二极管及直流稳压电源

1、一、理解一、理解PN结的单向导电性；结的单向导电性； 二、了解二极管和稳压管的基本构造、工作原理二、了解二极管和稳压管的基本构造、工作原理 和特性曲线，理解主要参数的意义；和特性曲线，理解主要参数的意义； 三、会分析含有二极管的电路；三、会分析含有二极管的电路； 四、理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及四、理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及 参数的计算；参数的计算； 五、了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工五、了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工 作原理。作原理。导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体取决于取决于特特 点点举举 例例导导 体体容易传导电流容易传导电流 如铜、铝、银如

2、铜、铝、银 等金属等金属绝缘体绝缘体几乎不传导电流几乎不传导电流 如塑料、陶瓷、如塑料、陶瓷、 橡皮、玻璃等橡皮、玻璃等半导体半导体导电能力介于导体和绝导电能力介于导体和绝 缘体之间。另具有缘体之间。另具有光光敏敏、热敏热敏及及掺杂掺杂等特性等特性 如硅如硅SiSi、锗、锗GeGe、 砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等5.1 半导体的导电特性半导体的导电特性原子结构原子结构5.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价健共价健共价键：两个原子外共价键：两个原子外层电子的共有轨道层电子的共有轨道 Si Si Si Si无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构自由电子自由电子空穴空穴由于由于热运动热运动，具，

3、具有足够能量的价有足够能量的价电子挣脱共价键电子挣脱共价键的束缚而成为的束缚而成为自自由电子由电子自由电子的产生使自由电子的产生使共价键中留下一个共价键中留下一个空位置，称为空位置，称为空穴空穴价电子价电子自由电子与空穴相碰同时消失，自由电子与空穴相碰同时消失，称为称为复合复合。温度温度一定时，自由电子与空穴对一定时，自由电子与空穴对的的浓度浓度一定；温度升高，热运动一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴的浓度加大。自由电子与空穴的浓度加大。本征半导体中自由电子与空穴的本征半导体中自由电子与空穴的浓度相同。浓度相同。产生电子空穴的现象称为产

4、生电子空穴的现象称为本征激发。本征激发。2、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子外加电场时，带负电的外加电场时，带负电的自由电自由电子子和带正电的和带正电的空穴空穴均参与导电，均参与导电，且且运动方向相反运动方向相反。由于载流子。由于载流子数目很少，导电性很差。数目很少，导电性很差。 运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。自由电子和自由电子和空穴都称为载流子空穴都称为载流子(电电子子-空穴对空穴对)温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电时不导电载流子载流子温度对半导体器件性

5、能影响很大温度对半导体器件性能影响很大5 杂质半导体主要靠多数载流子杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导度越高，导电性越强，实现导电性可控。电性可控。多数载流子多数载流子1、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素素。掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。磷（磷（P）N型型半导体主要靠半导体主要靠自由电子导自由电子导

6、电电，掺入杂质越多，自由电子，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。浓度越高，导电性越强。N型半导体型半导体3 多数载流子多数载流子2、P型半导体型半导体硼（硼（B）P型型半导体中主要由半导体中主要由空穴导电空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强导电性越强杂质半导体中，温度变化时载杂质半导体中，温度变化时载流子的数目同时变化；少子与流子的数目同时变化；少子与多子变化的数目相同，少子与多子变化的数目相同，少子与多子多子浓度的变化不相同浓度的变化不相同。P型半导体型半导体扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降

7、低、靠近接触面N区区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。行。物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动扩散运动。气体、液体、。气体、液体、固体都存在这种现象。固体都存在这种现象。扩散运动扩散运动空穴浓度空穴浓度高于高于N区区自由电子浓自由电子浓度高于度高于P区区一、一、PN结的形成结的形成一、一、PN结的形成结的形成因电场作用所产生的因电场作用所产生的少数载流子少数载流子运动称为运动称为漂移运动漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到

8、动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内区的交界面缺少多数载流子，形成内电场（电场（空间电荷区空间电荷区），从而），从而阻止扩散阻止扩散运动的进行。内电场使空运动的进行。内电场使空穴从穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IFPN结加结加正向电压正向电压导通：导通：耗尽层变窄，多数载流子扩散运动加剧，由于外电源的作用，耗尽层变窄，多数载流子扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，形成扩散电流，PN结处于结

9、处于正向导通正向导通状态，状态，正向电阻很小正向电阻很小。内电场内电场PN+内电场被加强，内电场被加强，少子的漂移加强，少子的漂移加强，由于少子数量很由于少子数量很少，形成很小的少，形成很小的反向电流。反向电流。IR+PN结加结加反向电压反向电压截止：截止：PN结变宽，阻止多数载流子扩散运动，有利于少数载流子漂移结变宽，阻止多数载流子扩散运动，有利于少数载流子漂移运动，形成运动，形成反向漂移电流反向漂移电流。由于电流很小，。由于电流很小，反向电阻很大，近反向电阻很大，近似认为截止（似认为截止（OFF）。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+当当PN结的反向电压增加到

10、一定数值时，反向电流突然快速增加，结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PN结的结的反向击穿反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿可逆可逆 电击穿电击穿二极管实质是二极管实质是PN结，结，P型半导体为阳极、型半导体为阳极、N型半导体为阴极。型半导体为阴极。阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D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

11、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 ) 面接触型面接触型反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+二极管的电流与其端电压的关系称为二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性伏安特性。二极管长期使用时，允许流过二极管的二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流最大正向平均电流是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是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二极管反向击穿电压的一半或三分之二。的一半或三分之二。二极管击穿二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指二极

