電工與電子技術(shù)單元6半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源ppt課件

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電工與電子技術(shù),下篇 工業(yè)電子學(xué) 單元6 半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源,1,單元6 半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源,【知識(shí)點(diǎn)】 本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性；PN結(jié)及其特性；二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性及主要參數(shù)；特殊二極管的用途；單相橋式整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路的組成、工作原理、分析計(jì)算方法、元件的選用；集成穩(wěn)壓器的使用。 【能力目標(biāo)】 能認(rèn)識(shí)和識(shí)別一般的電子設(shè)備中的二極管的型號(hào)及在電路中的作用；具有對(duì)單相橋式整流電容濾波電路進(jìn)行分析計(jì)算和正確選擇元器件的能力；熟悉直流穩(wěn)壓電源的使用。,2,目 錄,單元6 半導(dǎo)體二極管與直流穩(wěn)壓電源,3,6.1 半導(dǎo)體二極管,在自然界中，存在著許多不同的物質(zhì)，有的物質(zhì)很容易傳導(dǎo)電流，稱為導(dǎo)體。有的物質(zhì)幾乎不傳導(dǎo)電流，稱為絕緣體。此外還有一類物質(zhì)，它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，稱它為半導(dǎo)體。常見(jiàn)的半導(dǎo)體如鍺、硅、硒化鎵、一些硫化物和氧化物等。半導(dǎo)體除了在導(dǎo)電能力方面與導(dǎo)體和絕緣體不同外，還具有不同于其他物質(zhì)的特點(diǎn)，例如，半導(dǎo)體受到外界光和熱的刺激時(shí)或者在純凈的半導(dǎo)體中加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電性能會(huì)發(fā)生顯著變化。其中半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降，呈負(fù)溫度系數(shù)的特性；半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度上升而明顯增加；半導(dǎo)體的電阻率隨光照的不同而變化；在純凈的半導(dǎo)體摻入少量的雜質(zhì)，它的導(dǎo)電能力會(huì)得到顯著的提高。這就是半導(dǎo)體的特點(diǎn)。,6.1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),6.1 半導(dǎo)體二極管,4,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.1.1 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是完全純凈的、原子排列整齊的半導(dǎo)體晶體。在T=0和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)，沒(méi)有可以自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子載流子，這時(shí)它相當(dāng)于絕緣體。例如高純度半導(dǎo)體材料硅、鍺都是單晶體結(jié)構(gòu)。圖6.1（a）、（b）所示分別為鍺和硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖。,圖6.1 鍺和硅原子結(jié)構(gòu)模型 （a）原子結(jié)構(gòu)圖；（b）簡(jiǎn)化模型,5,6.1 半導(dǎo)體二極管,在硅、鍺制成單晶體后，最外層的4個(gè)價(jià)電子不僅受自身原子核的束縛，還與其相鄰的4個(gè)原子核相互吸引，2個(gè)相鄰原子之間有1對(duì)價(jià)電子，稱為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，如圖6.2所示。 半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子并不像絕緣體中的電子被束縛得那么緊，在室溫300K時(shí)，由于熱激發(fā)，就會(huì)使一些價(jià)電子獲得足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，共價(jià)鍵就留下1個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴。顯然，空穴帶有正電荷。當(dāng)溫度越高時(shí)，電子空穴就越多；電子空穴的熱運(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章的，對(duì)外不顯電性。,6,6.1 半導(dǎo)體二極管,圖6.2鍺（硅）原子在晶體中的共價(jià)鍵排列,7,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。因摻入雜質(zhì)的不同，可分為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）和P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。 （1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中（如硅、鍺中）摻入少量的5價(jià)元素雜質(zhì)，如磷、銻、砷等，磷原子有5個(gè)價(jià)電子，它的4個(gè)價(jià)電子與相鄰的硅組成共價(jià)鍵后，還多余1個(gè)價(jià)電子，多余的價(jià)電子很容易受激發(fā)成為自由電子。摻入的磷元素越多，則自由電子就越多。如圖6.3所示。,8,6.1 半導(dǎo)體二極管,由于磷原子在硅晶體中給出了1個(gè)多余的電子，稱磷為施主雜質(zhì)，或N型雜質(zhì)。但在產(chǎn)生自由電子的同時(shí)并不產(chǎn)生新的空穴，因此在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)。這樣的一種半導(dǎo)體將以自由電子導(dǎo)電為主，所以自由電 子稱為多數(shù)載流子， 而空穴稱為少數(shù)載流 子。,圖6.3 N型半導(dǎo)體,9,6.1 半導(dǎo)體二極管,（2）P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中（如硅、鍺中）摻入少量的3價(jià)元素雜質(zhì)，如硼、銦等，硼原子最外層只有3個(gè)價(jià)電子，它與周圍硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，因缺少1個(gè)價(jià)電子，在晶體中就留有1個(gè)空穴，空穴數(shù)量增多，自由電子則相對(duì)很少。如圖6.4所示。由于硼原子在硅晶體中能接受電子，故稱硼為受主雜質(zhì)，或P型雜質(zhì)。在產(chǎn)生空穴的同時(shí)并不產(chǎn)生新的自由電子，因此在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)。在這種半導(dǎo)體中以空穴導(dǎo)電為主，故空穴為多數(shù)載流子，而自由電子為少數(shù)載流子。注意不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體都是電中性，對(duì)外不顯電性。,10,6.1 半導(dǎo)體二極管,圖6.4 P型半導(dǎo)體,圖6.5 PN結(jié)的形成,11,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.2.1 PN結(jié)的形成 當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸后，在交界面處由于載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。在P區(qū)和N區(qū)的接觸面上就產(chǎn)生了正、負(fù)離子層。N區(qū)一側(cè)失去自由電子剩下正離子，P區(qū)一側(cè)失去空穴剩下負(fù)離子，這個(gè)區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。同時(shí)形成一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)而逐漸減弱，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡。如圖6.5（a）、（b）所示。,6.1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?12,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.2.2 PN結(jié)單向?qū)щ娦?PN結(jié)在使用時(shí)總是加一定的電壓,若PN結(jié)外加正向電壓(P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位),稱為正向偏置,簡(jiǎn)稱正偏。如圖6.6（a）所示。這時(shí)PN結(jié)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，PN結(jié)變窄，則P區(qū)的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)的多數(shù)載流子自由電子在回路中形成較大的正向電流IF，使PN結(jié)正向?qū)?。這時(shí)PN結(jié)呈低電阻狀態(tài)。 若PN結(jié)外加反向電壓（P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位），稱為反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。如圖6.6（b）所示。這時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)難以進(jìn)行，而P區(qū)的少數(shù)載流子自由電子和N區(qū)的少數(shù)載流子空穴在回路中形成極小的反向電流IR，稱PN結(jié)反向截止。這時(shí)PN結(jié)呈高阻狀態(tài)。,13,6.1 半導(dǎo)體二極管,由此可知，PN結(jié)正向偏置時(shí)，呈導(dǎo)通狀態(tài)；反向偏置時(shí)，呈截止?fàn)顟B(tài)。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴Ａ硗庠谑覝叵?，少?shù)載流子形成的反向電流雖然很小，但它隨溫度的上升而明顯增加，使用時(shí)要特別注意。,圖6.6 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?（a）加正向電壓時(shí)導(dǎo)通；（b）加反向電壓時(shí)截止,14,6.1 半導(dǎo)體二極管,半導(dǎo)體二極管由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的引出端和管殼構(gòu)成。它有兩個(gè)電極，P區(qū)引出線稱二極管的正極（又稱陽(yáng)極），N區(qū)引出線稱二極管的負(fù)極（又稱陰極）。常見(jiàn)二極管的外形和符號(hào)如圖6.7所示。