模拟电子技术项目化教程（第2版）课件 项目1：直流稳压电源电路

半导体基础知识根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间半导体材料有：硅Si、锗Ge、硒Se、砷化镓GaAs等。半导体具有以下特性：（1）热敏特性：温度升高，大多数半导体的电阻率下降。（2）光敏特性：许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。（3）掺杂特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素（如磷、硼等）时，其导电能力会增加几十万甚至几百万倍。半导体及其特性单晶体的晶格结构是完全对称，原子排列得非常整齐，故常称为晶体。本征半导体（Insrinsicsemiconductor）：完全纯净、结构完整的半导体晶体本征半导体典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。本征半导体Si硅原子Ge锗原子硅、

锗原子的简化模型半导体的共价键结构特点—在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电。本征半导体两个价电子的共价键正离子核本征半导体本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。载流子：自由运动的带电粒子电子空穴成对出现，数量少，当温度越高、光照越强时，载流子数越多。光敏性、热敏性自由电子空穴＋自由电子(带负电)空穴(带正电)载流子N型半导体—本征半导体中掺入微量五价元素，如磷、砷（杂质）所构成。P型半导体—本征半导体中掺入微量三价元素，如棚、铟（杂质）所构成。本征半导体正离子多数载流子少数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数负离子多数载流子少数载流子空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数电中性载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动

P型半导体N型半导体PN结的形成多子：空穴多子：自由电子少子：自由电子少子：空穴载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动PN结的形成内电场载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动（多子）漂移运动——在电场作用下，载流子的移动（少子）PN结的形成内电场载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动（多子）漂移运动——在电场作用下，载流子的移动（少子）

PN结：是指P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结的形成内电场PN结正向偏置—外加正向电压（P+、N–）或VP>VN外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。扩散运动加强形成正向电流IF

=I多子

I少子

I多子(正向导通)PN结的单向导电性P区N区内电场+

UR外电场IF限流电阻PN结反向偏置—外加反向电压（P–、N+）或VP<VN外电场使多子背离PN结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流IR

=I少子

0(反向截止)PN结的单向导电性P区N区内电场

+UR外电场IRPN结的单向导电性：

PN结正偏导通，呈低阻态，正向电流IF较大；PN结反偏截止，呈高阻态，反向电流IR很小。PN结的单向导电性认识半导体二极管认识半导体二极管发光二极管整流二极管检波二极管开关二极管稳压二极管结构：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：分类：二极管的结构及分类阳(正)极ak阴(负)极1、按材料分硅二极管锗二极管2、按用途分普通二极管整流二极管稳压二极管开关二极管PN阳极阴极3、按结构工艺分点接触型面接触型平面型分类：二极管的结构及分类3、按结构工艺分点接触型面接触型平面型点接触型面接触型平面型二极管的伏安特性00.40.8–0.04–0.02硅管的伏安特性604020–25–50ID

/mAUD/V锗管的伏安特性ID

/mAUD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020正向特性反向特性二极管的伏安特性OuD/ViD/mAUon死区电压(开启电压)ID

=0Uon=0.5V0.1V(硅管)(锗管)u

UonID急剧上升0

u

Uon

UF=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

u

0ID=IS<0.1

A(硅)

几十

A(锗)u<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)正向压降反向击穿电压正向特性温度对二极管的影响T

升高时，Uon以

(2

2.5)mV/

C下降，温度每升高10

C，IS约增大1倍。二极管的伏安特性604020–0.0200.4–25–50ID

/mAUD/V20C90C（1）最大整流电流IF：二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。（2）反向工作电压URM：允许加在二极管上的反向电压最大值。（3）反向饱和电流IS：在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。反向饱和电流越小，管子单向导电性能越好。（4）最高工作频率fM：主要取决于PN结结电容的大小。二极管的主要参数谢谢！常见的特殊二极管常见的特殊二极管发光二极管整流二极管光电二极管开关二极管稳压二极管红外发射接收对管1.发光二极管LED(LightEmittingDiode)（1）符号和特性工作条件：正向偏置正向压降通常为1.5~3.5V，正向工作电流为5~40mA常见的特殊二极管符号u/Vi

