二极管及直流稳压电源

第5章二极管及直流稳压电源5.3半导体二极管5.4整流电路5.5滤波器5.2PN结及其单向导电性5.1半导体的导电特性5.6稳压二极管及稳压电路本章要求：

一、理解PN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；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；

五、了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作原理。导体、绝缘体、半导体——取决于特点举例导体容易传导电流如铜、铝、银等金属绝缘体几乎不传导电流如塑料、陶瓷、橡皮、玻璃等半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。另具有光敏、热敏及掺杂等特性如硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等5.1

半导体的导电特性原子结构5.1

半导体的导电特性半导体的导电特性：(温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强一、本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体本征半导体的结构共价健共价键：两个原子外层电子的共有轨道

Si

Si

Si

Si无杂质稳定的结构自由电子空穴由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留下一个空位置，称为空穴价电子自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。温度一定时，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，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浓度相同。产生电子空穴的现象称为本征激发。本征半导体的结构2、本征半导体中的两种载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，导电性很差。运载电荷的粒子称为载流子。自由电子和空穴都称为载流子(电子-空穴对)温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。

热力学温度0K时不导电载流子温度对半导体器件性能影响很大二、杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子1、N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。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。磷（P）N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子N型半导体多数载流子2、P型半导体硼（B）P型半导体中主要由空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强杂质半导体中，温度变化时载流子的数目同时变化；少子与多子变化的数目相同，少子与多子浓度的变化不相同。P型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子P型半导体扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N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行。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体都存在这种现象。扩散运动空穴浓度高于N区自由电子浓度高于P区一、PN结的形成5.2PN结及其单向导电性一、PN结的形成因电场作用所产生的少数载流子运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场（空间电荷区），从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。5.2PN结及其单向导电特性二、PN结的单向导电性

1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，多数载流子扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于正向导通状态，正向电阻很小。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR

P接负、N接正–+PN结加反向电压截止：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运动，形成反向漂移电流。由于电流很小，反向电阻很大，近似认为截止（OFF）。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－三、PN结伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降

正向特性反向特性特点：非线性硅0.7V锗0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数当PN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PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿——可逆

电击穿

1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量

（a.减少、b.不变、c.增多）。

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）思考题：无论N型或P型半导体都是中性的，对外是否显电性?(a.显、b不显)5.3

半导体二极管一、基本结构(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二极管实质是PN结，P型半导体为阳极、N型半导体为阴极。阴极阳极(

d

)符号D阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a

)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b

)面接触型5.3

半导体二极管二极管的结构示意图二、伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿电压U(BR)导通压降●外加电压大于死区电压二极管才能导通◆外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性正向特性反向特性特点：非线性硅0.7V锗0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。三、主要参数1.

最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流2.

反向工作峰值电压URWM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UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.

反向峰值电流IRM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，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。小结：二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

四、二极管电路分析举例(应用)定性分析：判断二极管的工作状态导通截止★否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V

◆分析方法：

将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若二极管V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若二极管V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止★若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。（二极管软开关作用）理想模型导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0恒压降模型电路如图，求：UAB∵

V阳

=－6VV阴=－12V，∴V阳>V阴二极管导通★若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V★否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：分析思路：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。小结：二极管起钳位作用D6V12V3kBAUAB+–分析思路：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12V∴UD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。★若忽略管压降，二极管可看作短路，则UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB小结：D2钳位，D1隔离

BD16V12V3kAD2UAB+–（两个二极管的阴极接在一起）ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。例3：ui18V二极管阴极电位为8V，ui与8V进行比较D8VRuoui++––8Vuo8V分析思路：分析之初认为二极管断开小结：D限幅1.光电二极管------利用PN结的光敏性反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加符号2.发光二极管------利用发光材料

有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几~几十mA光电二极管发光二极管五、其它类型二极管二极管的用途：(单向导电性）钳位、元件保护、限幅、开关、整流、检波等小结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，产生漂移电流（数值很小）。单向导电特性直流稳压电源5.4直流稳压电源—整流电路u4uou3u2u1220V&50Hz交流电源负载变压整流滤波稳压功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压将双向脉动变单向脉动滤除交流成分，脉动程度减小将输出电压稳定改变电压幅值，不改变相位整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大整流原理：

