电工学-第8章直流稳压电源

1、电子技术电子技术28.1 半导体的基础知识半导体的基础知识导体、半导体、绝缘体。导体、半导体、绝缘体。 物质按导电能力划分：物质按导电能力划分： 半导体的导电性能：半导体的导电性能： 价电子参与导电、价电子参与导电、 掺杂增强导电能力、掺杂增强导电能力、 热敏特性、光敏特性。热敏特性、光敏特性。 是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 高等教育出版社高等教育出版社3 在绝对零度时，不导电。在绝对零度时，不导电。 温度（或光照）温度（或光照） 价电子获得能量：价电子获得能量： 本征激发产生自由电子和空穴对。本征激发产生自由电子和空穴对。 自由电子和空穴均

2、参与导电，自由电子和空穴均参与导电， 统称为载流子。统称为载流子。 温度温度 载流子的浓度载流子的浓度 导电能力导电能力 。 自由电子释放能量跳回共价键自由电子释放能量跳回共价键 复合。复合。 本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。本征半导体载流子浓度较低，导电能力较弱。 高等教育出版社高等教育出版社4 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。使半导体的导电性能发生显著变化。 (1) 掺入五价的杂质元素掺入五价的杂质元素 自由电子的浓度自由电子的浓度 空穴的浓度。空穴的浓度。 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。自由电

3、子为多数载流子，空穴为少数载流子。 称这种杂质半导体为称这种杂质半导体为 N 型半导体。型半导体。 (2) 掺入三价的杂质元素掺入三价的杂质元素 自由电子的浓度自由电子的浓度 空穴的浓度。空穴的浓度。 空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。空穴为多数载流子。自由电子为少数载流子。 称这种杂质半导体为称这种杂质半导体为 P 型半导体。型半导体。高等教育出版社高等教育出版社5 杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 N 型半导体型半导体 空间电荷空间电荷 高等教育出版社高等教育出版社6扩散运动扩散运动 扩散运动：扩散运动： 多数载流子由于浓度的差别而形成的运动。多数载

4、流子由于浓度的差别而形成的运动。 高等教育出版社高等教育出版社7 内电场内电场PN 结结 多数载流子的扩散运动继续进行，使多数载流子的扩散运动继续进行，使 PN 结加结加 宽，内电场增强。宽，内电场增强。 内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。内电场越强，多数载流子的运动越难以进行。 内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。内电场越强，少数载流子的运动越易于进行。高等教育出版社高等教育出版社8 漂移运动：漂移运动： 少数载流子在内电场作用下的运动。少数载流子在内电场作用下的运动。 漂移运动使漂移运动使 PN 结变薄，内电场削弱。结变薄，内电场削弱。 内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动，

5、内电场削弱，又有利于多数载流子的扩散运动， 而不利于少数载流子的漂移运动。而不利于少数载流子的漂移运动。漂移运动漂移运动高等教育出版社高等教育出版社9 多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运 动达到动态平衡动达到动态平衡 平衡的平衡的 PN 结。结。内电场内电场高等教育出版社高等教育出版社10(1) 正向偏置正向偏置 (2) 反向偏置反向偏置 R N 外电场外电场 N R 外电场外电场 正向导通正向导通 I反向截止反向截止 I0 主要特性：主要特性： 单向导电性。单向导电性。 高等教育出版社高等教育出版社118.2 半导体二极管半导体二极管 N 阳极阳

6、极 阴极阴极 (1) 按结构分类按结构分类 点接触型、面接触型。点接触型、面接触型。 (2) 按材料分类按材料分类 硅管、锗管。硅管、锗管。 (3) 按用途不同分类按用途不同分类 普通管、整流管、开关管等。普通管、整流管、开关管等。 1. 基本结构基本结构 高等教育出版社高等教育出版社12U/V I/mA O 反向反向 特性特性 正向正向 特性特性 死区死区 死区电压死区电压 Uth ： 硅管硅管 0.5 V 锗管锗管 0.1 V 导通压降导通压降 UD ： 硅管硅管 0.6 0.7V 锗管锗管 0.2 0.3V UDUBR IR 锗管锗管 硅管硅管 高等教育出版社高等教育出版社13UDU I

