电工电子学第二版第六章.ppt

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1、电工电子学,第 六 章整流、滤波及稳压电路,主讲教师：龚军EAIL：,第六章 整流、滤波及稳压电路,本章内容,1.PN结的单向导电性,3.稳压二极管管的稳压原理,本章重点：,2.二极管的伏安特性,4.二极管的整流、滤波电路工作原理,单相桥式整流电路,u2的正半周 AD1RLD3B，uO=u2,u2的负半周 B D2RLD4 A，uO=-u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,（1）工作原理,若接反了呢？,1、工作原理,电容滤波电路,u2 正半周，D1、D3导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC 增加，uo=uC。（oa段）,uo,t,O,a,ucu2，D1、D3截止

2、，电容C通过RL放电，uo=uC。（ab段）,b,注：放电的快慢取决于=RLC，愈大，放电愈慢，输出电压愈平缓,u2 负半周，u2uc D2、D4导通，电源又给电容充电，uC 增加，uo=uC。（bc段）,c,u,Uo,+,+,稳压管稳压电路,R,C,+,Ui,DZ,+,稳压管稳压电路,稳压管工作在反向击穿区,由于两端电压不变，与负载并联 起到稳定负载电压作用,限制电流,实验内容,实验电路图,10uF,220V,17V,C2,D2,D1,D3,D4,C1,470uF,7805,RL,稳压,将7805接入电路，观察记录输出波形并记录在表,6-1 半导体的导电特性,知识准备：,物质按导电性能划分：

3、导体、绝缘体和半导体。,导体：一般是低价元素，如铜、铁、铝等金属,在外电场的作用下自由电子定向流动形成了电流。,导体具有较好的导电性。,绝缘体：一般为高价元素，如橡胶、塑料、惰性气体,绝缘体导电性差。,物质的导电性能取决于：原子结构，最外层电子数目越 少，导电性就越强。,6-1 半导体的导电特性,6-1-1 本征半导体,1、半导体导电特性 半导体：导电性 介于导体和绝缘体之间。典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,(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

4、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,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,2 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，自由电子和空穴成对出

5、现。,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）称为复合运动。,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)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)常温下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。（3）相同条件下，本征半导体较一般半导体导电性弱很多。,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

6、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。,6-1-2 N型半导体和P型半导体（掺杂半导体）,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,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成掺杂半导体。因掺的的杂质不同分为：N型半导体和P型半导体。,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。掺入P元素越多，导电性越强。,6-1-2 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

7、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,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,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。,6-1-3 PN结的形成及其单向导电性,扩散运动：物质总是从浓度高度地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动,气体,液体,固体,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。,PN结的形成原理：,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,空间电荷区称为 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空

8、间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,注：PN结的结电容很小,P接正、N接负,IF,（三）PN结,2、PN结的单向导电性（1）PN结外加正向电压,PN结正偏,IR,P接负、N接正,（2）PN结外加反向电压,PN结反偏,总结：,结单向导电性,（一）基本结构和分类,6-2 半导体二极管,符号：P+,_N,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,思考：,1、N型半导体和P型半导体的多数载流子和少数载流子分别是什么？它们的浓度与什么有关？,2、P型半导体是否带正电？N型半导体是否带负电？,3、PN结如何形成？它为什么具有单向导电性？,（二）伏安特性,二极管阳极与阴极之间的电压与流过电流之间的关

9、系曲线,通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为二极管正偏则导通，反偏则截止单向导电性,B,硅,正向：OA段（死区）硅管约0.5V，锗管约0.2V(死区电压）正向导通：硅管约0.7V，锗管约0.3V（导通电压或称管降）理想状态认为管降为0V,反向：OB段（截止区）I近似为0击穿区 管子被击穿，UB反向击穿电压,o,（三）主要参数,1.最大整流电流 IDM,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UDRM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UB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

10、.反向峰值电流IDRM,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，IDRM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。,二极管在电子技术中有广泛的用途。,整流,（四）二极管的应用,利用其单向导通特性，可以实现以下电路：,限幅,实现逻辑电路,检波,将交流电转化成直流电,限制输出信号的幅度,实现逻辑运算（钳位）,将调波信号的语音信号取出来,保护电路或在数字电路中作开关元件,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若考虑管降，UAB低于6

11、V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：二极管的钳位作用,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。,在这里，二极管起钳位作用。,（四）二极管的应用,1、二极管电路分析：先判断二极管的工作状态,导通截止,若 V阳 V阴或 UD为正，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，二极管相当于导线；反向截止时二极管相当于开路。,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。,总结：,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

12、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:,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。,例2：“与”逻辑:,当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位VY。,理想二极管：VY=VB=0V,UDB UDA DB 优先导通，DA截止。,锗二极管：VY=VB+UD=0.3V,硅二极管：VY=VB+UD=0.7V,UDA UDB DA 优先导通，DB截止。,理想二极管：VY=VA=3V,锗二极管：VY=VA-UD=2.7V,硅二极管：VY=VA-U

