1、第一章,直流电源电路,半导体二极管 整流电路 电源滤波电路 稳压二极管 稳压电路,一、PN结及其单向导电性,1、半导体的导电特性,半导体二极管,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导电特点。它的导电能力在不同条件下差别很大。,热敏性：环境温度升高时，导电能力增强很多。可以用于温度控制。作热敏元件。,光敏性：无光照时和绝缘体一样不导电，受光 照时导电能力变强。作光敏元件。,湿敏性：根据湿度不同导电性能改变，可以用于仓库的湿度控制、报警等。作湿敏元件。,1）导电能力随外界因素影响变化很大,利用这种特性，可以制造各种不同用途的半导体。,2）导电能力的可控性,掺入微量有用杂质，其
2、导电能力会发生 急剧变化。,可增加几十至几百万倍。,如：硅加入百万分之一的硼，其导电能力增加五十万倍。,2、 本征半导体,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）本征半导体的共价键结构,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,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,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。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
3、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。,2）本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,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。它们成双结对地出现，称为电子空穴对。,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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。,小结,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。,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
4、的导电能力取决于载流子的浓度。,（金属导体中只存在一种载流子，即自由电子）,3、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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,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，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个不受共价键束缚的价电子,在室温下获得的热能很容易使它挣脱原子核的引力而成为自由电子
5、。这样磷原子它失去一个价电子成为带一个电荷量的正离子，但不会产生空穴。与本征激发不同，正离子束缚在晶格中，不能象空穴那样起导电作用。 每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体,N型半导体中的载流子的组成：,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）。,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临
6、的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,空穴,P型半导体,硼原子,总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，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。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,3、多子的数量受杂质浓度影响；少子的数量主要受外界环境温度影响。,杂质半导体的示意表示法,1） 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
7、体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,4、PN结的形成及其单向导电性,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，内电场得到加强,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,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。,空间电荷区,N型区,P型区,PN结,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍多子（ P中的空穴、N中的电子）向对方扩散运动。,3、因为少子（ P中的电子和N中的空穴），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。,请注意,2）PN结的
8、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。,加正向偏压，导电（导通）,加反向偏压，不导电（截止）,当外加反向偏压后，外电场方向与内电场方向一致 ( 即，外加电压正端接N区, 负端接P区)，,PN结单向导电性：,当外加正向偏压时，外电场方向与内电场方向相反即，外加电压正端接P区，负端接N区)，,这种只有一种方向导电的现象称为PN结的单向导电性。,载流子更难通过，因而不能导电。,则内电场得到加强，空间电荷区加宽，,则内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，,载流子易于 通过，因而产生导电现象。,面接触
9、型,点接触型,二、 半导体二极管,1、基本结构,半导体二极管内部就是一个PN结，将其封装并接出两个引出端，从P区引出的端称为阳极（正极），从N区引出的端称为阴极（负极）。,它的电路符号如图：,半导体二极管用符号V表示，（也常用D表示）,根据PN结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导通电流。,二极管极性接错，轻则电路无法正常工作，重则烧坏二极管及电路中其他元件。,伏安特性是二极管上所加电压和流过管子电流之间的关系。,1）正向特性,外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为 “死区”。对应于二极管开始导通时的外加电压称为 “死区电压”。锗管约为0
10、.2V, 硅管约0.5V。,2）反向特性,外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流或漏电流。该电流受温度影响很大。,2、伏安特性,正常工作时，电流变电压基本维持不变，称为正向导通压降。硅管0.60.7V,锗管0.3V。,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.3V。,反向击穿电压UBR,3）击穿特性,外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种显现称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。 对应的电压称为击穿电压。,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
11、二极管的最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。,（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URWM一般是UBR的一半。,（3）反向电流 IRM,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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，下面介绍两个交流参数。,（4）微变电阻 rD,vD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变
