《電路與電子技術(shù)》課件第5章

P5M1二極管特性的測(cè)試P5M2整流電路的測(cè)試P5M3濾波電路的測(cè)試P5M4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的測(cè)試P5M5簡(jiǎn)單直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作思考與練習(xí)

直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供者，在各種電子設(shè)備中有著極其重要的地位，它的性能直接關(guān)系到整個(gè)電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，電源技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，它已從過(guò)去不太復(fù)雜的電子電路變?yōu)榻裉炀哂休^強(qiáng)功能的模塊。

在直流穩(wěn)壓電源的組成框圖中，其主要組成部分有電源變壓器、整流器、濾波器、穩(wěn)壓器等。整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓。濾波器是由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成的，它的作用是盡可能地將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。但是，當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波器輸出直流電壓的幅值也將隨之而變化，因此，穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。項(xiàng)目任務(wù)書(shū)MNL1半導(dǎo)體基本知識(shí)

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，我們稱(chēng)之為半導(dǎo)體。在電子器件中，常用的半導(dǎo)體材料有：元素半導(dǎo)體，如硅(Si)、鍺(Ge)等；化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵(GaAs)等；采用摻雜方法制成的其它化合物半導(dǎo)體材料，如摻入硼(B)、磷(P)、錮(In)和銻(Sb)等元素。其中硅是最常用的一種半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體主要有以下特點(diǎn)：P5M1二極管特性的測(cè)試

(1)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間；

(2)半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化；

(3)在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。

1.本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體就是化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

在室溫下，本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子可以獲得一定的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，在晶體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)。由于共價(jià)鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場(chǎng)或其他作用下，鄰近價(jià)電子就可填補(bǔ)到這個(gè)空位上，而在這個(gè)電子原來(lái)的位置上又留下新的空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空位，這樣就使共價(jià)鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移?？昭ǖ囊苿?dòng)方向和電子的移動(dòng)方向是相反的。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴數(shù)總是相等的。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

(1)N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體材料中摻入少量的5價(jià)元素，如磷，原來(lái)晶體中的某些原子將被磷原子代替。磷原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，而磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。摻雜的雜質(zhì)如磷、砷和銻等。在N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。

(2)P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體材料中摻入少量的3價(jià)元素，如硼，原來(lái)晶體中的某些原子將被硼原子代替。硼原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，相當(dāng)于空穴電流向另一方向移動(dòng)，硼原子為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。

在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子，三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。

(3)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響。

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能有很大的影響，其典型數(shù)據(jù)為：T=300K室溫下，本征硅的電子和空穴的濃度為

n=p=1.4×1010/cm3，摻雜后，N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度為n=5×1016/cm3，本征硅的原子濃度為4.96×1022/cm3，以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。MNL2PN結(jié)

1.PN結(jié)的形成

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體進(jìn)行結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)空穴很多而電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P區(qū)和N區(qū)交界面附近形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖5-1-1所示。擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，它是阻止擴(kuò)散的。另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，PN結(jié)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散。最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。圖5-1-1PN結(jié)

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時(shí)，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏，如圖5-1-2所示；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏，如圖5-1-3所示。圖5-1-2PN結(jié)正偏圖5-1-3PN結(jié)反偏