/mAO2伏安特性直插式LED结构常见的特殊二极管LED发光原理：发光二极管掺杂了特殊的半导体化合物材料，当注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这就是利用注入式电致发光原理制作的发光二极管。而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。（2）LED分类按发光管发光颜色分：材料不同，就可以发出不同颜色的光。常见的特殊二极管砷化镓（GaAs）磷化镓（GaP）氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）RGB全彩LED（2）LED分类按发光管出光面特征分：分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。常见的特殊二极管（2）LED分类按发光管出光面特征分：分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ3mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。常见的特殊二极管（2）LED分类按发光二极管的封装形式分：常见的特殊二极管直插式（THD）贴片式（SMD）（3）引脚识别常见的特殊二极管长脚为正短脚为负支架大的引脚是负极支架小的引脚是正极灯珠帽檐切边为负带孔一端是正极缺角一端是负极+─+─+─+─2.光电二极管（光敏二极管）工作条件：反向偏置常见的特殊二极管符号u/Vi

/mAO伏安特性实物无光照光照增强3.红外对管常见的特殊二极管符号实物应用红外发射管3.红外对管分类：直射式和反射式常见的特殊二极管直射式红外对管又称槽型光耦、对射式光电开关1324反射式红外对管红外对管符号接收管为光电三极管4.快速二极管（肖特基二极管）常见的特殊二极管符号普通二极管肖特基二极管5.变容二极管元件符号：工作条件：反向偏置特点：反向偏压越大，结电容越小;反向偏压越小，结电容越大。常见的特殊二极管P区N区

+UR

谢谢！二极管的常用电路模型1、理想模型二极管的常用电路模型特性：ui电路符号：SS1、理想模型[例]

在图中所示电路中，已知输入电压us

为正弦波。利用二极管理想模型，定性地绘出输出电压uO的波形。二极管的常用电路模型SS2、恒压降模型二极管的常用电路模型UDIDUFUD=UF0.7V(Si)0.2V(Ge)特性：电路符号：SS2、恒压降模型[例]

分别用二极管理想模型和恒压降模型计算回路中电流ID和输出电压UO设二极管为硅管。二极管的常用电路模型US1UOR1kΩID2V6VUS2URab解：假设二极管断开Ua=–2VUb=–6VUa>Ub二极管正偏导通[例]

分别用二极管理想模型和恒压降模型计算回路中电流ID和输出电压UO。设二极管为硅管。二极管的常用电路模型解：已判定二极管正偏导通1.用理想模型UO=

–

US1=–2VUS1UOR1kΩID2V6VUS2URabS[例]

分别用二极管理想模型和恒压降模型计算回路中电流ID和输出电压UO。设二极管为硅管。二极管的常用电路模型2.用恒压降模型UD=0.7VUO=

–(UD+US1)=–(0.7+2)=–2.7VUS1UOR1kΩID2V6VUS2URabS解：已判定二极管正偏导通谢谢！半波整流电路整流：大小和方向都随时间变化的交流电单方向的脉动直流电常见的整流电路：半波整流全波整流桥式整流倍压整流整流电路1、电路结构与工作原理图中TR为电源变压器，RL为电阻性负载

(1)正半周u2瞬时极性a(+)，b(-)，VD正偏导通，二极管和负载上有电流流过。若向压降UF忽略不计，则uo=u2。(2)负半周u2瞬时极性a(-)，b(+)，VD反偏截止，IF≈0，uD=IF。则uo=0半波整流电路u2uLuD3

4

02

设变压器二次绕组的交流电压u2=√2U2sinωt，u2的波形如图所示。

半波整流电路

半波整流电路3、半波整流电路的优缺点优点：电路结构简单，使用的元件少。缺点：只利用了电源的半个周期，电源利用率低；输出波形的脉动大、直流成分比较低；变压器中有直流电流通过，有相对损耗功率。半波整流电路谢谢！全波整流电路电源电压半波整流全波整流全波整流电路1、电路结构与工作原理全波整流电路u2uO13

4

02

+－+－当u2为正半周期时，VD1导通，VD2截止电流由变压器次级上端经VD1→RL→变压器次级中间端，在负载RL上得到半波整流电压1、电路结构与工作原理全波整流电路u2uO13

4

02

uO2－+－+uO当u2为负半周期时，VD1截止，VD2导通电流由变压器次级下端经VD2→RL→变压器次级中间端，在负载RL上得到另一半波整流电压2、主要参数计算（1）负载上直流电压和电流的计算负载上的直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。全波整流电路

全波整流电路3、全波整流电路的优缺点优点：电路结构简单，电源利用率高。缺点：半导体二极管的耐压更高；使用中心抽头变压器，制作成本较高。全波整流电路谢谢！桥式整流电路1、电路结构与工作原理桥式整流电路1、电路结构与工作原理桥式整流电路1、电路结构与工作原理桥式整流电路u2uO13