12、化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,（5）二极管的极间电容,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。,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,二极管的应用是主要利用它的单向导电性， 起整流、限幅、保护等作用。,在实际电路分析、设计中，常使用二极管的电路模型：,（1）带导通电压的电路模型：,导通电压UD与二极管材料有关： 硅管为0.60.7V，锗管为0.20.3V,（2）忽略导通电压的电路模型（理想二极管）：,理想二极管应用电路实例,1、限幅电路,输入电压为一正弦波：,电池电压：E=4V,输出电压如图,当输入电压小
13、于电池电压时，二极管两端电压处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输出电压跟随输入电压变化。,当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为0，所以输出电压与电池电压相同，为4V。如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7V。,该电路的作用就是限制过高的输入电压。,仿真,理想二极管应用电路实例,2、或门电路,假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析输入信号VA，VB和输出信号VF的关系：,VA,VB,VF,D2,D1,3V,3V,3V,3V,0V,0V,0V,0V,导通,导通,导通,导通,导通,导通,截止,截止,3V,0V,3V,3V,如果定义 3
14、V电平为逻辑 1，0V电平为逻辑 0，则，该电路实现逻辑“或”的功能：,VF=VA+VB,共阴极接法：阳极电位高的优先导通。,共阳极接法：阴极电位低的优先导通。,仿真,例：,1）当,解：,D1管截止，D2管导通。u 0 = -5V,2）当,D1管截止，D2管截止。u 0 = ui,3）当,D1管导通，D2管截止。u 0 = +5V,例：二极管的应用：,uo,电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。,滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。,稳压电路: 清除电网波动
15、及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。,直流稳压电源的组成和功能,整流电路的任务 是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、桥式和倍压、全波整流等。下面主要介绍前两种。 为分析简单起见，我们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。,整流电路,一、 单相半波整流电路,u20时，二极管导通。,二极管导通,忽略二极管正向压降： u0=u2,输出电压波形：,1、工作原理,u20时，二极管截止,输出电流为0。,二极管截止,u0=0,输出电压波形：,1、工作原理,一、 单相半波整流电路,输出电压大小,输出电压平均值（U0）：,输出电压波形：,注
16、意：直流电均用平均值表示。,2、主要数值,二极管上承受的最高电压：,二极管上的平均电流：,ID=I0,二极管上电压波形：,输出电流平均值（I0）：,Io= Uo/RL= 0.45U2/RL,变压器副边电流有效值（I2）：,二、 单相桥式整流电路的工作原理,+,-,u2正半周时电流通路,同极性端接负载,（共阴极接正，共阳极接负）,异极性端接交流电源,（2）二极管的导通规律：,共阴接法时，阳极瞬时电位最高者,共阳接法时，阴极瞬时电位最低者,最先导通,（导通的二极管看成短路，阳极阴极等电位； 不导通的二极管看成开路，承受反向电压。）,（1）电路 特点：,-,+,u0,u2负半周时电流通路,+,-,二
17、、 单相桥式整流电路的工作原理,异极性端接交流电源,（1）电路 特点：,（2）二极管的导通规律：,共阴接法时，阳极瞬时电位最高者,共阳接法时，阴极瞬时电位最低者,最先导通,（导通的二极管看成短路，阳极阴极等电位； 不导通的二极管看成开路，承受反向电压。）,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路: 由+经D1 RLD3-,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路: 由-经D2 RLD4+,输出是脉动的直流电压！,a、整流输出电压平均值（U0）,负载电压 U0的平均值为:,注意：Uom=?,U2m,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，
18、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：,选管时要满足：,几种常见的硅整流桥,整流电路如图所示，二极管为理想元件，已知负载电阻 ， 试求： (1)直流电压表(V)和直流电流表(A)的读数(设电压表内阻为无穷大，电流表的内阻为零); (2)在下表中选出合适型号的二极管。,解：(1),(V)的读数为,例,(A)的读数为0.135A,（2）选管：,可选用：2CP12,电源滤波电路,滤波原理:,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压
19、(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，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。,一、 电容滤波电路,桥式整流电容滤波电路,以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,1、滤波原理,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，u0会逐渐下降。,RL未接入时,充电结束,忽略整流电路内阻,没有电容时的输出波形,忽略整流电路内阻,只有整流电路输出电压大于u0的时间区间，才有充电电流。因此整流电路的输出电流是脉冲波。,整流电
20、路的输出电流,RL接入（且RLC较大）时,考虑整流电路内阻,电容充电时，电容电压滞后于u2。,RL接入（且RLC较大）时,RLC越小，输出电压越低,近似估算: U0=1.2U2（全波） （满载时）U0=1.0U2（半波）。,(2) 流过二极管瞬时电流很大,RLC越大U0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,2、电容滤波电路的特点,(1) 输出电压U0与时间常数RLC有关,RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大，,空载时，Uo均为1.414U2,输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0也随之改变。,如:RL愈小(I0越大),U0下降愈多。,电容
21、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):,结论,整流滤波电路如图所示，负载电阻 ，电容 ，变压器副边电压有效值 ，二极管为理想元件，试求：输出电压 和输出电流的平均值 ，及二极管承受的最高反向电压 。,例,解：,整流滤波电路如图所示，二极管是理想元件，电容 ， 负载电阻 ， 开关 闭合、 断开时，直流电压表(V)的读数为 141.4V ，求 (1)开关 闭合、 断开时直流电流表的读数; (2)开关 断开、 闭合时，直流电流表的读数; (3)开关 、 均闭合时，直流电流表的读数。(设电流表内阻为零，电压表内阻为无穷大)。,例,解：,(1)开关
22、闭合、 断开时: A 的读数为零。,(2)开关 断开、 闭合时，,(3)开关 、 均闭合时，,A的读数为:,A的读数为:,稳压二极管,UZ,IZ,工作在反向击穿区的二极管,1、结构特点：,1）掺入杂质多，PN结易于击穿。反向击穿电压50V以下。,2） PN结体积大，散热好，使反向击穿是可逆的。,当反向电压降低后，管子 仍可恢复原来状态。,普通二极管PN结体积小，一次 击穿后，由于散热慢，温度过 高而将PN结烧毁。这叫热击穿。 热击穿是不可逆的。,2、稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,UZ,稳压误差,（2）电压温度系数U（%/）,稳压值受温度变化影响的的系数。,如：U=0.
