电子技术基础第2章半导体二极管和直流电源---1.

1、3.9功率放大电路3.9功率放大电路本章要求：本章要求：1. 理解理解半导体材料的导电特性和半导体材料的导电特性和PN结的单向导电性；结的单向导电性；了解二极管、稳压管的基本结构、工作原理和特了解二极管、稳压管的基本结构、工作原理和特性曲线，性曲线，理解理解主要参数的意义。主要参数的意义。2. 掌握掌握二极管、稳压管应用电路的分析方法。二极管、稳压管应用电路的分析方法。3. 了解小功率直流稳压电源的基本组成及各部分的了解小功率直流稳压电源的基本组成及各部分的功能。功能。4. 掌握掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算的计算;5.了解集成稳压电路的

2、性能及应用。了解集成稳压电路的性能及应用。整流二极管发光二极管稳压二极管2.1.1 2.1.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、 锗、硒等材料锗、硒等材料。本征半导体：本征半导体：完全纯净的、具有晶体结构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子本征激发：本征激发： Si Si Si Si价电子价电子空穴空穴自由电子自由电子1.温度越高，本征温度越高，本征激发产生的自由电激发产生的自由电子和空穴越多。子和空穴越多。2.本征激发与复合本征激发与复合同时存在。同时存

3、在。 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子在常温下成为在常温下成为自由电子自由电子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴 2.1.2 2.1.2 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性 多子的扩散运动多子的扩散运动2.1.2 2.1.2 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性 内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空扩散的结果使空间电荷区变宽，间电荷区变宽，产生内电场。产生内电场。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接

4、负 外电场外电场IF内电场内电场PN+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+2.1.2.1.阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 2.1.2.1.阴极阴极阳极

5、阳极( d ) 符号符号D 反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向击穿反向击穿UIPN+PN+硅硅2CP6锗锗2AP15定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 例例4：ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型 0.7 V ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7

6、 VV2 导通导通 V截止截止ui UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 PNUO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)UZIZIZM UZ IZ_+UIO 2.2.1 稳压二极管的常用参数稳压二极管的常用参数 (1) 稳定电压稳定电压Zener voltage VZ (3) 动态电阻动态电阻Zenner Impe

7、dance rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工下，所对应的反向工作电压。作电压。稳压二极管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。稳压二极管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。 rZ愈小，愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ = VZ / IZ (2) 电压温度系数电压温度系数Temperature Coefficient U 说明稳压值受温度变化影响的系数。说明稳压值受温度变化影响的系数。温度的变化将使温度的变化将使VZ改改变，在稳压管中当变，在稳压管中当 VZ 6 V时，时，VZ具有正温度系数。当具有正温度系数。当

8、 VZ 6 V时，时， VZ具有负温度系数。当具有负温度系数。当 VZ 为为6V左右时，稳压管可以左右时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。管使用。IZIZ(5) (5) 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 Zener Power Dissipation PZM 最大功率损耗是最大功率损耗是管子不致发生热击穿而损坏的最大功率损耗管子不致发生热击穿而损坏的最大功率损耗，取决于取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损结的功率损耗为耗为 PZ= VZ IZ，由，由

9、 PZM和和VZ可以决定可以决定IZmax。 稳压管的最大稳定工作电流取决稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而而Izmin对应对应VZmin。 若若IZIZmin则不能则不能稳压。稳压。 (4) (4) 稳定电流稳定电流Zenner Current IZ最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 和最和最小稳定工作电流小稳定工作电流IZminIZ 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流

10、变化时，通管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。(c)IZUO = UZ IR = IO + IZUIUZRL (IO ) IR 设设UI一定，负载一定，负载RL变化变化UO 基本不变基本不变 IR (IRR) 基本不变基本不变 UO (UZ ) IZ +UIRLIOUO+IRRDZIz限流调压限流调压稳压电路稳压电路UO = UZ IR = IO + IZUIUZUI UZ UO 基本不变基本不变 IRR IZ IR +UIRLIOUO

11、+IRRDZIzImaxOZmaxOminUU IIR (1) UZ = UO(2) IZmax= (1.5 3) Imax(3) UI = (2 3) UO(4) ImaxZZmaxominUU RII IminZZminOmaxUU II IminOOmaxZminUUIIR +UIRLIOUO+IRRDZIz例例2.2.1 2.2.1 在如图所示稳压电路中在如图所示稳压电路中, ,选择适当的稳压管选择适当的稳压管和限流电阻和限流电阻R R，要求，要求 。假设的波动范围假设的波动范围1010。+UIRLIOUO+IRRDZIzOU6V, OI0 10mA 【解解】（1 1）稳压管的选择）稳