,6.1.3 二極管的結(jié)構(gòu),圖6.7 二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào),15,6.1 半導(dǎo)體二極管,二極管的種類很多，按結(jié)構(gòu)分，常見(jiàn)的有點(diǎn)接觸型和面接觸型。點(diǎn)接觸型二極管的PN結(jié)是用一根含雜質(zhì)元素的金屬絲壓在半導(dǎo)體晶片上，經(jīng)特殊工藝、方法處理而成，如圖6.8（a）所示。因其結(jié)面積小，允許通過(guò)的電流小，但結(jié)電容小，工作頻率高，主要用在高頻檢波和開(kāi)關(guān)電路。面接觸型二極管的PN結(jié)是用合金或擴(kuò)散法做成的，其結(jié)構(gòu)如圖6.8（b）所示。由于面接觸型二極管的PN結(jié)結(jié)面積大，PN結(jié)電容較大，一般適于較低的頻率下工作，允許通過(guò)較大電流和具有較大功率容量，主要用于整流電路。按制造材料分，常用的有硅二極管和鍺二極管，其中硅二極管的熱穩(wěn)定性比鍺二極管好得多。按用途分，常用的有普通二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管、開(kāi)關(guān)二極管等等。,16,6.1 半導(dǎo)體二極管,圖6.8 常見(jiàn)二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) （a）點(diǎn)接觸型；（b）面接觸型；（c）符號(hào),17,6.1 半導(dǎo)體二極管,二極管的伏安特性是指通過(guò)二極管的電流與其兩端的電壓之間的關(guān)系。如圖6.9所示。下面對(duì)二極管的伏安特性分三部分來(lái)分析。,6.1.4 二極管的伏安特性,圖6.9 二極管的伏安特性,18,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.4.1 正向特性 當(dāng)二極管兩端加正向電壓時(shí)，便有正向電流通過(guò)。但當(dāng)二極管承受電壓很低時(shí)，還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)的阻擋作用，因此，這時(shí)正向電流IF仍然很小，二極管呈現(xiàn)的電阻較大，稱為死區(qū)。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓為0.2V。 當(dāng)外加電壓超過(guò)一定電壓數(shù)值UT時(shí)，外電場(chǎng)大大抵消了內(nèi)電場(chǎng)，二極管的電阻變得很小，正向電流IF隨外加電壓的增加而顯著增大。如圖6.9第段所示。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管的正向?qū)妷夯蜷T檻電壓，一般硅管為0.7V,鍺管為0.3V。,19,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.4.2 反向特性 二極管加反向電壓，此時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向電流IR。如圖6.9第段所示。反向電流IR極小，一般硅管為幾微安以下，鍺管較大，為幾十到幾百微安。這種特性稱為反向截止特性。,20,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.4.3 反向擊穿特性 當(dāng)外加反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，外加電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，可能破壞共價(jià)鍵而把價(jià)電子拉出，使少數(shù)載流子的數(shù)目劇增；強(qiáng)電場(chǎng)也可能引起電子與原子碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，而引起載流子的數(shù)目急劇上升。這都將使反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿，擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓UBR。如圖6.9第段所示。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，將會(huì)因電流過(guò)大使管子過(guò)熱而造成永久性損壞，這種現(xiàn)象叫做熱擊穿。,21,6.1 半導(dǎo)體二極管,最大整流電流IFM：是指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。使用二極管時(shí)，管子通過(guò)的電流應(yīng)小于IFM ，否則管子容易過(guò)熱而損壞。 反向擊穿電壓UBR：是指二極管反向擊穿時(shí)，對(duì)應(yīng)的外加電壓稱為反向擊穿電壓。一般手冊(cè)上給出的最高反向電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全運(yùn)行。 反向電流IR：是指管子未擊穿時(shí)的反向電流。其值愈小，管子的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｓ捎跍囟仍黾?，反向電流?huì)急劇增加，所以在使用二極管時(shí)要注意溫度的影響。 最高工作頻率 ：是指保持二極管單向?qū)〞r(shí)，外加電壓的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。,6.1.5 二極管的主要參數(shù),22,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.6.1 光電二極管 光電二極管又稱光敏二極管，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的特殊二極管。