂呻娮訉?dǎo)電。齊納擊穿和雪崩擊穿都屬于電擊穿，可恢復(fù)。若擊穿后，電流過(guò)大，燒壞二極管，熱擊穿不可恢復(fù)。普通二極管不允許反向擊穿，穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)。

4.二極管的近似特性曲線

正向特性的死區(qū)電壓等于導(dǎo)通電壓。導(dǎo)通電壓(0.3V、0.7V)。加反向電壓，不導(dǎo)通，反向電流為零。

5.二極管的理想特性曲線正向?qū)妷簽榱?，正向電阻為零，相?dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。反向?qū)娏鳛榱?，反向電阻無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

三、二極管的主要參數(shù)

1.最大整流電流IFM

長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流。

2.最大反向工作電壓URM

一般為反向擊穿電壓的1/2或1/3。

3.反向峰值電流IRM

二極管加反向峰值電壓時(shí)的反向電流。

4.反向擊穿電壓UBR

伏安特性的反向擊穿電壓值。

5.反向飽和電流IR

選擇二極管的依據(jù)：二極管實(shí)際通過(guò)的正向平均電流IF

≦

IFM；二極管實(shí)承受的最大反向電壓UDRM

≦

URM

［例7.2.1］電路如圖所示，分別計(jì)算二極管為理想二極管和硅管兩種情況下的電壓UAB。解：(1)二極管為理想二極管時(shí)

二極管為硅管時(shí)

［例7.2.2］電路如圖所示，分別計(jì)算，(1)

二極管為理想二極管；(2)

二極管為硅管時(shí)，在下列兩種情況下的電壓UO：①UA=UB=3V；②UA=3V，UB=0V。解：共陽(yáng)極接法的二極管，陰極電壓低的導(dǎo)通。

(1)

二極管為理想二極管時(shí)

②

(2)

二極管為硅管時(shí)

②

①

①

［例7.2.3］電路如圖所示，已知ui=3sinωtV，二極管為硅管，分析并畫(huà)出輸出電壓uo的波形。解：硅管的導(dǎo)通電壓取0.7V。

(1)當(dāng)0V≦

ui

﹤0.7V時(shí)，VD1、VD2均截止，uo=ui

(2)當(dāng)ui

>0.7V時(shí)，VD1導(dǎo)通、VD2截止，uo=0.7V

(3)當(dāng)

-0.7V<

ui

﹤0V時(shí)，VD1、VD2均截止，uo=ui

(4)當(dāng)ui

<-0.7V時(shí)，VD1截止、VD2導(dǎo)通，uo=-0.7V7.3半導(dǎo)體二極管整流電路

7.3.1單相半波整流電路

一、電路結(jié)構(gòu)二、工作原理

(1)u2的正半周，二極管承受正向電壓，導(dǎo)通。忽略二極管的導(dǎo)通電壓，則輸出電壓為：二極管和負(fù)載上的電流相等，大小為：

(2)

u2的負(fù)半周，二極管承受反向電壓，截止。負(fù)載上的電壓、電流都為零。二極管通過(guò)的電流為零。二極管承受的反向電壓為：三、定量計(jì)算

1.輸出直流電壓的平均值

2.輸出直流電流平均值三、定量計(jì)算

3.二極管通過(guò)的電流平均值

4.二極管的最高反向電壓

7.3.2單相橋式整流電路

一、電路結(jié)構(gòu)二、工作原理

(1)u2的正半周，VD1、VD3承受正向電壓，導(dǎo)通。VD2、VD4截止。電流路徑為：忽略VD1、VD3的導(dǎo)通電壓，則輸出電壓為：

VD1、VD3和負(fù)載上的電流相等，大小為：

VD2、VD4承受的反向電壓為：

(2)u2的負(fù)半周，VD1、VD3截止。VD2、VD4承受正向電壓，導(dǎo)通。電流路徑為：忽略VD2、VD4的導(dǎo)通電壓，則輸出電壓為：

VD2、VD4和負(fù)載上的電流相等，大小為：

VD1、VD3承受的反向電壓為：三、定量計(jì)算

1.輸出直流電壓的平均值

2.輸出直流電流平均值三、定量計(jì)算

3.二極管通過(guò)的電流平均值

4.二極管的最高反向電壓?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娏鞯暮?jiǎn)單畫(huà)法整流電橋的圖片