4

02

+－1、电路结构与工作原理桥式整流电路u2uO13

4

02

－+uO2uO2、参数计算1）负载上直流电压UO

和直流电流IO

的计算2）二极管的选型桥式整流电路二极管整流电路电流

二极管最大反向压3、桥式整流电路的优缺点优点：变压器中只有交流电流通过，所以电源利用率高。缺点：使用二极管较多，电路连接容易出错；个别二极管损坏后，会影响电源输出。桥式整流电路[例]设计一个单相桥式整流电路，要求UO=40V，IO=2A，220V交流电源，试选择整流二极管。桥式整流电路解：变压器副边电压有效值：二极管承受最高反向工作电压：二极管的整流电流：可选择2CZ56CURM=100VIFM=3A

整流电路的比较桥式整流电路单相半波单相全波单相桥式电路原理图输出直流电压UO0.45U20.9U20.9U2二极管整流电流IFIO0.5IO0.5IO最高反压URM优点结构简单输出波形脉动输出波形脉动小，承受反压小缺点输出波形脉动大输出电压低二极管承受反压高变压器要求有抽头需要四只二极管iO+

u2u1+

+

uOiO+

u2u1+

+

uOiO+

u2u1+

+

uOiD1谢谢！滤波电路滤波电路

滤波电路的作用

保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压趋于平滑，接近于理想的直流电压。滤波分类电容滤波电路电感滤波RC-π型滤波电路u23

4

02

交流电uO2滤波后uO1整流后1、半波整流电容滤波电路工作原理电容器具有“隔直流、通交流；阻低频，通高频”的特点电容滤波电路C直流分量交流分量输出波形平滑，实现滤波功能。u20uO0

电容滤波电路2、桥式整流电容滤波电路（1）负载RL没有接入电容滤波电路D1D4D3D2

+u

电容充电Cu23

4

02

交流电uO整流后滤波后RL2、桥式整流电容滤波电路（2）接入负载RL电容滤波电路D1D4D3D2

+u

Cu23

4

02

交流电uO整流后RL滤波后电容充电2、桥式整流电容滤波电路（2）接入负载RL电容滤波电路D1D4D3D2

+u

Cu23

4

02

交流电uO整流后RL滤波后电容放电

电容滤波电路OtuO

2

RL=

UO=(1.1~1.2)U2一般取UO=1.2U23、电容滤波电路输出特性电容滤波电路OUOIO输出电压随输出电流的增大而明显降低，带负载能力差。一般用于负载电流较小且变化不大的场合。电容滤波电路优缺点：优点—电路简单，输出直流电压较高，纹波较小。缺点

—

带负载能力差。[例]要求直流输出电压UO

=

24

V，IO=

120

mA，220V的交流电源频率f=

50

Hz，采用单相桥式整流电容滤波，选择元件。[解]1.电源变压器参数计算变压器变比：变压器副边电流：I2=2IO=2

120mA=240mA2.整流二极管选择二极管平均电流：承受最高反压：3.选滤波电容电容滤波电路

2CZ53B:IF

=

0.3AURM

=

50V硅堆QL3:0.2A,50V电解电容:200F耐压50V

电感元件具有“通直流、阻交流”的特点负载上输出的电压平均值：UO

≈0.9U2电感滤波电路u23

4

02

交流电uO滤波后D1D4D3D2

+u

RLL直流分量交流分量电感滤波电路电感滤波电路优缺点：优点—整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦；

f越高，L越大，RL越小，滤波效果越好。缺点

—电感线圈体积一般比较大，且易引起电磁干扰。电感滤波一般只适用于低电压，大电流场合。电路结构复式滤波电路RLD1D4D3D2

+u

CLRLD1D4D3D2

+u

C2LC1Γ型滤波电路π型滤波电路C2C1R电路分类复式滤波电路CLC2C1RΓ型滤波π型滤波C2LC1复式滤波RCLCRL各种滤波电路比较类型电容滤波电感滤波RC-

型LC-

型LC-

型UO≈1.2UO≈1.2UO≈1.2UO≈1.2UO≈0.9UO二极管冲击电流大小大大小带载能力差强差差强适用场合小电流大电流小电流小电流大/小电流其它特点电路简单电感笨重成本高纹波减小但R上有直流压降纹波减小，但电感笨重成本高纹波减小，适应性较强，但有电感成本高谢谢！认识稳压二极管稳压电路u2交流电uO2滤波后uO1整流后uO3稳压后整流电路滤波电路稳压电路交流电恒定直流电uO1uO2uO3u2自动调整元件1、硅稳压二极管及其伏安特性认识稳压二极管符号：工作条件：反向击穿ak特性：IUOUZIZminIZMIZ+––+特点：*正向特性与普通二极相同*反向击穿特性较陡*反向击穿电压几~几十V，*在允许范围内为电击穿