7、 OU I O(1) 额定正向平均电流（最大整流电流）额定正向平均电流（最大整流电流）IF (2) 正向压降正向压降 UF (3) 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR 一般规定为反向击穿电压的一般规定为反向击穿电压的 1/2 或或 1/3。 (4) 最大反向电流最大反向电流 IRm 高等教育出版社高等教育出版社14 作用：将光信号转化为电信号。作用：将光信号转化为电信号。 反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。 R E D 光电二极管电路光电二极管电路 R E D 发光二极管电路发光二极管电路 作用：将电信号转化为光信号。作用：将电信号转化为光信号。 发光的颜色取

8、决于制造材料。发光的颜色取决于制造材料。 高等教育出版社高等教育出版社15 作用：作用： 电气隔离；电气隔离； 抗干扰；抗干扰； 系统保护。系统保护。 输输入入电电路路输输出出电电路路高等教育出版社高等教育出版社168.3 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 大小不合大小不合适的交流适的交流大小大小合适合适的交流的交流交流交流 电源电源 脉动脉动直流直流不稳定不稳定的直流的直流稳定稳定直流直流直流直流负载负载滤波滤波电路电路电源变电源变 压器压器 整流整流 电路电路 稳压稳压电路电路高等教育出版社高等教育出版社17电源变电源变压器压器将市电变换为整流所需的将市电变换为整流所需的 交流电压交流

9、电压 整流整流电路电路将交流电变换为方向不变将交流电变换为方向不变 的直流电的直流电 滤波滤波电路电路将脉动直流电变换为平滑将脉动直流电变换为平滑 的直流电压的直流电压 稳压稳压电路电路将不稳定的直流电压变换将不稳定的直流电压变换 为稳定直流电压为稳定直流电压 高等教育出版社高等教育出版社18+- -uOabTr +- -u2+- -u1RL iOD1 D3D2 D4 u2 正半周，正半周，D1 和和 D3 导通，导通， uO= u2 ；电流通路：电流通路：a D1 RL D3 b 。 u2 负半周，负半周，D2 和和 D4 导通，导通， uO=u2 ；电流通路：电流通路：b D2 RL D4

10、 a 。高等教育出版社高等教育出版社19 uO D4 D3 D1 D2RLu2u2tOuOiOtO高等教育出版社高等教育出版社201. 负载直流电压负载直流电压 UO = 0.9U2 2. 负载直流电流负载直流电流 3. 二极管平均电流二极管平均电流 4. 二极管反向电压二极管反向电压 UO= 2 U2sin td( t)1 0 = U2 2 2 IO=UO RLID= IO 12URm= 2 U2 IFIDURURm高等教育出版社高等教育出版社21 例例8.4.1 一桥式整流电路，已知负载电阻一桥式整流电路，已知负载电阻 RL=240 ，负载所需直流电压，负载所需直流电压 = 12 V，电源

11、变压器一次电压，电源变压器一次电压 U1 = 220 V。试求。试求该电路正常工作时的负载电流该电路正常工作时的负载电流 、二极管、二极管平均电流平均电流 ID 和变压器的电压比和变压器的电压比 k。 解解 负载直流电流负载直流电流 IO=UORL= A = 0.05 A12240ID= IO = 0.05 A = 0.025 A 1 21 2二极管平均电流二极管平均电流 变压器的二次电压变压器的二次电压 U2= = V = 13.33 V Uo0.9 12 0.9变压器的电压比变压器的电压比k = = = 16.5 U2 U1 220 13.33 高等教育出版社高等教育出版社228.5 滤滤

12、 波波 电电 路路 一、电容滤波电路一、电容滤波电路 C uO RLu2u1 uOt O2 U2 电容放电电容放电 当二极管导通时，当二极管导通时， 电容被充电储能。电容被充电储能。 当二极管截止时，当二极管截止时， 电容放电。电容放电。 滤波电容的选择：滤波电容的选择： C(3 5) T2RL=1.52.52RLf高等教育出版社高等教育出版社23 UCN =2 U2 输出电压的平均值输出电压的平均值: UO = 1.2 U2（全波）（全波） 空载输出直流电压空载输出直流电压: 滤波电容的耐压：滤波电容的耐压： UCN2 U2 高等教育出版社高等教育出版社24 例例8.5.1 一桥式整流、电容

