晶体二极管与整流电路.ppt
(1-1),电子技术,第五章晶体二极管与整流电路,-模拟电路部分,(1-2),第五章 晶体二极管与整流电路,5.1 N型半导体和P型半导体 5.2 PN 结 5.3 晶体二极管 5.4 单相整流和滤波电路 5.5 硅稳压管与稳压电路,(1-3),5.1 N型半导体和P型半导体,导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,(1-4),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,(1-5),本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,(1-6),本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,(1-7),硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1-8),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(1-9),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,(1-10),自由电子,空穴,束缚电子,(1-11),2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,(1-12),温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,(1-13),杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,(1-14),一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,(1-15),多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,(1-16),二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,(1-17),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,(1-18),5.2 PN结,PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,(1-19),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-20),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(1-21),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(1-22),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,(1-23),PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N 区加正电压。,(1-24),一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-25),二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,(1-26),5.3 晶体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,(1-27),二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,(1-28),三、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.反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,(1-29),3.反向电流 IR,指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,(1-30),4.微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,(1-31),5.二极管的极间电容(补充),二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,(1-32),CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,(1-33),二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,(1-34),二极管的应用举例2：,(1-35),特殊二极管(补充),稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,(1-36),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,(1-37),稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,(1-38),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,(1-39),光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,(1-40),发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,(1-41),整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。,5.4 单相整流和滤波电路,常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,(1-42),(4)输出电压平均值（Uo）：,(1)输出电压波形：,(3)二极管上承受的最高电压：,(2)二极管上的平均电流：,ID=IL,(1-43),单相半波整流电路的工作原理,u2 0 时，二极管导通。,忽略二极管正向压降：uo=u2,u20时，二极管截止,输出电流为0。,uo=0,(1-44),单相全波整流电路的工作原理,(4)uo平均值Uo：,Uo=0.9U2,(1)输出电压波形：,(2)二极管上承受的最高电压：,(3)二极管上的平均电流：,(1-45),单相桥式整流电路的工作原理,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,(1-46),桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,(1-47),u20 时,D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3B,u20 时,D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形,(1-48),几种常见的硅整流桥外形：,(1-49),整流电路的主要参数,1.整流输出电压平均值（Uo）,全波整流时，负载电压 Uo的平均值为:,负载上的(平均)电流:,一、整流输出电压的平均值与脉动系数,整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。,(1-50),S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比。,2.脉动系数,用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:,(1-51),平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。,例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电流的一半。,二极管截止时两端承受的最大反向电压：,二、平均电流与反向峰值电压,(1-52),滤波电路,滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。,交流电压,脉动直流电压,直流电压,原理：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。,(1-53),电容滤波电路,以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,一、滤波原理,(1-54),1.RL未接入时(忽略整流电路内阻),充电结束,没有电容时的输出波形,(1-55),2.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻),电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。,(1-56),只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。,整流电路的输出电流iD,可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。,(1-57),电容充电时，电容电压滞后于u2。,RLC越小，输出电压越低。,3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻),(1-58),(2)流过二极管瞬时电流很大。,RLC 越大 Uo越高 负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大,故一般选管时，取,二、电容滤波电路的特点,(1)输出电压 Uo与放电时间常数 RLC 有关。,RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(平均值)愈大,(1-59),输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变,Uo 和S 也随之改变。,如:RL 愈小(IL 越大),Uo下降多,S 增大。,结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。,(3)输出特性(外特性),(1-60),电感滤波（补充）,电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。,(1-61),一、滤波原理,对直流分量:XL=0 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XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。,Uo=0.9U2,当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：,(1-62),二、电感滤波的特点,整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。,(1-63),其他形式的滤波电路(补充）,改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：,L-C 型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。,RC 型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。,性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。,LC 型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C 型滤波电路。,(1-64),一、RC 型滤波电路,设uo1的直流分量为UO，交流分量的基波的幅值为UO1m，则：,uo的直流分量：,(1-65),uo的交流分量的基波的幅值：,(1-66),通常选择滤波元件的参数使得：,uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S的关系：,(1-67),二、L-C 型滤波电路,设uo1的直流分量为UO，交流分量的基波的幅值为UO1m，：,(1-68),通常选择滤波元件的参数使得：,uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S的关系：,(1-69),三、LC 型滤波电路,显然，LC 型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。,(1-70),*倍压整流电路的工作原理（补充）,一、二倍压整流电路,u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：,u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：,负载上的电压：,(1-71),二、多倍压整流电路,u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：,u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：,(1-72),u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：,u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：,把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。,(1-73),5.5 硅稳压管与稳压电路,稳压管,稳压电路,开关型,稳压电路,线性,稳压电路,常用稳压电路,(小功率设备),以下主要讨论线性稳压电路。,电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。,效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。,(1-74),*串联反馈式稳压电路(补充),一、电路结构的一般形式,1.串联式直流稳压电路的基本形式,负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。,实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE。但带负载的能力比稳压管强。,(1-75),两个主要缺点：,(1)稳压效果不好。,Uo=UZ UBE,(2)输出电压不可调。,改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。,(1-76),串联式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。,2.具有放大环节的串联型稳压电路,(1-77),调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。,比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。,基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。,(1-78),因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。,(1-79),一种实际的串联式稳压电源,二、稳压原理,当 UI 增加或输出电流减小使 Uo升高时,(1-80),三、输出电压的确定和调节范围,(1-81),四、影响稳压特性的主要因素,2.流过稳压管的电压随 UI 波动，使UZ 不稳定，降低了稳压精度。,1.电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：UIVC2 Uo,3.温度变化时，T2组成的放大电路产生零点漂移，时输出电压的稳定度变差。,(1-82),五、改进措施,在运放理想条件下:,1.选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。,(1-83),采用辅助电源(比较放大部分的电源)。用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。,(1-84),*六、过流保护 为避免使用中因某种原因输出短路或过载致使调整管流过很大的电流，使之烧坏故需有快速保护措施。常见保护电路有两类,1.限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至于过大。,当IL不超过额定值时，T1截止；当IL超过额定值时，T1导通，其集电极从T1的基极分流。,R为一小电阻，用于检测负载电流。,(1-85),2.截流型:过流时使调整管截止或接近截止。,输出电流在额定值以内时：,三极管T2截止，这时，电压负反馈保证电路正常工作。,UO,U+,UO,UB1,(1-86),输出电流超出额定值时：,因输出电压降低，三极管T2逐渐导通，U+，稳压管截止，电压负反馈被切断。这样,U+,UB1,UC1(=UO),UB2,IC2,U+,最终UO降低到零。,(1-87),七、串联反馈式稳压电路缺点,损耗(P=UCE IL)大电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低,为了提高效率，可采用开关型稳压电源。,调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:,(1-88),稳压电路的主要性能指标,一、稳压系数 S,稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。,二、输出电阻Ro,输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。,(1-89),集成稳压电源,随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，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。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,(1-90),1端:输入端2端:公共端3端:输出端,W7800系列稳压器外形,1端:公共端2端:输入端3端:输出端,W7900系列稳压器外形,(1-91),注：型号后XX两位数字代表输出电压值,输出电压额定电压值有:,5V、9V、12V、18V、24V等。,三端集成稳压器,集成稳压电源的分类,(1-92),一、输出为固定电压的电路,应用电路,输出为固定正压时的接法如图所示。,注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！,(1-93),二、输出正负电压的电路,(1-94),UXX:为W78XX固定输出电压 UO=UXX+UZ,三、提高输出电压的电路,(1-95),四、输出电压可调式电路,用三端稳压器也可以实现输出电压可调，下图是用W7805组成的730V可调式稳压电源。,W7805,(1-96),(UXX=5V),运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低，可以克服稳压器受输出电流变化的影响。,Uo1,(1-97),第五章结束,
