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1、第9章 半导体二极管和直流稳压电源,9.3 二极管整流电路,9.4 滤波电路,9.5 稳压管和稳压电路,9.2 PN结和半导体二极管,9.1 半导体的导电特性,本章要求：1.理解PN结的单向导电性，了解二极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；2.理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及 参数的计算;3.了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作 原理;4.了解集成稳压电路的性能及应用。,第9章 半导体二极管和直流稳压电源,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只
2、要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,9.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,
3、本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1
4、)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导
5、体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b
6、,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,9.2 PN结和半导体二极管,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,9.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加
7、正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,9.2.3 半导体二极管,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电
8、路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,9.2.3.1 基本结构,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,9.2.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,9.2.3.3 主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿
9、而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿
10、电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，
11、断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二
12、极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,9
13、.3二极管整流电路,小功率直流稳压电源的组成,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,整流电路,整流电路的作用:将交流电压转变为脉动的直流电压。,常见的整流电路：半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理：利用二极管的单向导电性,9.3.1.1 单相半波整流电路,2.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管D导通；,3.工作波形,u 负半周，Va Vb，二极管D 截止。,1.电路结构,动画,4.参数计算,(1)整流电压平均值 Uo,(2)整流电流平均值 Io,(3)流过每管电流平均值 ID,(4
14、)每管承受的最高反向电压 UDRM,(5)变压器副边电流有效值 I,5.整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足：IOM ID，URWM UDRM,半波整流电路的优点：结构简单，使用的元件少。,缺点：只利用了电源的半个周期，所以电源利用率低，输出的直流成分比较低；输出波形的脉动大；变压器电流含有直流成分，容易饱和。故半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。,9.3.1.2 单相桥式整流电路,2.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。,3.工作波形,uD2uD4,1.电路结构,9.3.1.2
15、单相桥式整流电路,2.工作原理,3.工作波形,uD2uD4,1.电路结构,u 正半周，VaVb，二极管 1、3 导通，2、4 截止。,u 负半周，VaVb，二极管 2、4 导通，1、3 截止。,uD1uD3,4.参数计算,(1)整流电压平均值 Uo,(2)整流电流平均值 Io,(3)流过每管电流平均值 ID,(4)每管承受的最高反向电压 UDRM,(5)变压器副边电流有效值 I,(1)输出直流电压高；(2)脉动较小；(3)二极管承受的最大反向电压较低；(4)电源变压器得到充分利用。,目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接
16、线，提高了可靠性，使用起来非常方便。,桥式整流电路的优点：,解：变压器副边电压有效值,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻 RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,流过每只二极管电流平均值,每只二极管承受的最高反向电压,整流电流的平均值,考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出 5%10%，即取,U=1.1 111 122 V,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I=1.11 Io=2 1.11=2.2 A,
17、变压器副边电流有效值,变压器容量 S=U I=122 2.2=207.8 V A,变压器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,例2：,试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。,如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电
18、流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。,9.4 滤波器,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。,9.4.1 电容滤波器 1.电路结构,2.工作原理,u uC时，二极管导通，电源在给负载
19、RL供电的同时也给电容充电，uC 增加，uo=uC。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放电，uC按指数规律下降，uo=uC。,=uC,3.工作波形,二极管承受的最高反向电压为。,4.电容滤波电路的特点,(T 电源电压的周期),(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算取：Uo=1.2 U(桥式、全波）Uo=1.0 U（半波）,当负载RL 开路时，UO,为了得到比较平直的输出电压,(2)外特性曲线,有电容滤波,1.4U,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较
20、差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3)流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取：IOM=2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,解：1.选择整流二极管,可选用二极管2CP11,IOM=100mA URWM=50V,例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL=
21、200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,取 RLC=5 T/2,已知RL=50,解：2.选择滤波电容器,可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,9.4.2 电感电容滤波器,1.电路结构,2.滤波原理,对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f 越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,9.4.3 形滤波器,形 LC 滤波器,滤波效果比
22、LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。,形 RC 滤波器,R 愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,9.5 稳压管和稳压电路,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,9.5.1 稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZ IR=IO+
23、IZ,RL(IO)IR,设UI一定，负载RL变化,UO(UZ),IZ,1.电路,限流调压,稳压电路,9.5.1 稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZ IR=IO+IZ,UI UZ,设负载RL一定，UI 变化,IZ,IR,1.电路,3.参数的选择,(1)UZ=UO(2)IZM=(1.5 3)ICM(3)UI=(2 3)UO,(4),为保证稳压管安全工作,为保证稳压管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,9.5.2 恒压源,由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。,反相输入恒压源,同相输入恒压源,改变 RF 即可调节恒压源的输出电压。,9.5.3 串联型稳压电路
24、,1.电路结构,串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。,调整元件,比较放大,基准电压,取样电路,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程：,2.稳压过程,由电路图可知,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,3.输出电压及调节范围,输出电压,9.5.4 集成稳压电源,单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。,1.分类,XX两位数字为输出电压值,（1.25 37 V 连续可调）,2.外形及引脚功能
25、,W7800系列稳压器外形,W7900系列稳压器外形,塑料封装,3.性能特点（7800、7900系列）,输出电流超过 1.5 A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为 4%,输出电压额定值有:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。,4.主要参数,(1)电压调整率SU(稳压系数)反映当负载电流和环境温度不变时，电网电压波动对稳压电路的影响。,(2)电流调整率SI 反映当输入电压和环境温度不变时，输出电流变化时输出电压保持稳定的能力，即稳压电路的带负载能力。,0.0050.02%,0.11.0%,(3)输出电压 UO,(6)最大输
26、入电压 UiM,(7)最大功耗 PM,(4)最大输出电流 IOM,(5)最小输入、输出电压差(Ui-UO)min,输出为固定正电压时的接法如图所示。,(1)输出为固定电压的电路,输入与输出之间的电压不得低于3V！,5.三端固定输出集成稳压器的应用,0.11F,1F,为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。,用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。,(2)同时输出正、负电压的电路,UXX:为W78XX固定输出电压UO=UXX+UZ,（3）提高输出电压的电路,IO=I2+IC,（4）提高输出电流的电路,当 IO较小时，UR较小，T截止，IC=0。,当 IO IOM时，UR较大，T导通，IO=IOM+IC,R 可由功率管 T的UBE和稳压器的IOM确定,即R UBE/IOM。,6.三端可调输出集成稳压器的应用,流过调整端电流 100 A，在要求不高的场合它在R2上的压降可以忽略,2、1两端电压为 1.25V 基准电压,
