电工学第五章

第六章2013

年9月第六章整流、滤波及稳压电路半导体的导电特性6-1半导体二极管6-2稳压管6-3本章内容整流、滤波及其稳压电路6-41.PN结的单向导电性3.稳压二极管的稳压原理本章重点：2.二极管的伏安特性4.二极管的整流、滤波电路工作原理6-1半导体的导电特性知识准备：物质按导电性能划分：导体、绝缘体和半导体。导体：一般是低价元素，如铜、铁、铝等金属在外电场的作用下自由电子定向流动形成了电流。导体具有较好的导电性。绝缘体：一般为高价元素，如橡胶、塑料、惰性气体绝缘体导电性差。物质的导电性能取决于：原子结构，最外层电子数目越少，导电性就越强。6-1半导体的导电特性6-1-1本征半导体1、半导体导电特性

半导体：导电性介于导体和绝缘体之间。典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。(可做成温度敏感元件，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(可做成各种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(可做成各种光敏元件，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，导电能力显著增强通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。2本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健

Si

Si

Si

Si价电子共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多，自由电子和空穴成对出现。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）称为复合运动。本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)常温下本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

(3)

相同条件下，本征半导体较一般半导体导电性弱很多。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。6-1-2N型半导体和P型半导体（掺杂半导体）

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成掺杂半导体。因掺的杂质不同分为：N型半导体和P型半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入P元素越多，导电性越强。6-1-2N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。对同一块半导体，一端掺入受主杂质，成为P型半导体；另一端掺入施主杂质，成为N型半导体，这两种杂质半导体紧密地结合在一起。于是在接触面便形成一个PN结。6-1-3PN结的形成及其单向导电性扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动气体液体固体PN结的形成原理：多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区称为PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区注：PN结的结电容很小

P接正、N接负外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（三）PN结2、PN结的单向导电性（1）PN结外加正向电压PN结正偏PN结正向导通外电场与内电场方向相反有利于扩散进行扩散>漂移PN结变窄外部电源不断提供电荷产生较大的扩散电流IF外电场IR

P接负、N接正–+内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（2）PN结外加反向电压PN结反偏PN结反向截止外电场与内电场方向相同有利于漂移进行漂移>扩散PN结变宽少数载流子运动产生较小的反向电流IR总结：ＰＮ结加正向电压导通ＰＮ结加反向电压截止ＰＮ结单向导电性（一）基本结构和分类PN阳极阴极6-2半导体二极管符号：P+_NPN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。（二）伏安特性二极管阳极与阴极之间的电压与流过电流之间的关系曲线

通常使用二极管时应保证其工作在正向导通或反向截止状态，故认为二极管正偏则导通，反偏则截止——单向导电性

B硅UIAAB伏安特性曲线锗正向：OA段（死区）硅管约0.5V，锗管约0.2V(死区电压）正向导通：硅管约0.7V，锗管约0.3V（导通电压或称管降）理想状态认为管降为0V反向：OB段（截止区）I近似为0击穿区管子被击穿，UB反向击穿电压UI理想特性曲线+-UI-+UIo（三）主要参数1.最大整流电流IDM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UDRM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UB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IDRM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，IDRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管在电子技术中有广泛的用途。整流（四）二极管的应用利用其单向导通特性，可以实现以下电路：限幅实现逻辑电路检波将交流电转化成直流电当输入信号电压在一定范围内时，输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超过该范围时，输出电压保持不变实现逻辑运算（钳位）将调波信号的语音信号取出来保护电路或在数字电路中作开关元件电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V若考虑管降，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：二极管的钳位作用取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–（四）二极管的应用1、二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止考虑管降，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V若

V阳

>V阴或

UD为正，二极管导通若

V阳

<V阴或

UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，二极管相当于导线；

反向截止时二极管相当于开路。

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。总结：两个二极管的阴极接在一起取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=－12VUD1=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，UAB

=0V例:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–例2：“与”逻辑:+6VRDAVAVBVYDB当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位VY。理想二极管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB优先导通，DA截止。锗二极管：VY=VB+UD=0.3V硅二极管：VY=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB∵

