二极管及直流电源

1、1 以电子器件的发展为主线，电子技术的发展，经历了下列历程：电子管晶体管小规模集成电路中大规模集成*电路超大规模集成电路可编程集成器件1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。世界上第一台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米，电子管目前仅在一些大功率发射装置中使用。1948年，肖克利等发明了晶体管，在体积、重量方面明显优于电子管。但器件较多时，体积仍较大、焊点多、电路的可靠性差。2集成电路的发展集成电路SSI（100以下）MSI（103）LSI（104） 超大规模VLSI（105以上）1961年美国德克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、器件和连线制作在同一

2、硅片上，制成了集成电路。大大促进了电子技术的发展，特别是促进了微型计算机和通讯技术的飞速发展。芯片中集成上万个等效门，目前已达百万门级。可编程器件CPLDFPGA*3电信号的分类模拟信号随时间连续变化的信号。数字信号时间上、幅度上都不连续的信号 (离散信号)，如：各种脉冲信号。 如：模拟声音的音频信号；模拟图象的视频信号；热电偶等传感器产生的电信号等。处理模拟信号的电路称为模拟电路。处理数字信号的电路称为数字电路。tV(t)4授课体系模拟电子技术数字电子技术第6章 半导体二极管和整流电路第7章 基本放大电路第8章 集成运算放大器及其应用实验1：晶体管放大电路的设计与调试实验2：直流稳压电源的设

3、计 第10章 数字逻辑基础和逻辑门电路 实验3：集成运算放大器的线性应用 第11章 组合逻辑电路第12章 时序逻辑电路第13章 A/D和D/A转换器 实验4：组合逻辑电路的设计实验5：触发器及时序逻辑电路设计实验6：555定时器的应用5一次无故不交作业扣2分；旷课一次扣2分。教材书成绩评定方法end电工电子技术，李守成主编； 学时： 36（讲课）+ 12（实验）考试(闭卷）70分，平时成绩占10分，实验成绩20分6 总之，从教师方面来说，要精心组织教材，尽量深入浅出，突出重点，讲透难点，引导同学们尽快入门。 (1)上课认真听讲，适当记笔记。 (3)认真做实验。 (2)独立、认真地完成作业；*对

4、同学们的要求7* 独立完成，不准抄袭。 要工整，可以不抄题，但要标题号，电路图必须画。 每周第一节课前，交给老师。补交作业不算数。 作业的错误必须及时纠正对作业的具体要求：8基本要求：基本要求： 1、了解半导体二极管的结构、工作原理和特点；理解其整流、钳位和限幅作用及应用； 2、了解稳压管的特性和应用； 3、理解单相整流、电容滤波、稳压管稳压电路的工作原理，掌握输出直流量的估算。了解三端集成稳压器的应用。9自然界中的物质按导电能力分为：导体 绝缘体 半导体 除了其导电能力介于导体和绝缘体之间外，有两个重要特性：1、光敏、热敏特性：绝对零度时不导电，当受外界热和光刺激时，它的导电能力明显增强。

5、可制成各种光敏、热敏器件2、掺杂特性：纯净的半导体中掺入某些杂质，它的导电能力急剧增强。 可制成各种半导体器件为什么？半导体的特性由半导体的导电机理决定！10完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。1.原子结构：GeSi硅和锗是4价元素，在原子最外层轨道上有4个电子。称为价电子以Si、Ge为例11在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，2.共价键： 由于原子之间靠得很近，原来分属于每个原子的价电子一方面受到本身原子核的束缚，另一方面受到相邻原子核的吸引，而成为两个原子所共有的。称为共价键 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。12共价键中的电子，由于受

6、到两个原子核的束缚，束缚力很强，在没有获得足够能量时，不能脱离轨道， 称为束缚电子。133.空穴及其导电作用 在温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，当获得足够能量时，可以挣脱原子核的束缚 成为自由电子。 注意：在束缚电子脱离轨道成为自由电子的同时，在其原来的共价键中出现一个空位 称为空穴。 空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！硅原子价电子+4+4+4+4空穴自由电子14 注意：自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发。 当共价键中出现空穴，在外加电场的作用下，邻近的束缚电子可以填补这个空穴，从而留下新的空穴 这样就在共价键中出现一定的电荷迁移。即：半导体中出现两种载流

7、子自由电子空穴电量相等极性相反15由此可以解释：（1）在T=0K时，半导体不导电；（2）常温下，导电能力很弱；当受到光、热刺激时，束缚电子脱离轨道成为自由电子并同时产生空穴。 导电能力显著增强。1. N型半导体在硅或锗的晶体中，掺入少量的五价元 素，如磷。磷原子正离子+4+4+4+4自由电子+5多数载流子自由电子少数载流子空穴16+4+4+42. P型半导体 在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼。硼原子+4负离子空穴多数载流子 空穴少数载流子 自由电子+317杂质半导体的示意图P型半导体+N型半导体18P 型N 型PN结内电场方向1. PN结的形成少数载流子内电场阻碍多数载流子的扩散运

8、动，加强少数载流子的漂移运动。在同一片半导体基片上，用不同的掺杂工艺，分别制成P型半导体和N型半导体，由于载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。多数载流子扩散运动与漂移运动动态平衡稳定的PN结192 . PN 结的特性 外加正向电压(P+，N-)PN结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流 I。PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。202 . PN结的特性 外加反向电压(P-，N+)PN结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反向电流很小 。PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。211.点接触型二极管PN结面积、结电容小，

