二极管及直流稳压电路

教材:电路与电子简明教程

主讲教师:张军颖《电子技术》6.1

半导体的基本知识6.2半导体二极管6.3

稳压二极管6.4

整流、滤波及稳压电路第6章二极管及直流稳压电路6.1

半导体的基本知识半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料的特性:纯净半导体的导电能力很差；热敏特性:温度升高--导电能力增强(如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻)；光敏特性:光照增强--导电能力增强(如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻)；掺入少量杂质--导电能力增强(可做成半导体二极管、半导体三极管)。

本征半导体1.本征半导体:完全纯净、具有晶体结构的半导体。最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素,每个原子最外层电子数为4。++SiGe共价键

本征半导体本征半导体中,每个原子与相邻的四个原子结合。共价键:每个原子的外层一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对,这电子对叫共价键。2.共价键结构这对价电子是由相邻两个原子共有,把相邻原子结合在一起,构成共价键结构。共价键价电子共价键价电子自由电子和空穴同时产生

本征半导体获取能量自由电子升温和光照外加电压电子电流离开剩空穴原子带正电吸引相邻原子价电子填补空穴好像空穴在运动（正电荷）外加电压空穴电流与金属导电的区别硅原子自由电子3.自由电子和空穴的形成硅原子载流子:自由电子和空穴都称为载流子。共价键价电子

本征半导体半导体中的自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断进行复合。在一定温度下,载流子的产生与复合会达到动态平衡,载流子便维持一定数目。半导体两端加外电压时,半导体中出现两部分电流：一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；一是被原子核束缚价电子填补空穴所形成的空穴电流。温度愈高,载流子数目就愈多,导电性能就愈好—温度对半导体器件性能影响很大。6.1.2N型半导体和P型半导体在常温下,本征半导体的载流子数量极少,其导电能力相当低。如在半导体中掺入微量杂质元素,将得到掺杂半导体,而掺杂半导体的导电能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同,掺杂半导体可分为两大类——N型半导体和P型半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入微量磷(或五价元素),不改变原子的晶体结构,只是某些位置的硅原子被磷原子取代,磷原子与周围四个硅原子形成共价键后,磷原子的外层电子数将是9,比稳定结构多一个价电子。1.N型半导体P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余电子掺入磷杂质的半导体中,自由电子数目大量增加。自由电子导电是主要的导电方式,称为电子半导体或N型半导体,其中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。自由电子数比本征半导体中自由电子数多,空穴数比本征半导体中空穴数少。2.P型半导体在本征半导体中掺入微量硼(三价元素)。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴掺入硼杂质的半导体中,空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子,自由电子是少数载流子,空穴导电是主要导电方式,称为空穴型半导体或P型半导体。不论是N型半导体还是P型半导体,都只有一种载流子占多数,然而整个半导体晶体仍是电中性的。？6.1.3PN结及其单向导电性PN空间电荷区根据浓度梯度,多数载流子将进行扩散运动。耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区;这空间电荷区就是PN结(内电场)也称耗尽层。内电场阻碍了多子的继续扩散,推动少数载流子的漂移运动,最终达到动态平衡,空间电荷区即PN结宽度一定。P区:空穴多自由电子少N区:空穴少自由电子多内电场1.PN结的形成漂移运动:少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。空间电荷区P区N区载流子的运动有两种形式：扩散运动:由浓度梯度引起的多子从高浓度区向低浓度区的运动。漂移运动:少数载流子受内电场作用沿电场力方向的运动。耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡,PN结的厚度就一定。6.1.3PN结及其单向导电性6.1.3PN结及其单向导电性PN++-2.PN结的单向导电性1).加正向电压P区接电源正极、N区接负极。内电场方向外电场方向载流子运动的动态平衡被破坏。外电场作用P区空穴进入PNN区电子进入PNPN结内正负离子被抵消PN结变窄内电场弱变窄扩散增强漂移变弱多子运动形成较大正向电流外电源不断提供电荷维持电流。外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结电阻很低。I2.PN结的单向导电性2).加反向电压P区接外电源的负极,N区接正极。PN+内电场方向外电场方向载流子运动的动态平衡被破坏。外电场作用变宽PN结变宽内电场增强扩散难进行漂移增强I≈0PN结电阻很高I≈0PN结具有单向导电性,即正向导通、反向截止。6.2