IZ

UZ2、稳压二极管主要参数认识稳压二极管IUOUZIZminIZM

UZ

IZ

IZ2）

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。1）稳定电流IZ

越大稳压效果越好，小于Izmin时不稳压。4）最大工作电流IZM5）最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM3）动态电阻rZ（几

几十

）rZ=

UZ/

IZ

越小稳压效果越好2、稳压二极管主要参数认识稳压二极管6）稳定电压温度系数UZ<4V，CTV<0（为齐纳击穿）具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0（为雪崩击穿）具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小，稳压更好。[例]

UZ1

=

8

V，UZ2

=

6

V

，ui

=

12sintV

，画uO波形，设稳压管是硅管。解：（1）ui正半波，DZ1反偏，

DZ2正偏uO=ui（2）当ui

UZ1+UF2=8.7V时DZ1反向击穿，

DZ2正向导通uO

=

UZ1+UF2=8.7V（3）ui负半波，DZ1正偏，

DZ2反偏uO=ui（4）当|ui|

UF1+UZ2=

6.7V时DZ2反向击穿，

DZ1正向导通uO

=−(UF1+UZ2)=−6.7V认识稳压二极管使用稳压二极管的注意事项必须工作在反向偏置（利用正向特性稳压除外）。工作电流应在IZ和IZM之间。串联使用时，稳压值等于各管稳压值之和。不能并联使用，以免因不同管子稳压值的差异造成电流分配不均匀，引起管子过载损坏。认识稳压二极管稳压二极管的识别与检测①直观识别稳压二极管的极性金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。②用万用表判别稳压二极管的极性稳压二极管极性判别的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1k档，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。若测得稳压二极管的正、反向电阻均很小或均为无穷大，则说明该二极管已击穿或开路损坏。认识稳压二极管稳压二极管与整流二极管的区分首先利用万用表R×1k挡，按前述方法把被测管的正、负电极判断出来。然后将万用表拨至R×10k挡上，黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，若此时测得的反向电阻值比用R×1k挡测量的反向电阻小很多，说明被测管为稳压管；反之，如果测得的反向电阻值仍很大，说明该管为整流二极管。认识稳压二极管谢谢！并联型稳压电路直流稳压电源系统的组成电源变压器整流电路滤波电路稳压电路并联型稳压电路稳压电路的分类1.按调整器件的类型可分为2.按调整器件的连接方式可分为3.按调整器件的工作状态可分为并联型稳压电路二级管稳压电路三极管稳压电路可控硅稳压电路集成稳压电路线性稳压电路开关稳压电路并联型稳压电路串联型稳压电路稳压管稳压电路（并联型）并联型稳压电路IUOUZIZIZMUIUORRLIR=IZ+IOUO=UI

–IRR当UI波动时(RL不变)

IRIOIZ

反之亦然

UZ

IZ稳压管稳压电路（并联型）并联型稳压电路UIUORRLIR=IZ+IOUO=UI

–IRR当RL变化时(UI不变)IRIOIZ

IUOUZIZIZM

UZ

IZ

电路参数计算并联型稳压电路UIUORRLIOIRIZ1.稳压管的选型UZ=UO，IZM

=(1.5~3)IO(max)2.输入电压的确定UI=(1.5~2)UO3.限流电阻的确定

R最小应保证稳压管电流<IZMR

最大应保证稳压管电流

>IZ

0.9UI1.1UI0

并联型稳压电路并联型稳压电路的优缺点：优点：电路简单，负载短路不损坏稳压管。缺点：IO变化范围小，稳压性能差并有静态偏差，Ro较大。谢谢！三端固定式集成稳压器三端固定式集成稳压器直插式三端固定稳压器贴片式三端固定稳压器集成稳压器符号1.

78、79系列的型号命名三端固定式集成稳压器CW78xx

系列(正电源)CW79xx系列(负电源)5V/6V/9V/12V/15V/18V/24V输出电流输出电压例如：CW7805 输出5V，

最大电流1.5ACW78M05输出5V，

最大电流0.5ACW79L12 输出-12V，

最大电流0.1A字母符号LM无字THP电流值0.1A0.5A1.5A3A5A10A2.三端固定式集成稳压器的封装及引脚排列三端固定式集成稳压器金属外壳TO-3封装直插式TO-220封