13、D=2.3V,3V,均导通,DB导通,DA导通,均导通,当输入均为同3V时，输出才为3V,当输入有一为0V时，输出为0V,实现了“与”门逻辑,2、多个二极管连接：,若 共阴极，阳级最高一个先导通若 共阳级，阴级最低一个先导通,先导通的一个二极管起嵌位作用。,总结：,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限幅作用：,参考点,二极管阴极电位为 8 V,L,R,+,UL,例5二极管保护电路：,+,US,S,D,1.符号,UZ,IZmin,IZmax,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作

14、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。,6-3 稳压二极管,稳压原理：,RL,2、RL(Ui不变）,RL,+,-,IR,IDZ,IL,Ui=UR+Uo,UZ=Uo,IR=IDZ+IL,Uo（UZ）,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。,(5)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,(2)稳定电流 IZ，IZmin IZ IZmax,(4)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZMax,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,例 1 稳压二

15、极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui 分别为 直流10 V、3 V、-5V时，求输出电压UO；若 ui=10sin tV，试画出 uo 的波形。,解：,Ui=10V：,DZ 工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5V,Ui=3V：,DZ 反向截止，UO=Ui=3V,Ui=-5V：,DZ 工作在正向导通状态，UO=0V,ui=10sintV：,ui正半周，当ui UZ，DZ 反向击穿，uO=5V,当ui UZ，DZ 反向截止，uO=ui,ui负半周，DZ 正向导通，uO=0V,5V,电路如下图所示，设稳压二极管DZ1和DZ2的稳定工作电压分别为 5V和10V，求电路的输出电压

16、UO，判断稳压二极管所处的工作状态。稳压二极管正向电压为0.7V。,上节复习,+,R,Uo,25V,+,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,6-4 整流、滤波及稳压电路,小功率直流稳压电源的组成,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,6-4-1 整流电路,分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。,u2 正半周，VaVb，D导通，uo=u2,u2 负半周，Va Vb，D 截止，u

17、o=0,二极管起整流作用,6-4 整流、滤波及稳压电路,6-4-1-1 单相半波整流电路,整流电流的平均值：,流过二极管的正向电流的平均值,IoIDM,选管条件之一,二极管UDRM=,uD=u2-uo,u2 负半周，D 截止，承受反向电压,为了使用安全，选择二极管时，反向工作峰值电压要比UDRM 大一倍左右。,选管条件之二,如图所示的单相半波整流电路，负载RL=500，变压器副边电压有效值U2=10V，求UO、Io及UDRM并选用适合二极管。,选管时应满足：IDM Io，URWM UDRM,查附录二。可选择2AP2（16mA，30V）,单相半波整流电路特点：,结构简单,输出电压低脉动大，变压器

18、使用效率低,用于小电流、脉动要求不严格的电路,6-4-1-2 单相桥式整流电路,u2的正半周 AD1RLD3B，uO=u2,u2的负半周 B D2RLD4 A，uO=-u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,（1）工作原理,若接反了呢？,（二）数量关系,1、负载直流电压平均值,2、负载直流电流平均值,3、变压器副方电流有效值I2,根据输出电压数值来决定变压器副边电压的有效值。,副边电压和电流的有效值是选择变压器的重要依据。,4、流过每管的电流平均值ID,5、每管承受的最高反向电压UDRM,同半波整流一样，选管时应满足：IDM ID，URWM UDRM,例2:如图所示的单相桥式整

19、流电路，要求输出直流电压Uo为12V，电流Io为10mA，试选择二极管并确定变压器副边电压和电流的有效值。,查附录二。可选择2CP11（100mA，50V）,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。,6-4-2 滤波电路,1、工作原理,6-4-2-1 电容滤波电路,u2 正半周，D1、D3导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC 增加，uo=uC

20、。（oa段）,uo,t,O,a,ucu2，D1、D3截止，电容C通过RL放电，uo=uC。（ab段）,b,注：放电的快慢取决于=RLC，愈大，放电愈慢，输出电压愈平缓,u2 负半周，u2uc D2、D4导通，电源又给电容充电，uC 增加，uo=uC。（bc段）,c,2.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）,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

21、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：IDM=（2-3）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。,1.电路结构,L,u,RL,uo,+,+,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。对交流分量: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。,电感滤波适合于电流较大

22、、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,6-4-2-2 电感滤波电路,6-4-3稳压电路,虽然经过整流、滤波后，输出是较为平滑的直流,但负载变化、电源波动，输出电压就会随之变化,因此需要稳压,稳压电路两种形式：,1、稳压管稳压电路（并联型稳压电路）,2、集成稳压电路（串联型稳压电路）,u,Uo,+,+,1、稳压管稳压电路,R,C,+,Ui,DZ,+,稳压管稳压电路,稳压管工作在反向击穿区,由于两端电压不变，与负载并联 起到稳定负载电压作用,限制电流,稳压原理：,RL,2、RL(Ui不变）,RL,+,-,IR,IDZ,IL,Ui=UR+Uo,UZ=Uo,IR=IDZ+IL,Uo（UZ）,1、稳压管稳压电路,u,Uo,+,+,1、稳压管稳压电路,R,C,+,Ui,DZ,+,稳压管稳压电路的不足,输出电压由稳压管决定，不能随意调节,稳压管功率有限，当负载电流变化较大时，不能适应,因此，使用串联型稳压电路,1.PN结的特性,3.稳压管的稳压原理,本章小结,2.二极管的应用,4.整流、滤波原理,