半导体二极管在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来,便构成一只半导体二极管,简称二极管。6.2.1

基本结构金属触丝阳极引线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)

面接触型阴极阳极

符号D二极管是由PN结构成的,具有单向导电性。某种硅二极管伏安特性如图：1.正向特性正向:由死区电压分为死区和导通区。(死区电压Si-0.5V,Ge-0.1V)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)40200-0.5V:电压低→外电场<内电场→正向电流≈

0。>0.5V:电压高→外电场>内电场→内电场大大削弱→正向电流大→导通。导通压降:Si0.6～0.7V,Ge0.2～0.3V6.2.2

二极管的伏安特性死区导通区死区电压击穿区截止区:反向电压小→漂移强(少子)→反向电流很小→反向饱和电流U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060

(A)40202.反向特性：由击穿电压分为截止区和击穿区。击穿区:反向电压增大到一定值时→反向电流将突然增大→二极管失去单向导电性→击穿→不可逆。击穿电压截止区

二极管的伏安特性二极管特性可用伏安曲线表示,也可用二极管参数来说明。二极管的主要参数有：1.最大整流电流IOM

:二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。当电流>IOM

时,PN结过热而使管子损坏。2.反向工作峰值电压URWM:指二极管使用时允许加的最大反向电压。一般为反向击穿电压的1/2至2/3。3.反向峰值电流IRM:

二极管加反向峰值电压时的反向电流值。受温度影响很大。

二极管的主要参数4.最高工作频率fM:二极管所能承受的外施电压的最高频率。

总之,温度对二极管特性有较大的影响,随着温度的升高,反向电流增大,正向压降减小。6.2.4

二极管的应用应用:整流、检波、限幅、元件保护、开关元件。电路分析:二极管理想时,正向导通时压降为零,非理想时,导通压降:Si0.6～0.7V,Ge0.2～0.3V;反向截止时二极管为断开。因为VB>VA,D2优先导通,D2导通后,D1上加的是反向电压,因而截止。例1:如图,求输出端Y的电位VY。AB0V3VR-12VYD1D2解：则:VY=3V。D2起钳位作用,把VY钳制在3V;D1起隔离作用,隔离输入A和输出Y。分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位的高低。若V阳＞V阴,二极管导通;若V阳＜V阴,二极管截止。例2:电路如图,己知输入电压ui=10sintV,电源电动势E=5V,二极管为理想元件,试画出输出电压uo的波形。解:当ui≤5V时,二极管D截止,故uo=ui。当ui＞5V时,二极管D导通,则uo=E=5V。uo被限制在5V以内,二极管起限幅作用。波形如下图。1.如图,二极管D1.D2为理想元件,判断D1.D2的工作状态为()。(a).D1导通,D2截止(b).D1

导通,D2导通(c).D1截止,D2导通(d).D1截止,D2截止a2.半导体二极管的主要特点是具有（）。(a)电流放大作用(b)单向导电性 (c)电压放大作用b6.3

稳压二极管稳压管:是一种特殊的面接触型硅二极管。在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。稳压管的图形符号：6.3.1

稳压管的伏安特性U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向正常工作于反向击穿区,电流在很大范围内变化,电压变化很小,即它能起稳压的作用。反向击穿是可逆的。在电路中稳压管是反向联接的。UZIZIZUZIZM1．稳定电压UZ