9、可通过电流小。用于高频电路及小电流整流电路。阳极 阴极二极管的符号2.面接触型二极管PN结面积、结电容大，可通过大电流。用于低频电路及大电流整流电路。PN结加封装和引线，构成二极管。+PN22半导体二极管图片(a)点接触型 (b)面接触型23600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性I / mAU / V0.40.8-40-80246-0.1-0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性反向特性死区电压死区电压 硅管锗管0.50.2正向电压 0.6-0.70.2-0.3反向电流 小 几微安大 几百微安受温度影响 小大24600

10、400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V反向击穿特性二极管的近似和理想伏安特性I / mAU / V01 . 额定正向平均电流 IF2 . 正向电压降 UF3 . 最高反向工作电压 UR4 . 最大反向电流 IRm长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值UF恒压特性理想特性UFSi：0.60.7VGe：0.20.3V25(1)整流(半波、全波) 利用D的单向导电性DR+-+-ViVODR+-+-3VViVo(2)限幅(削波，单向或双向) 利用箝位作用单向削波tV三、二极管应用举例半波整流tVViVoViVo26(3)低压稳压(4)开关作用D导通:开关闭合D

11、截止:开关断开DR+-ViVD=Vth27二极管电路分析方二极管电路分析方法法 1、判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20.3V将二极管断开若正向偏置 :V阳 V阴 或 UD0，二极管导通 若反向偏置: V阳 V阴 或 UD3uo=3V时D导通uiUD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 VD1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为mA43122D I求：UAB在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+例2:解:例3：判别二极管是导通还是截止。+9V-+1V- +2.5V - +

12、12.5V - +14V -+1V-截止解：+18V-+2V- +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-导通例4.开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关例：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V33 2.变容二极管3.光电二极管4. 发光二极管稳压管 稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管，其反向击穿是可逆的，且反向电压稳定。1.稳压二极管DZ正极负极34伏安特性曲线UIUZIZIZmaxUZIZ正向特性：同普通二极

13、管；反向特性：同普通二极管； 反向电压达到UZ时，反向击穿。对应很大的IZ，UZ很小反向击穿特性：且反向击穿是可逆的。稳压！35整流电路滤波电路toutoutoutoutou稳压电路负载6.4 直流稳压电源电源变压器交流电源结构框图一、直流稳压电源的组成:36uo to to to to23uou2u2u1uDioioRLT232U22U22U2Im2233uDDu2正半周负二、整流电路37uO t0 t t t23uOu2u2u1uDuDiOiODRLT232U22U22U2Im2233UO=0.45U2 ,IO=UORL =0.45U2RLID= IO ,UDRM=2U200038u2TR

14、LD1D4D3D2abu2TRLD1D4D3D2abto23uo2U2to232U2totouDio2U2Im2233uD1uD3uD4uD2u22.单相桥式整流电路A、工作原理39 to to to to23uouDio232U22U22U2Im2233u2uD1uD3uD4uD2B、电压、电流的计算Uo=0.9U2=Io=UoRL0.9U2RLID=(1/2) Io URM=2U2选用二极管的依据是:ID稍小于IF (最大整流电流）URM稍小于UR（最高反向工作电压）0 1U2m sin t d t=Uo负载直流电压负载直流电流二极管平均电流二极管最大反向电压40集成硅整流桥：u2uo+

15、+- +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。981111220. K 变比变比 I 2= 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A 变压器副边电流有效值:变压器容量: S = U2 I 2= 111 2.2 = 244. 2 V A变压器副边电压 U 2 111 V A1D I 1579 . 02202RMVUUU 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。练习1: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

16、，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？ uo+_u+_RLD2D4 D1D3 uo u 2 34twtw234oo练习2:当D2或D4断开后解:D2uo+_u+_RLD4 D1D3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。43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。如果D2或D4因击穿烧坏而短路uoD2+_u+_RLD4 D1D3 如果D2或D4接反D2uo+_u+_RLD4 D1D3正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通

17、，电流经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。44u2uouD1t2340uD2220 V1212R2+Luuu2L1DD2练习：分析全波整流电路+（1）输出电压平均值UO：）（tduUo 20O2129 . 0 U IO= UO /RL =0.9 U2 / RL （2）输出电流平均值IO ：（3）流过二极管的平均电流：ID = IO/2（4）二极管承受的最高反向电压：2RM22UU 45估算公式: UO=1.0U2 2UDRM=2U2:t0232U2UDRu2uoDu2uDioRLTu1C三、滤波电路462.有电容滤波的桥式整流电路A、工

18、作原理u2Tu1RLD1D4D3D2uoioCuc t02U2u2uca.断开RL;b. t=0时接入RL;此时，D1D4均截止，C经RL放电，uc下降， 但=RLC很大，uc下降缓慢。47Cucu2Tu1RLD1D4D3D2uoio toiDuo2U2o tt1t4t3t2D1D3D2D4D1D3A、工作原理2.有电容滤波的桥式整流电路越大，纹波越小！但二极管导通角越小，482U2Io Uo0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性TUo=1.2U2RLC (35)2UCN 2U2B、输出电压及元件参数选择特点：带负载能力差。适用于输出电压较高，输出电流较小的场合。u2Tu1RLD1D4D3D2uoio2.有电容滤波的桥式整