23、09%/oC,即温度每升高 1oC,稳压值将增加0.09%。,rZ越小，稳压性能越好,UZU(BR),（4）稳定电流IZ、最大稳定电流IZM,（5）最大允许功耗,稳定电流IZ:稳定性能最佳的工作电流值。,最大稳定电流IZM：允许通过稳压管的最大电流值。,稳压管正常工作时，耗散的最大功率。超过时会 发生热击穿，损坏管子。,例,已知稳压管的参数是：Uz=8V，Iz=10mA，Izm=29mA。 现用600、1/8W的电阻R作限流电阻，是否合适？,解,虽然,但 1/8W0.24W,所以 不合适！,稳压电路,在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、串联型稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压
24、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。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论稳压管稳压电路。,一、稳压管稳压电路,整流输出电压虽然经过电容滤波减小了波动，可以得到波动较小的输出直流电压，但是，如果输入交流电源电压发生波动，或负载电流发生变动（这种情况经常出现），输出直流电压都可能产生变化。如何保证在输入交流电源电压波动、负载变化时，输出直流电压保持恒定，这就是稳压电路的功能。,稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是在输出直流电压时，在电路中设置一个吸收波动成分的元件（调整元件），当市电或负载波动时，调整元件将根据输出直流电压
25、的变动情况，确定调整方向和大小，以保证输出的直流电压不发生变化。,最简单的稳压电路是利用稳压二极管在反向击穿情况下的稳压特性，将负载并联在稳压管两端，只要保证稳压管处于反向击穿稳压状态又不损坏，在负载两端就能够得到稳定的直流电压。,1、电路,调整元件：R,整流滤波输出电压被分成两部分：一部分是负载得到的直流输出电压Uo，另一部分则是降在调整元件上的电压uR,2、稳压过程：当电源电压波动时,当负载变化时：,综上所述：a) 稳压管要反接,b) 串了R才有稳压作用。,稳压管在稳压中起电流控制作用，使输出电压很小的变化， 产生Iz很大的变化，并通过串联电阻R调压的作用达到稳压 的作用。,如果电阻R取值
26、太小，则稳压管中的电流将可能太大而损坏器件，所以，该电阻又称为限流电阻。 输出电压的数值直接由稳压管的参数确定（Uz）。构造电路时要根据需要选择稳压管，另外要确定限流电阻的阻值。,3、稳压管稳压电路的限流电阻,稳压管的特性如图，要使稳压管正常 工作，则其电流必须在IZ IZM之间。,如果负载电流的变化范围为ILm ILM电源电压波动使滤波输出电压Uo在Uomin Uomax之间变化。,则，当IL=ILM，Uo=Uomin时稳压管 中流过的电流最小，但要求大于IZ,即：,当IL=ILm，Uo=Uomax时稳压管中流过的电流最大，但要求小于IZM，即,因此，限流电阻的取值范围为：,如果此范围不存在，则说明稳压管稳压电路不能满足要求，需要采 用其它类型的稳压电路。,电路如图所示，已知 ，稳压管 的 稳定电压 ，最小稳定电流 ，最大稳 定电流 ，负载电阻 。 (1)当 变化 时，求电阻R的取值范围; (2)求变压器变比 时，变压器原边电压有效值 。,(1),当 变化+10时，,当 变化 10%时,故电阻R的取值范围是:,(2),由,得,又,故,