稳压管在正常工作时两端的电压,就是它的反向击穿电压。同一型号稳压管UZ也不一定相等。

2．稳定电流IZ

指稳压管工作电压等于稳定电压时的电流。每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM,超过它,易发生热击穿(不可逆),稳压管损毁,IZ<IZM。6.3.2

稳压管的主要参数3．动态电阻rZ

指稳压管两端电压的变化量与相应电流变化量的比值。U(V)0I(mA)反向正向UZIZIZMIZUZ4.电压温度系数u:说明稳压值受温度影响的参数。温度每变化一度时,它的稳压值变化值。特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。因此选用6V左右的稳压管,具有较好的温度稳定性。6.3.2

稳压管的主要参数5.最大允许耗散功耗PZM:保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。其值为稳定电压和允许的最大电流乘积。例题1：如图,通过稳压管的电流IZ等于多少？解：UR=20-12=8VIZ=IR=8/1.6=5mA<18mA例题2:若R1=12kΩ，I1=?IZ=？R1=12kΩI1=？I1=UZ/R1=12/12=1mAIZ=IR-I1=5-1=4mA+20VIZR=1.6kΩUz=12VIZM=18mA+DZ-IR交流电源负载变压整流滤波稳压ututututut直流稳压电源组成:变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。电源变压器:将交流电降压,变换为所需要的电压值；整流电路:将交流电压转换为单向脉动直流电压；滤波电路:将交流分量滤出,使输出电压平滑；稳压电路:使输出电压不受电网电压的波动、负载和温度变化的影响,提高输出电压的稳定性。

6.4

整流、滤波及稳压电路io如图:设变压器副边电压:单相整流电路:将交流电压变换为单向脉动电压的电路。整流元件是具有单向导电能力的二极管或晶闸管。TrDRL+ab~uuottuuoio1单相半波整流电路u>0时,

二极管导通,u0=u；而u<0时,二极管截止,u0=0。6.4.1

单相小功率整流电路单相半波整流电压的平均值:TUo则整流输出电流的平均值为:1

单相半波整流电路二极管所承受的最高反向电压：二极管流过的电流:ID=Io。选择二极管的依据：ωt0u2ppURWM比UDRM大一倍左右iDTrRLab~uuoD解查二极管参数,选用2AP4(16mA,50V)。例:有一单相整流电路,负载电阻为900,变压器副边电压为20V,试求Uo,Io及UDRM,并选用二极管。常采用全波整流电路,最常见的是桥式整流电路。a~TrRLbuuo2

单相桥式整流电路~RLuuo~RLuou~RLuuo2

单相桥式整流电路u>0时,D1.D3导通,而D2.D4截止；uoa~TrRLbuD1D2D3D4ωt0uoTu＜0时,D2.D4导通,而D1.D3截止。Uo工作情况:-+io管中电流：管承受的最高反向电压：例:桥式整流电路,已知RL=160Ω,要求输出电压的平均值为20V,试选择合适的二极管。解：因U0=20V,Io=Uo/RL=20/160=125mA流过二极管的平均电流为ID=0.5Io=0.5×125=62.5mA变压器副边电压的有效值为U=Uo/0.9=20/0.9=22.2V二极管承受的最高反向电压为

查附录C-1可知,应选用2CZ52B(100mA,50V)二极管。

常见的几种整流电路UUoIoUUoIoUUoUIo整流电压平均值t0uot0uot0uo电路整流电压波形二极管平均电流二极管最高反向电压副边电流有效值半波全波桥式

滤波电路整流电路仅将交流电转换成单向脉动的电压。需滤波器改善电压的脉动程度。1电容滤波电路DRLTrab~uC=uoCt0ut0uD截止D导通D导通D截止D导通电容滤波器的作用uc>u+u--++-无滤波有滤波二极管UDRM=2√2U当RL=∞时,UO=√2U,输出最大。改善了输出电压的脉动程度,但带负载能力较差。采用电容滤波时,输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有关