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)中的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動(dòng)，當(dāng)P區(qū)空穴進(jìn)入PN結(jié)后，就要和原來(lái)的一部分負(fù)離子中和，使P區(qū)的空間電荷量減少。同樣，當(dāng)N區(qū)電子進(jìn)入PN結(jié)時(shí)，中和了部分正離子，使N區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果使PN結(jié)變窄，即耗盡層變薄，由于這時(shí)耗盡層中載流子增加，因而電阻減小，形成擴(kuò)散電流。在這種情況下，由于少數(shù)載流子形成的漂移電流，其方向與擴(kuò)散電流相反，和正向電流比較，其數(shù)值很小，因此可忽略不計(jì)。這時(shí)PN結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的擴(kuò)散電流所決定。在外電路上形成一個(gè)流入P區(qū)的電流，稱(chēng)為正向電流ID。當(dāng)外加電壓UD稍有變化(如0.1V)時(shí)，便能引起電流的顯著變化，因此電流ID是隨外加電壓急速上升的。這時(shí)，正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)很小的電阻。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流。該過(guò)程可歸納為：加正向電壓→耗盡區(qū)變薄→有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散→形成擴(kuò)散電流。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子都將進(jìn)一步離開(kāi)PN結(jié)，使耗盡層厚度加寬，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)。這一結(jié)果，一方面使P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子很難越過(guò)耗盡層，擴(kuò)散電流趨近于零；另一方面，由于內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng)，使得N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。這樣，此時(shí)流過(guò)PN結(jié)的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現(xiàn)在外電路上有一個(gè)流入N區(qū)的反向電流IR。由于少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度很小，因此IR是很微弱的，一般為微安數(shù)量級(jí)。當(dāng)管子制成后，IR數(shù)值決定于溫度，而幾乎與外加電壓UD無(wú)關(guān)。IR受溫度的影響較大，在某些實(shí)際應(yīng)用中，還必須予以考慮。PN結(jié)在反向偏置時(shí)，IR很小，PN結(jié)呈現(xiàn)一個(gè)很大的電阻，可認(rèn)為它基本是不導(dǎo)電的。這時(shí)，反向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻。該過(guò)程可歸納為:加反向電壓→耗盡區(qū)變厚→不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)→形成漂移電流，即反向飽和電流。當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，產(chǎn)生較大的正向擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。測(cè)試工作任務(wù)書(shū)測(cè)試工作任務(wù)書(shū)MNL3二極管的伏安特性

二極管的性能可用其伏安特性來(lái)描述，典型的二極管的伏安特性如圖5-1-9所示。特性曲線(xiàn)分為兩部分：加正向電壓時(shí)的特性稱(chēng)為正向特性：加反向電壓時(shí)的特性稱(chēng)為反向特性。

1.正向特性

當(dāng)加在二極管上的正向電壓比較小時(shí)，正向電流很小，幾乎等于零。只有當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，正向電流才明顯地增大。正向特性上的這一數(shù)值通常稱(chēng)為“死區(qū)電壓”，見(jiàn)圖5-1-9。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料以及溫度等因素有關(guān)。一般，硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V左右，鍺二極管的為0.1V左右。圖5-1-9二極管伏安特性當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓以后，隨著電壓的升高，正向電流將迅速增大。電流與電壓的關(guān)系基本上是一條指數(shù)曲線(xiàn)。通常，將二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)的正向電壓稱(chēng)為正向?qū)妷?，硅管的?dǎo)通電壓為0.6~0.8V，鍺管的導(dǎo)通電壓為0.1~0.3V。

2.反向特性

當(dāng)在二極管上加上反向電壓時(shí)，反向電流的值很小。當(dāng)反向電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏以后，反向電流不再隨著反向電壓的增大而增大，即達(dá)到了飽和，這個(gè)電流稱(chēng)為反向飽和電流，用符號(hào)IR表示。

3.反向擊穿特性

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。PN結(jié)熱擊穿后，電流很大，電壓又很高，消耗在PN結(jié)上的功率很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱，從而把PN結(jié)燒毀。熱擊穿是不可逆的，而電擊穿是可逆的。MNL4二極管的參數(shù)及特殊二極管

1.二極管的主要參數(shù)

電子器件的參數(shù)是其特性的定量描述，也是實(shí)際工作中選用器件的主要依據(jù)，各種器件的參數(shù)可由手冊(cè)查得。半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)有以下幾個(gè)。

(1)最大整流電流IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)管子的最大正向平均電流。IF的數(shù)值是由二極管允許的溫升所限定的。使用時(shí)，管子的平均電流不得超過(guò)此值，否則可能使二極管過(guò)熱而損壞。

(2)最高反向工作電壓UR：工作時(shí)，加在二極管兩端的反向電壓不得超過(guò)此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。

(3)反向電流IR：指室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過(guò)管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好，反向電流愈小，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦杂?。此外，由于反向電流是由少?shù)載流子形成的，因而IR受溫度的影響很大。(4)最高工作頻率fM：主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小，結(jié)電容愈小，則二極管允許的最高工作頻率愈低。