12、管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流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，大，说明管子的单向导电性差，受温度的影响，温度受温度的影响，温度 越高反向电流越大。越高反向电流越大。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若 二极管二极管V阳阳 V阴阴或或 UD为正为正( 正向偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通若若 二极管二极管V阳阳 V阴阴或或 UD为负为负( 反向偏置反向偏置 )，二极管截止，二极管截止若二极管是理想的，若二极管是理想的，理想理想模型模型导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDU

13、on截止截止时时IS0恒压降恒压降模型模型例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mAID43122BD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t uo8V分析思路：分析思路：分析之初认为二极管断开分析之初认为二极管断开-利用利用PN结的光敏性结的光敏性-利用发光材料利用发光材料小小 结结二极管的伏安关系为指数关系，加正向电压二极管的伏安关系为指数关系，加正向电压时，产生扩散电流；加反向电压时，产生漂时，产生扩散电流；加反向电压时，产生漂移电流（数值很小）。移电流（数值很小）。单向导电特性单向导电特性u4uou3u2u1功能：功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压把交

14、流电压变成稳定的大小合适的直流电压将双将双向脉向脉动变动变单向单向脉动脉动滤除交滤除交流成分，流成分，脉动程脉动程度减小度减小将输将输出电出电压稳压稳定定改变电改变电压幅值，压幅值，不改变不改变相位相位 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 半波半波、全波、全波、桥式桥式和倍压整流；和倍压整流； 单相和三相整流等。单相和三相整流等。 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，反向电阻为无穷大利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性u负半周，负半周，VauC时，二极管导通，时，二极管导通，电源在给负载电源在给负载RL供电的同供电的同时也给电容

15、充电，时也给电容充电， uC 增加，增加，uo= uC CC+C +aDuoubRLio 二极管承受的最高反向电压为二极管承受的最高反向电压为 （此时负载断开（此时负载断开） uoU2U2u tO tOUU22DRM uuCuuC电源电压电源电压u与电容端电与电容端电压压uc比较比较25)(3LTCR 一般取一般取(1)(1)输出电压的脉动程度与平均值输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数与放电时间常数RLC有关有关整流输出电压近似估算取值：整流输出电压近似估算取值：Uo = 1. 0 U （单相半波）单相半波） 为了得到比较平直的输出电压为了得到比较平直的输出电压U2有电容有电容滤波滤

16、波 无电容滤波无电容滤波0 UooIO 结论结论因此电容滤波适合于要求输出电压较高、因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合负载电流较小且负载变化较小的场合。RLC 越大越大O 越高，越高，IO 越大越大整整流二极管导通时间越短流二极管导通时间越短 iD 的峰的峰值电流越大值电流越大( (冲击电流冲击电流) )iD tuoU2 tOO 整流输出电压近似估算取值：整流输出电压近似估算取值：Uo = 1. 2 U uRLuo+C输出波形更加平缓，电压输出波形更加平缓，电压值也有所增加，值也有所增加，使用更多使用更多变压器二次侧电压变压器二次侧电压单相桥式整流电路输出电压

17、单相桥式整流电路输出电压电容滤波后的电容滤波后的uo自己分析：自己分析：二极管所承受的最高反向电压是多少？二极管所承受的最高反向电压是多少？例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频 率率 f=50Hz，负载电阻，负载电阻 RL = 200 ，要求直流输出，要求直流输出 电压电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。，选择整流二极管及滤波电容器。V 352522DRM UUA RUIILOOD075. 020030212121 uRLuo+C解：解：25V1.230 21O .UU 可选用二极管可选用二极管2CP11IOM =100m,UDRM

18、 =50V 例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频 率率 f=50Hz，负载电阻，负载电阻 RL = 200 ，要求直流输，要求直流输 出电压出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器，选择整流二极管及滤波电容器取取 RLC = 5 T/2已知已知RL = 50 S 05. 025015L CR uRLuo+C解：解：2. 选择滤波电容器选择滤波电容器F250F102502000.05 0506L R.C可选用可选用C=250 F，耐压为，耐压为50V的极性电容器的极性电容器L uRLuo+CUZIZIZM UZ IZ稳压管是由一个稳压管是

19、由一个PN结组成，结组成，反向击穿后，在一定的电流反向击穿后，在一定的电流范围内两端电压基本不变，范围内两端电压基本不变，利用此特性，稳定电压。利用此特性，稳定电压。UIO进入稳压区进入稳压区的最小电流的最小电流不至于损坏不至于损坏的最大电流的最大电流+_阳极阳极阴极阴极DZZZ ZIUr正向导通区正向导通区反向截止区反向截止区稳压工作区稳压工作区当稳压管工作在正向当稳压管工作在正向 偏置时作为一个普通偏置时作为一个普通 二极管二极管使用方法 在使用稳压管用来稳定某一电压UO时，稳压管必须电电击穿击穿，且稳压管DZ并联并联接在需稳压的部分电路两端 稳压管应工作在反向击穿区反向击穿区； 为保证稳压管安全工作，应串入限流电阻串入限流电阻R。RLRDZuiUZUO+UO = UZ IR = IO + IZUIUZ设设UI一定，负载一定，负载RL变化（负载电流变化）变化（负载电流变化）UO 基本不变基本不变 IR (IRR) 基本不变基本不变限流调压限流调压稳压电路稳压电路RL (IO ) IR IZ UR UO (UZ ) +UIRL+CIOUO+uIRRDZIzUI=1.2U，UO = UZ ， IR =