13、滤波电路，已知电源频一桥式整流、电容滤波电路，已知电源频率率 f = 50 Hz ，负载电阻，负载电阻 RL=100 ，输，输 出直流电压出直流电压 UO = 30 V 。试求。试求： (1) 选择整流二极管；选择整流二极管；(2) 选择滤波电容选择滤波电容器；器；(3) 负载电阻负载电阻 断路时的输出电压断路时的输出电压UO ；(4) 电容断路电容断路时的输出电压时的输出电压UO。解解 (1) 选择整流二极管选择整流二极管IO=UORL= A = 0.3 A30100U2=UO1.230 1.2V = 25 V=URm= 2 U2 = 2 25 V =35.4 VID= IO = 0.3 A

14、 = 0.15 A1 21 2高等教育出版社高等教育出版社25查附录，选用查附录，选用 2CZ53B 4 个个 （IF=300mA，UR=50V）。）。(2) 选择滤波电容器选择滤波电容器C1.52.5 RLf1.52.510050 = (300500)FFUCN= 2 25 V =35.4 V 2 U2 (3) 负载电阻断路时负载电阻断路时UO= 2 U2 = 2 25 V = 35.4 V (4) 电容断路时电容断路时UO = 0.9U2 = 0.925 V = 22.5 V IF2ID = 20.15A = 0.3 A， URURm=34.5 V高等教育出版社高等教育出版社26二、电感滤

15、波电路二、电感滤波电路 对直流分量对直流分量: XL = 0，大部分整，大部分整 流电压降在流电压降在 RL 上。上。 对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大，越大， 电压大部分降在电压大部分降在 XL 上。上。 uO RLiOu2u1 L高等教育出版社高等教育出版社27 uO RLiOC2 C1 三、复式滤波电路三、复式滤波电路 C2 C1 1. LC 形滤波电路形滤波电路 2. RC 形滤波电路形滤波电路 L uO RLiORL 高等教育出版社高等教育出版社28一、稳压二极管一、稳压二极管 又称为齐纳二极管。又称为齐纳二极管。 为面结型硅二极管。为面结型硅二极管。反向反向特性特

16、性正向正向特性特性 特点：特点： 反向击穿电压小；反向击穿电压小； 反向击穿特性陡。反向击穿特性陡。 击穿击穿 电压电压 UZ IZmax U/V I/mA OIZmin 8.6 稳压电路稳压电路高等教育出版社高等教育出版社29 解解 (1) Ui10 V 时时 DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 时时DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V 时时DZ 正向导通：正向导通：UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 时时 当当 0ui5 V 时，时，DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui

17、 = 10sin t V。 当当 ui5 V 时，时，DZ 反向击穿稳压：反向击穿稳压： 例例8.6.1 如图所示电路，设如图所示电路，设 UZ = 5 V，正向压降，正向压降 忽略不计。当直流输入忽略不计。当直流输入Ui = 10 V、3 V、5 V 时，时，Uo= ？当输入为交流当输入为交流 ui = 10sin t V 时，分析时，分析 uO的波形。的波形。 R DZ UiUO5 t uO/V O 2 3 UO = UZ = 5 V 。当当 ui0 V 时，时，DZ 正向导通：正向导通：UO= 0 V。 高等教育出版社高等教育出版社30二、稳压二极管稳压电路二、稳压二极管稳压电路+- -

18、u2+- -u1CUi RLUO IIOR DZIZ稳压过程：稳压过程： UO IZ I IR UO 高等教育出版社高等教育出版社31 分为线性集成稳压电路和开关集成稳压电路。分为线性集成稳压电路和开关集成稳压电路。 CW78XX系列正电压稳压器。系列正电压稳压器。 CW79XX系列负电压稳压器。系列负电压稳压器。 1 3 2 输出电压规格：输出电压规格： 5V, 6V, 8V, 9V, 12V, 15V 高等教育出版社高等教育出版社32 CW78XX 接线图接线图 +- -u2+- -u1CRL UO 78XX CiCo 1 2 3 高等教育出版社高等教育出版社33 CW79XX 接线图接线