2.特殊二極管

1)發(fā)光二極管

在給發(fā)光二極管加上正向電壓后，電流可使PN結(jié)中的電子和空穴復(fù)合放出能量而發(fā)光。其波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料有關(guān)，發(fā)出紅、黃、綠光的主要以InGaAlP材料為主，而發(fā)出藍(lán)、綠光的則以InGaN材料為主。

發(fā)光二極管的外形及符號(hào)如圖5-1-10所示。圖5-1-10發(fā)光二極管的外形及符號(hào)

2)光電二極管

光電子器件的主要優(yōu)點(diǎn)有：抗干擾能力強(qiáng)，傳輸量大，損耗小；缺點(diǎn)有：光路復(fù)雜，信號(hào)的操作與調(diào)試需精心設(shè)計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在信號(hào)傳輸和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)，越來(lái)越多地有效應(yīng)用了光信號(hào)。光電二極管是光電子系統(tǒng)的電子器件。光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)類(lèi)似，管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。光電二極管的主要特點(diǎn)是，它的反向電流與照度成正比。其靈敏度的典型值為0.1mA/lx數(shù)量級(jí)。

3)變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管：結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的效應(yīng)顯著的二極管，最大電容和最小電容之比約為5∶1，其在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。

穩(wěn)壓二極管的相關(guān)內(nèi)容將在后面重點(diǎn)學(xué)習(xí)。

例5-1

電路如圖5-1-11(a)所示，已知ui=Umsinωt(V)，二極管為理想二極管，在輸入信號(hào)作用下，試畫(huà)出輸出電壓波形。

解在輸入信號(hào)為正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，等效電路如圖5-1-11(b)所示，因?yàn)槎O管是理想的，所以輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相同；在輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，二極管截止，等效電路如圖5-1-11(c)所示，輸出為零。輸出電壓波形如圖5-1-11(d)所示。圖5-1-11例5-1圖

例5-2

電路如圖5-1-12(a)所示，已知ui=12sinωt(V)，二極管為硅管，管壓降UD=0.7V，試畫(huà)出輸出電壓波形。

解二極管兩端電壓為UD=ui-U，UD>0.7V，即ui>5.7V，當(dāng)輸入信號(hào)為正半周且ui>5.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓uo+U=5.7V，如圖5-1-12(c)所示；當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周或ui≤5.7V時(shí)，二極管截止，如圖5-1-12(b)所示，輸出電壓uo=ui，如圖5-1-12(c)所示。圖5-1-12例5-2圖整流電路的作用是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將正弦交流電壓轉(zhuǎn)變成為單方向的脈動(dòng)電壓。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差得很遠(yuǎn)。常見(jiàn)的小功率整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡(jiǎn)單起見(jiàn)，把二極管當(dāng)作理想元件處理。P5M2整流電路的測(cè)試測(cè)試工作任務(wù)書(shū)MNL1單相橋式整流電路

1.單相橋式整流電路的工作原理

全波橋式整流電路如圖5-2-1所示，其中4個(gè)二極管接成電橋的形式，故有橋式整流之稱(chēng)。圖5-2-2所示為該電路的簡(jiǎn)化畫(huà)法。圖5-2-2全波橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫(huà)法設(shè)變壓器次級(jí)電壓u2=U2msinωt=

U2sinωt，其中U2m

為其幅值，U2為有效值。如圖5-2-3(a)所示，在電壓u2的正半周期，二極管VD1、VD3因受正向偏壓而導(dǎo)通，VD2、VD4因受反向電壓而截止；在電壓u2的負(fù)半周期，二極管VD2、VD4因受正向偏壓而導(dǎo)通，VD1、VD3因受反向電壓而截止。u2和UL的波形如圖5-2-3(b)所示。顯然，輸入電壓是雙極性的，而輸出電壓是單極性的，且是全波波形；輸出電壓與輸入電壓的幅值基本相等。圖5-2-3全波整流電路的波形

