1、,非电类技术基础课程,电工电子学A2 -电子技术 28+12学时,电工电子教学基地 万利,一、电子技术简介,电子技术：研究电子器件、电子电路及其应用的 的技术基础课程。,二、课程内容,任务：掌握电子技术方面的基本知识、基本理论、基本技能。,重点：,电子器件的外特性及其基本应用,基本电子电路的结构、工作原理、分析方法,特点：,内容庞杂,技术术语、基本概念、电路种类比较多,入门难,方法：,注重物理概念的理解,采用工程的观点,掌握实际工程分析方法估算法,重视实验技术,三、教学安排,1、时间：,理论教学：1-7（周一、周四 28学时）,2、参考资料,3、考试方式及成绩评定,电工学（第6版）（高等教育出
2、版社）秦曾煌 电子技术（科学出版社） 史仪凯,期末考试（70%）+平时成绩（30%作业+考勤+课堂互动+实验）,第六章整流、滤波及稳压电路,2013 年 2月,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,6-1 半导体的导电特性,知识准备：,物质按导电性能划分：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
3、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
4、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
5、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
6、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。,对同一块半导体，一端掺入受主杂质，成为P型半导体；另一端掺入施主杂质，成为N型半导体
7、，这两种杂质半导体紧密地结合在一起。于是在接触面便形成一个PN结。,6-1-3 PN结的形成及其单向导电性,扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动,气体,液体,固体,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,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,I
8、R,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。,上节复习,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
9、.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. 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。
10、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,当输入信号电压在一定范围内时，输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超过该范围时，输出电压保持不变,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 VV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6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：二极管的钳位
11、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阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =
12、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 -
13、 UD = 2.7V,硅二极管：VY = VA - UD = 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钳位作用。,总结：,3V,上节复习,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8Vui 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
14、,1. 符号,UZ,IZmin,IZmax, 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。,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 IZma
15、x,(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
16、截止，uO = ui,ui负半周，DZ 正向导通，uO = 0V,5V,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: 将交流电压转变为单向脉动的直流电压。,常见的整流电路：半波、全波、桥式和倍压整流。单相桥式整流电路用得最普遍。,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，uo = 0,
17、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，变压器使
18、用效率低,用于小电流、脉动要求不严格的电路,（一）电路及工作原理,6-4-1-2 单相桥式整流电路,（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，5
19、0V）,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 。（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
20、，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,1.2U,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
21、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、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,桥式整流和
22、单相半波整流电路相比，在变压器 副边电压相同的条件下， 电路的输出电压 平均值高了一倍；若输出电流相同，就每个整 流二极管而言，则 电路的整流平均电流大 了一倍。,上节复习,若变压器副边电压有效值为U2，每个整流管的反向 峰值电压为UDRM，则桥式整流电路的UDRM ， 半波整流电路的UDRM 。,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,