UDA>UDB

∴DA优先导通，DB截止。理想二极管：VY=VA=3V锗二极管：VY=VA

-

UD=2.7V硅二极管：VY=VA-

UD=2.3V+6VRDAuAuBuoDBt/suA/V3Vt/suB/V3Vt/suo/V3V均导通DB导通DA导通均导通当输入均为同3V时，输出才为3V当输入有一为0V时，输出为0V实现了“与”门逻辑2、多个二极管连接：若

共阴极，阳级最高一个先导通若

共阳级，阴级最低一个先导通先导通的一个二极管起钳位作用。

总结：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。8V例3限幅作用：ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––1.符号UZIZminIZmaxUZ

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反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。-+UIO6-3稳压二极管UZRUoUi++––稳压原理：RL1、Ui↑IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑UR↑Uo↓若△UR=△Ui，则UO基本不变2、RL

↑(Ui不变）IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑IL↓RL

↑IR↓若△IL=-△IDZ，则UO基本不变+-IRIDZILUi=UR+UoUZ=UoIR=IDZ+IL→Uo（UZ）↓Uo（UZ）↑UIUZIZminIZmax3.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，IZmin＜IZ＜

IZmax(4)最大允许耗散功率PZM=UZIZMaxrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。例

1

稳压二极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui分别为直流10V、3V、-5V时，求输出电压UO；若ui=10sinωtV，试画出uo的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui=10V：DZ工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向导通状态，UO=0Vui=10sinωtV：ui正半周，当ui>UZ，DZ反向击穿，uO=5V当ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui负半周，DZ正向导通，uO=0V5V功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压6-4整流、滤波及稳压电路小功率直流稳压电源的组成整流电路的作用:

将交流电压转变为单向脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流。单相桥式整流电路用得最普遍。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6-4-1整流电路

–++–aTrDuou2bRLio+–u1分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。u2

正半周，Va>Vb，D导通，uo=u2

u2

负半周，Va<Vb，D截止，uo=0

uoOu2tO二极管起整流作用6-4整流、滤波及稳压电路6-4-1-1单相半波整流电路整流电流的平均值：流过二极管的正向电流的平均值→Io＜IDM选管条件之一

–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDO

uoOu2tO二极管UDRM=uD=u2-uo

u2

负半周，D截止，承受反向电压

为了使用安全，选择二极管时，反向工作峰值电压要比UDRM

大一倍左右。选管条件之二

–++–aTrDuou2bRLio+–u1如图所示的单相半波整流电路，负载RL=500Ω，变压器副边电压有效值U2=10V，求UO、Io及UDRM并选用适合二极管。选管时应满足：IDM

Io

，URWMUDRM

查附录二。可选择2AP2（16mA，30V）

单相半波整流电路特点：

结构简单

输出电压低脉动大，变压器使用效率低用于小电流、脉动要求不严格的电路（一）电路及工作原理Flash56-4-1-2单相桥式整流电路（二）数量关系1、负载直流电压平均值2、负载直流电流平均值3、变压器副边电流有效值I2===ppwwpwp02209.0sin211UttdUtduUoo∫∫根据输出电压数值来决定变压器副边电压的有效值。副边电压和电流的有效值是选择变压器的重要依据。4、流过每管的电流平均值ID5、每管承受的最高反向电压UDRM同半波整流一样，选管时应满足：

IDM

ID

，URWMUDRM

u0u2u2u1abD4D2D1D3RL+_i0例2:如图所示的单相桥式整流电路，要求输出直流电压Uo为12V，电流Io为10mA，试选择二极管并确定变压器副边电压和电流的有效值。

查附录二。可选择2CP11（100mA，50V）

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

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,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联或将电感与负载RL串联。6-4-2滤波电路1、工作原理6-4-2-1电容滤波电路u0u2u2u1abD4D2D1D3RLC+_uCi0

u2

正半周，D1、D3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

。（oa段）uou2tOtOa

uc＞u2

，D1、D3截止，电容C通过RL放电，uo=uC。（ab段）b

注：放电的快慢取决于τ=RLC，τ愈大，放电愈慢，输出电压愈平缓

u2

负半周，u2＞ucD2、D4导通，电源又给电容充电，uC

增加，uo=uC

。（bc段）c2.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(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。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）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1.2U无电容滤波0.9U

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选管时一般取：

IDM=（2-3）ID

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。iDtuotOO1.电路结构L

uRLuo++––~2.滤波原理对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对交流分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。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。

电感滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。6-4-2-2电感