2.單相橋式整流電路參數(shù)的計(jì)算

由理論分析可得，輸出全波單向脈沖電壓的平均值即直流分量為

其紋波系數(shù)γ為

式中:ULγ為諧波(只有偶次諧波)電壓總有效值，其值應(yīng)為

由上面三式并通過(guò)計(jì)算可得γ≈0.48。由結(jié)果可見(jiàn)，全波整流電路的輸出電壓紋波比半波整流電路小得多，但仍然較大，故需用濾波電路來(lái)濾除紋波電壓。

3.單相橋式整流電路整流二極管的選擇

全波整流電路中二極管安全工作的條件如下:

(1)二極管的最大整流電流必須大于實(shí)際流過(guò)二極管的平均電流。由于4個(gè)二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此有

(2)二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM，即

UR＞URM=

U2

由圖可見(jiàn)，橋式整流電路無(wú)需采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達(dá)到全波整流的目的。而且，整流二極管承受的反向電壓也不高，但是電路中需用四個(gè)整流二極管。

例5-3

橋式整流電路如圖5-2-1所示，Uo＝15V，RL

＝100Ω，請(qǐng)選擇二極管。

解因?yàn)?/p>

Uo(AV)≈0.9U2

輸出直流電流為

整流二極管的正向平均電流為

二極管承受的最大反向電壓為

脈動(dòng)系數(shù)為

S=0.67無(wú)論哪種整流電路，它們的輸出電壓都含有較大的脈動(dòng)成分，除了在一些特殊場(chǎng)合可以直接用做放大器的電源外，通常還要采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。這樣的措施就是濾波。電容和電感都是基本的濾波元件，利用它們?cè)诙O管導(dǎo)電時(shí)儲(chǔ)存的一部分能量，然后逐漸釋放出來(lái)，從而得到比較平滑的波形?；蛘邚牧硪唤嵌瓤?，電容和電感對(duì)于交流成分和直流成分反映出來(lái)的阻抗不同，如果把它們合理地安排在電路中，則可以達(dá)到降低交流成分、保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波的作用。所以，電容和電感是組成濾波電路的主要元件。P5M3濾波電路的測(cè)試測(cè)試工作任務(wù)書(shū)MNL1電容濾波

1.電容濾波電路

雖然全波整流的紋波系數(shù)相對(duì)于半波整流而言有很大改善，但與實(shí)際要求仍然相差較大，需采用濾波電路進(jìn)一步減小紋波。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。濾波電路種類(lèi)很多，首先介紹電容濾波電路。

電容濾波電路如圖5-3-1所示，由于市電(交流電)的頻率較低(50Hz)，因而電路中的電容C一般取值較大，約1000μF以上。

2.電容濾波電路的工作原理

設(shè)u2=U2msinωt=

U2sinωt，沒(méi)有接電容時(shí)，整流二極管VD1、VD3在u2的正半周導(dǎo)電，負(fù)半周時(shí)VD2、VD4導(dǎo)電。并聯(lián)電容以后，在u2的正半周，當(dāng)二極管VD1、VD3

導(dǎo)電時(shí)，由圖5-3-1可見(jiàn)，除了有一個(gè)電流io流向負(fù)載外，同時(shí)還有一個(gè)電流iC向電容充電，電容電壓uC的極性為上正下負(fù)。如果忽略二極管的內(nèi)阻，則在二極管導(dǎo)通時(shí)，uC等于變壓器副邊電壓u2。

u2達(dá)到最大值以后開(kāi)始下降，此時(shí)電容上的電壓uC也將由于放電而逐漸下降，當(dāng)u2<uC時(shí)，二極管VD1、VD3被反向偏置，因而不導(dǎo)電，于是uC以一定的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下一個(gè)半周，當(dāng)|u2|>uC時(shí)，二極管VD2、VD4導(dǎo)通。輸出電壓uo的波形如圖5-3-2中實(shí)線(xiàn)所示。圖5-3-2電容濾波后的輸出電壓波形

3.電容濾波電路中電容C和負(fù)載電阻RL變化對(duì)輸出電壓的作用

電容C和負(fù)載電阻RL變化對(duì)輸出電壓的作用如下:

(1)RLC越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取

RLC≥(3～5)

式中，T為交流電源電壓的周期。

(2)RL越小，輸出電壓越小。若C值一定，則當(dāng)RL→∞，即空載時(shí)，有

ULo=

U2≈1.4U2

當(dāng)C=0，即無(wú)電容時(shí)，有

ULo≈0.9U2

當(dāng)整流電路的內(nèi)阻不太大(幾歐姆)且電阻RL和電容C取值合理時(shí)，有

ULo≈(1.1～1.2)U2

例5-4

橋式整流電容濾波電路，濾波電容C=220μF，RL=1.5kΩ。問(wèn)：(1)要求輸出電壓Uo＝12V，則U2需多大？(2)若該電路電容C值增大，則Uo是否變化？(3)改變RL對(duì)Uo有無(wú)影響？RL增大時(shí)Uo如何變化？

解

(1)

Uo=1.2U2

(2)C值增大，電容放電速度變慢，Uo增大。

(3)RL值增大，電容放電速度變慢，Uo增大。測(cè)試工作任務(wù)書(shū)MNL2電感濾波

1.電感濾波電路

電感濾波電路如圖5-3-3所示，由于市電(交流電)的頻率較低(50Hz)，因而電路中電感L一般取值較大，約幾亨以上

2.電感濾波電路的工作原理

3.電感濾波電路中的注意事項(xiàng)

(1)L越大、RL越小，輸出電壓紋波越小。

(2)忽略電感內(nèi)阻時(shí)，ULo=0.9U2(理論值)。

(3)電感濾波適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。

(4)工頻電感體積大，重量重，價(jià)格高，損耗大，電磁輻射強(qiáng)，因此一般少用。

此外，為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的紋波，電感后面可再接一電容而構(gòu)成倒L型濾波電路或采用π型濾波電路，分別如圖5-3-4和圖5-3-5所示。圖5-3-4倒L型濾波電路圖5-3-5π型濾波電路穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。由二極管的特性曲線(xiàn)可知，如果工作在反向擊穿區(qū)，則當(dāng)反向電流的變化量ΔI較大時(shí)，管子兩端相應(yīng)的電壓變化量ΔU卻很小，說(shuō)明其具有穩(wěn)壓的特性，利用這種特性可以做成穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。P5M4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的測(cè)試測(cè)試工作任務(wù)書(shū)MNL1穩(wěn)壓管

1.穩(wěn)壓管的伏安特性

穩(wěn)壓管的伏安特性如圖5-4-4所示。

2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)定電壓UZ是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化，因此測(cè)試UZ時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。圖5-4-4穩(wěn)壓管的伏安特性不同型號(hào)的穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓的值不同。對(duì)于同一型號(hào)的穩(wěn)壓管，由于制造工藝的分散性，各種不同管子的UZ

值也有些差別。

(2)穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流。若工作電流低于IZ，則管子的穩(wěn)壓性能變差；若工作電流高于IZ，則只要不超過(guò)額定功耗，穩(wěn)壓管可以正常工作。

(3)動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ：指穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比，即

穩(wěn)壓管的rZ值愈小愈好。對(duì)于同一個(gè)穩(wěn)壓管，一般工作電流愈大時(shí)，rZ值愈小。

(4)電壓的溫度系數(shù)αU：表示當(dāng)穩(wěn)壓管的電流保持不變時(shí)，環(huán)境溫度每變化1℃所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定電壓大于7V的穩(wěn)壓管，其αU為正值;穩(wěn)定電壓小于4V的穩(wěn)壓管，其αU為負(fù)值;而穩(wěn)定電壓在4~7V之間的穩(wěn)壓管，αU的值比較小，說(shuō)明其穩(wěn)定電壓受溫度的影響較小，性能比較穩(wěn)定。

(5)額定功耗PZ：由于穩(wěn)壓管兩端加有電壓UZ，而管子中又流過(guò)一定的電流，因此要消耗一定的功率。這部分功耗將轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。額定功耗PZ決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。有的手冊(cè)上還會(huì)給出最大穩(wěn)定電流IZM。