19、图 +- -u2+- -u1CRL UO 79XX CiCo 3 2 1 高等教育出版社高等教育出版社34 同时输出正负两组电压的接线图同时输出正负两组电压的接线图5 V 5 V CW7805Ci1 2 3 CW79051 2 Co 3 Ui CiCoUO高等教育出版社高等教育出版社35*3. 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器 类型：类型： CW117、CW217、CW317 (正电压正电压) CW137、CW237、CW337 (负电压负电压) 输出电流等级：输出电流等级： 0.1A, 0.5A, 1.5A 军品级军品级工业级工业级民品级民品级 典型电路：典型电路： CW217 Ci

20、Co 3 2 1 + C+ - UO + - UiR1R2高等教育出版社高等教育出版社36 CW237 CiCo 2 3 1 C- - + UO - - + UiR1R2+ 输出电压计算公式：输出电压计算公式： UO= 1.25 ( 1+ ) R2R1 高等教育出版社高等教育出版社378.6 晶晶 闸闸 管管 图形符号图形符号PNPNG（控制极（控制极 或门极）或门极）K（阴极）（阴极）A（阳极）（阳极）AKG高等教育出版社高等教育出版社38（1）由截止变为导通：）由截止变为导通：（3） 由导通变为截止：由导通变为截止： uA0 或或 iAIH（维持电流）（维持电流） （2）普通晶闸管导通后，

21、控制极失去控制作用）普通晶闸管导通后，控制极失去控制作用uG采用正触发脉冲电压采用正触发脉冲电压uA 0 且且 uG 0高等教育出版社高等教育出版社39(1) 额定正向平均电流额定正向平均电流 IF 允许通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值允许通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值 (2) 正向重复峰值电压正向重复峰值电压UFRM (3) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM (4) 控制极触发电压控制极触发电压UG 和触发电流和触发电流IG 高等教育出版社高等教育出版社40*二、双向晶闸管二、双向晶闸管 A2A1G相当于两个反向晶闸管并联，相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个

22、控制极。两者共用一个控制极。利用双向晶闸管可实现交流调压：利用双向晶闸管可实现交流调压：RLG+ui- - A2A1+uo- - ui t Ouo t O + 高等教育出版社高等教育出版社41单相桥式整流电路中的两个二极管用可控单相桥式整流电路中的两个二极管用可控 的的 晶闸管替换晶闸管替换 半控。半控。 8.8 可控整流电路可控整流电路 abT+- -u2+- -u1uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO 高等教育出版社高等教育出版社42正半周，正半周，T2、D1 承受反向电压截止，承受反向电压截止， T1、D2 承受正向电压，承受正向电压，控制极电压控制极电压 uG 在在 t =时施

23、加，时施加，故在故在 t 时，时， T1 和和 D2 导通导通电流通路：电流通路：a T1 RL D2 babT+-u2+-u1uGT1D1 uGT2D2RL+-uOiO 高等教育出版社高等教育出版社43负半周，负半周，T1、D2承受反向电压截止，承受反向电压截止， T2、D1 承受正向电压。承受正向电压。控制极电压控制极电压 uG 在在 t =+ 时施加，时施加，故在故在 + t2 时，时， T2 和和 D1 导通。导通。 电流通路：电流通路：bT2 RLD1 aabT+- -u2+- -u1uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO 高等教育出版社高等教育出版社44 + + 2 ab+- -u2uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO负载负载 RL 上得到不完整上得到不完整 的全波脉动电压的全波脉动电压 。u2 t O t uGuO t OO 高等教育出版社高等教育出版社45 uO 2 t UO(1) 负载直流电压负载直流电压 (2) 负载直流电流负载直流电流 UO= 2U2sin t d( t)1 = U2 2 2 1+cos 2= 0.9U2 1+cos 2IO= UORL高等教育出版社高等教育出版社46 例