利用二极管的单向导电性一、单相半波整流电路2.工作原理u正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构

–++–aTrDuoubRLiouDOutOuoO

–++–aTrDuoubRLio4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压

UDRM5.整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：最大整流平均电流IOM

ID

最高反向工作电压URWMUDRM

二、单相桥式整流电路2.工作原理

u

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.电路结构－uouDttuuD1uD3

u

负半周，Vb>Va，二极管

D2、

D4

导通，D1、

D3

截止。RLuiouo1234ab

四只管子如何接？4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压

UDRM每两个二极管串联导电半周每个二极管中流过的平均电流为I0/2电路整流电压平均值Uo整流电流平均值Io流过每管电流平均值ID每管承受的最高反向电压UDRM单向半波整流0.45UIo单向桥式整流0.9UIo/2例：试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，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

解：当D2或D4断开后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。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoouo~uRLD2D4D1D3如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，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。如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，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。uo~uRLD2D4D1D3小结PN结形成过程

——理解华成英.模拟电子技术基础（第四版）.清华大学出版社，20062.PN结形成后的特点—正向：导通

——掌握

反向：截止3.二极管电路分析—模型及分析方法

——掌握4.整流电路的作用及其电路结构

——掌握

★交流脉动的直流

★单相半波整流

↓

单相桥式整流

（四个管的连接方式）整流电压平均值Uo整流电流平均值Io流过每管电流平均值ID每管承受的最高反向电压UDRM（与Uo反相）5.5

滤波器交流电压经整流电路整流后输出的是脉动较大的直流，含有较大的谐波成分滤波器作用：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压，达到平滑输出电压波形/改善脉动程度目的滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)

一、电容滤波器（半波整流）

1.电路结构2.工作原理u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

+C

–++–aDuoubRLio3.工作波形二极管承受的最高反向电压为（此时负载断开）uoutOtOu>uCu＜uC电源电压u与电容端电压uc比较4.电容滤波电路的特点(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关RLC越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo

越大，波形越平滑整流输出电压近似估算取值：Uo

=1.0U

（单相半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U无电容滤波0.45U

UooIO结论采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差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。(3)流过二极管的瞬时电流很大RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大(冲击电流)iDtuotOO二、电容滤波器（桥式整流）整流输出电压近似估算取值：Uo

=1.2UuRLuo+–~+C输出波形更加平缓，电压值也有所增加，使用更多变压器二次侧电压单相桥式整流电路输出电压电容滤波后的uo自己分析：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，已知交流电源频率

f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo+–~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100m,UDRM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo+–~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器三、电感电容滤波器1.电路结构2.滤波原理直流分量:XL=0,L相当于短路,电压大部分降在RL上谐波分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上当流过电感的电流发生变化时,线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。LC滤波适用于电流较大、输出电压脉动较小的场合，更适用于高频L

uRLuo+–~+C在负载上得到比较平滑的直流电压5.6

稳压二极管及稳压电路1.符号UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压★使用时要加限流电阻稳压管是由一个PN结组成，反向击穿后，在一定的电流范围内两端电压基本不变，利用此特性，稳定电压。UIO进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流+_阳极阴极DZ3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压(5)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数(3)动态电阻(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(4)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好正向导通区反向截止区稳压工作区4.三个工作区◆当稳压管工作在正向偏置时作为一个普通二极管使用方法在使用稳压管用来稳定某一电压UO时，稳压管必须电击穿，且稳压管DZ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；为保证稳压管安全工作，应串入限流电阻R。RLRDZuiUZUO+稳压电路

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。●稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZ设UI一定，负载RL变化（负载电流变化）UO

基本不变IR

(IRR)基本不变1.电路限流调压稳压电路RL(IO)IRIZUR

UO

(UZ

)+–UIR