使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：首先，應(yīng)給穩(wěn)壓管加反向偏置，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，如圖5-4-4所示；其次，穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因而可使輸出電壓比較穩(wěn)定；最后，必須限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ，使其不超過(guò)規(guī)定值，以免過(guò)熱而燒毀管子。MNL2并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理

濾波后的輸出電壓即使紋波很小，仍然存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載RL變化或電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓也要隨之改變。因此，絕大多數(shù)直流電源都必須采用穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。簡(jiǎn)單穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖5-4-1所示。電路中，R為限流電阻，VDZ為穩(wěn)壓二極管，由圖知：Ui=UR+Uo、IR=IZ+IL。穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)，管子兩端的電壓基本穩(wěn)定在UZ。

(1)當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)(RL不變)：

(2)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)(Ui不變):穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的原理，實(shí)際上是利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)電流可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)而擊穿電壓卻基本不變的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸入電流將隨之變化，穩(wěn)壓管中的電流也將隨之同步變化，結(jié)果輸出電壓基本不變；當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出電流將隨之變化，但穩(wěn)壓管中的電流卻隨之反向變化，結(jié)果仍是輸出電壓基本不變。

顯然，穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線(xiàn)越陡峭，穩(wěn)壓特性就越好。通常用rZ表示其反向擊穿后的微變等效電阻，rZ約幾歐姆。

2.限流電阻R的選擇

下面討論R的取值范圍。參見(jiàn)圖5-4-1，設(shè)為保證穩(wěn)壓作用所需的流過(guò)穩(wěn)壓二極管的最小電流為IZmin，為防止電流過(guò)大而造成損壞所容許的流過(guò)穩(wěn)壓二極管的最大電流為IZmax，即要求IZmin＜IZ＜IZmax。當(dāng)Ui最大和RL開(kāi)路時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時(shí)應(yīng)有R≥；當(dāng)Ui最小(不小于UZ)和RL最小(不允許短路)時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時(shí)應(yīng)有R≤，即

一般來(lái)說(shuō)，在穩(wěn)壓二極管安全工作的條件下，R應(yīng)盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。

例5-5

已知如圖5-4-5所示電路中穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V，最小穩(wěn)定電流IZmin＝5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax＝25mA。

(1)分別計(jì)算Ui為10V、15V、35V三種情況下輸出電壓Uo的值；

(2)若Ui＝35V時(shí)負(fù)載開(kāi)路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象?為什么？圖5-4-5例5-5圖

解

(1)當(dāng)Ui＝10V時(shí)，若Uo＝UZ＝6V，則穩(wěn)壓管的電流為4mA，小于其最小穩(wěn)定電流，所以穩(wěn)壓管未擊穿，故

當(dāng)Ui＝15V時(shí)，穩(wěn)壓管中的電流大于最小穩(wěn)定電流IZmin，所以

Uo＝UZ＝6V

同理，當(dāng)Ui＝35V時(shí)，Uo＝UZ＝6V。

(2)

=29mA＞IZM＝25mA，穩(wěn)壓管將因功耗過(guò)大而損壞。P5M5簡(jiǎn)單直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)工作任務(wù)書(shū)

1.如需將PN結(jié)處于正向偏置，應(yīng)如何確定外接電壓的極性？若PN結(jié)處于反向偏置，則耗盡區(qū)的寬度是增加還是減少？為什么？結(jié)電位發(fā)生什么變化？

2.PN結(jié)兩端存在內(nèi)建電位差，若將PN結(jié)短路，問(wèn)有無(wú)電流流過(guò)？

3.比較硅、鍺兩種二極管的性能。在工程實(shí)踐中，為什么硅二極管應(yīng)用得較普遍？

思考與練習(xí)

4.如何用萬(wàn)用表的歐姆擋來(lái)辨別一只二極管的陽(yáng)、陰兩極？(提示：模擬萬(wàn)用表的黑筆接表內(nèi)直流電源的正端，而紅筆接負(fù)端。)

5.二極管電路如題圖5-1所示，試判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出AO兩端電壓UAO