故障分析：分析二極管VD1在斷路、短路、接反時(shí)，電路的工作狀態(tài)。

［例7.3.1］單相橋式整流電路中，已知負(fù)載電阻RL=450Ω，試求輸出電壓平均值UO、輸出電流平均值IO、二極管的平均電流IF及二極管承受的最高反向電壓UDRM。解：7.4濾波電路

7.4.1電容濾波電路

一、電容濾波原理

1.電路結(jié)構(gòu)

2.工作原理

(1)u2的正半周，0~π/4，二極管承受正向電壓，導(dǎo)通。電容充電，uC上升。

2.工作原理

(2)u2的正半周，π/4~π/2，u2<uC，二極管承受反向電壓，截止。電容放電，uC下降。

(3)u2的負(fù)半周，π/2~π，二極管承受反向電壓，截止。電容放電，uC下降。

2.工作原理

(4)u2的正半周，以后重復(fù)上述過(guò)程。

(5)濾波的效果與RL和C的大小有關(guān)，RL越大，放電電流小，放電慢，濾波效果好；C越大，貯能越多，濾波效果越好。

3.單相橋式整流加電容濾波電路

工作原理：略

二、分析計(jì)算公式

1.濾波電容的選取

濾波電容一般選取容量較大的電解電容，電解電容有正負(fù)極性，使用時(shí)不能接反。

2.輸出電壓、電流的計(jì)算公式

加電容濾波后，輸出電壓的平均值增大，電容按照規(guī)定選取時(shí)，輸出電壓按經(jīng)驗(yàn)公式選?。?/p>

UO=(1.0~1.2)U2

單相半波整流，電容濾波：

UO=1.0U2

單相橋式整流，電容濾波：

UO=1.2U2

不論半波、橋式整流，輸出電流都按歐姆定律計(jì)算：

3.二極管承受的反向電壓最大值

單相半波整流，電容濾波：?jiǎn)蜗鄻蚴秸?，電容濾波

［例7.4.1］單相橋式整流電路中，已知電源頻率為50Hz，RL=160Ω，負(fù)載直流電壓UO=80V。試求：(1)流過(guò)二極管的電流平均值及承受的最高反向電壓；(2)確定濾波電容值及耐壓值；(3)負(fù)載電阻斷路時(shí)的輸出電壓；(4)電容斷路時(shí)輸出電壓。解：(1)

［例7.4.1］單相橋式整流電路中，已知電源頻率為50Hz，RL=160Ω，負(fù)載直流電壓UO=80V。試求：(1)流過(guò)二極管的電流平均值及承受的最高反向電壓；(2)確定濾波電容值及耐壓值；(3)負(fù)載電阻斷路時(shí)的輸出電壓；(4)電容斷路時(shí)輸出電壓。解：(2)

［例7.4.1］單相橋式整流電路中，已知電源頻率為50Hz，RL=160Ω，負(fù)載直流電壓UO=80V。試求：(1)流過(guò)二極管的電流平均值及承受的最高反向電壓；(2)確定濾波電容值及耐壓值；(3)負(fù)載電阻斷路時(shí)的輸出電壓；(4)電容斷路時(shí)輸出電壓。解：(3)負(fù)載電阻斷路時(shí)，輸出電壓最大(4)電容斷路時(shí)

7.4.2電感濾波

利用電感能貯存磁場(chǎng)能量的原理，進(jìn)行濾波。電流變化時(shí)，電感上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)濾波。電感濾波適合于工作電流較大的場(chǎng)合。

7.4.3復(fù)式濾波

7.5穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓與濾波的區(qū)別：

濾波：減小輸出電壓的紋波分量。

穩(wěn)壓：穩(wěn)定輸出的直流電壓平均值。減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載大小變化對(duì)輸出電壓平均值的影響。

7.5.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓二極管

1.結(jié)構(gòu)、符號(hào)、伏安特性

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，由一個(gè)PN結(jié)組成。其結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通二極管相似。

2.主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓US：即反向擊穿電壓。

(2)穩(wěn)定電流IS：是一個(gè)范圍。

(3)最大允許耗散功率PSM：不發(fā)生熱擊穿時(shí)所允許的最大功率損耗，PSM=USISmax。

二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

1.電路結(jié)構(gòu)

2.限流電阻R的作用

限制通過(guò)穩(wěn)壓管的