12、压管的选择V6UUOZ mA30mA103ImaxZ V5 . 60 . 6UZ mA10IZ mA30ImaxZ 查表可选查表可选2CW7C2CW7C，其稳压电压，其稳压电压，耗散功率，耗散功率0.2W。IZmax= (1.5 3) Imax（2 2）限流电阻）限流电阻R R的确定的确定 mA0IminO mA10ImaxO mA5IminZ OIU3U 18V6V3U3UOI V8 .19V181 . 1UaxIm V2 .16V189 . 0UinIm 3310)105(62 .16R10)030(68 .19 已知已知，; ;, ,，考虑，考虑1010波动：波动：0.46kR0.68

13、k0.46kR0.68 k；可选用标称值为；可选用标称值为510510限流电阻。限流电阻。取取, , ,UI = (2 3) UO作业作业 2.1.2 2.1.3 2.2.1 2.2.32.32.3直流稳压电源直流稳压电源功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压的直流电压u4uou3u2u1 整流电路整流电路 将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。 半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。等。 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

14、利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性t uDO u 负半周，负半周，VaVb，二极二极管管 1、3 导通，导通，2、4 截止截止 。uouD t tuD1uD3 ut U2U2U2 4. 参数计算参数计算LLRURUI9 . 0oo o21DII UU2DRM o11. 1 d) sin(2122mIttII ) d( sin21ttU U0.9 oU (1) 输出直流电压高；输出直流电压高； (2) 脉动较小；脉动较小； (3) 二极管承受的最大反向电压较低；二极管承受的最大反向电压较低； (4) 电源变压器得到充分利用。电源变压器得到充分利用。 目前，半导体器件厂已将整流二极管封装

15、在一目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。靠性，使用起来非常方便。【例例2.3.22.3.2】 采用单相桥式整流电路，已知供电使用频率采用单相桥式整流电路，已知供电使用频率50Hz50Hz、电压电压220V 220V 的单相交流电源，负载电阻的单相交流电源，负载电阻 ， 要求输出要求输出直流电压，直流电压， , ,确定整流器件。确定整流器件。50RL V30UO A6 . 0A5030RUILOO 解解

16、: : 负载电流负载电流 A3 . 0I21IOD 每个整流二极管的平均电流每个整流二极管的平均电流V3 .33V9 . 0309 . 0UUO 变压器二次侧电压有效值变压器二次侧电压有效值 V473 .332U2URM 整流二极管最大反向电压整流二极管最大反向电压 查找器件手册可知使用查找器件手册可知使用MB1SMB1S（0.5A0.5A，100V100V）整流桥满足要求。）整流桥满足要求。 2.3.1 常用整流电路一览表常用整流电路一览表（P16）uo+_u+_RLD2D4 D1D3当当D2或或D4断开后断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和和D

17、3导导通，负载中有电流通，负载中有电流过，负载电压过，负载电压uo o= =u；负半周时，；负半周时，D1和和D3截止，负载中无电流通截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，过，负载两端无电压， uo o =0=0。 uo u 2 34tt234oo 则正半周时，二极管则正半周时，二极管D1、D4或或D2、D3导通，电流导通，电流经经D1、D4或或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因而造成电源短路，电流很大，因此变压器及此变压器及D1、D4或或D2、D3将被烧坏。将被烧坏。 则正半周时，情况与则正半周时，情况与D2或或D4接反类似，电源及接反类似，电源及D1或或D3也将因电流过大而烧坏。也将

18、因电流过大而烧坏。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3例例2.3.5：试设计一台输出电压为试设计一台输出电压为24V，输出电流为，输出电流为1A的直流电的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：解：V3 .5345. 0240.45o2 UU整流二极管承受的最高反向电压为：整流二极管承受的最高反向电压为：V2 .753 .5341. 122RM UU流过整流二极管的平均电流为：流过整流二极管的平均电流为：A1oD II因此可选用因此可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为整流二极管，其最大整流电流为3A，最高反向工作电压为最高反向工作电压为200V。（1）当采用半波整流电路