它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升，通常在管殼備有一個(gè)玻璃窗口以接受光照。其外形和符號(hào)如圖6.10所示。 光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。當(dāng)管殼上的玻璃窗口無(wú)光照時(shí)，反向電流很小，稱為暗電流；有光照時(shí)反向電流很大，稱為亮電流，且光照越強(qiáng)，亮電流越大。如果在外電路接上負(fù)載，便可獲得隨光照強(qiáng)弱而變化的電信號(hào)。圖6.11是光電二極管的基本應(yīng)用電路，無(wú)光照時(shí)，負(fù)載RL上無(wú)電壓；有光照時(shí)，亮電流在RL上轉(zhuǎn)換為電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。,6.1.6 特殊二極管,23,6.1 半導(dǎo)體二極管,光電二極管使用時(shí)應(yīng)注意： 保證光電二極管的反偏電壓不小于5V，否則光電流和光強(qiáng)度不呈線性關(guān)系； 保持光電二極管的管殼清潔，否則光電靈敏度會(huì)下降。,圖6.10 光電二極管的外形及符號(hào) （a）外形；（b）符號(hào),圖6.11 光電二極管的基本應(yīng)用電路,24,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.6.2 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的元器件，簡(jiǎn)寫(xiě)成LED（Light Emitting Diode）。通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等制成。發(fā)光二極管和普通二極管相似，也是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，發(fā)光二極管正向?qū)〞r(shí)，由于空穴和電子的直接復(fù)合而放出能量，發(fā)出一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，由于光的波長(zhǎng)不同，顏色也不相同。常見(jiàn)的發(fā)光二極管有紅、綠、黃等顏色。圖6.12為發(fā)光二極管的外形和符號(hào)。,25,6.1 半導(dǎo)體二極管,發(fā)光二極管正向偏置并達(dá)到一定電流時(shí)就會(huì)發(fā)光。工作電流在1030mA時(shí)，正向壓降為23V。通常管腳引線較長(zhǎng)的為正極，較短的為負(fù)極。當(dāng)管殼上有凸起的標(biāo)志時(shí)，靠近標(biāo)志的管腳為正極。,圖6.12 發(fā)光二極管的外形及符號(hào) （a）外形；（b）符號(hào),26,6.1 半導(dǎo)體二極管,使用發(fā)光二極管時(shí)也要串入限流電阻，避免流過(guò)的電流太大。改變電流的大小還可以改變發(fā)光的亮度。圖6.13（a）是常用的直流驅(qū)動(dòng)電路。限流電阻R可按下式計(jì)算： 式中UF為L(zhǎng)ED的正向電壓，約為2V；IF為正向工作電流，可從產(chǎn)品手冊(cè)中查得。用交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，如圖6.13（b）所示。此時(shí)，在計(jì)算限流電阻R時(shí)仍用上式，不過(guò)上式中的U是交流電壓的有效值，二極管D可避免LED承受高的反向電壓。,(6-1),27,6.1 半導(dǎo)體二極管,發(fā)光二極管除可單個(gè)使用外，也常做成七段式或矩陣式，工作電流一般為幾毫安到幾十毫安之間。LED的反向擊穿電壓一般大于5V，但為使器件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定而又可靠地工作，安全使用電壓選擇在5V以下。,圖6.13 LED的驅(qū)動(dòng)電路 （a）直流驅(qū)動(dòng)；（b）交流驅(qū)動(dòng),28,6.1 半導(dǎo)體二極管,6.1.6.3 變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的電容效應(yīng)工作的，即空間電荷區(qū)內(nèi)沒(méi)有載流子，起著絕緣介質(zhì)的作用，PN結(jié)類似一個(gè)平板電容器。它的電容量一般為幾十皮法至幾百皮法，且隨反偏電壓（030V）的升高而減?。s15倍）。因此變?nèi)荻O管是工作在反向偏置狀態(tài)，其符號(hào)如圖6.14所示。 變?nèi)荻O管的常見(jiàn)用途是 作為調(diào)諧電容使用，例如 在電視機(jī)的頻道選擇器中， 利用它來(lái)微調(diào)選擇電臺(tái)的 頻道。,圖614 變?nèi)荻O管的符號(hào),29,6.2 直流穩(wěn)壓電源,整流是指將交流電變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路，然后再經(jīng)過(guò)電容的濾波及穩(wěn)壓，便可獲得平穩(wěn)的直流電。 單相橋式整流電路如圖6.15所示。圖中，四個(gè)整流二極管D1D4接成橋形，其中一個(gè)對(duì)角線接變壓器的次級(jí)，另一個(gè)對(duì)角線接負(fù)載電阻RL，二者不能互換。,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.1 單相橋式整流電路,30,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.15 單相橋式整流電路圖 （a）原理電路；（b）簡(jiǎn)化畫(huà)法圖,31,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.1.1 電路工作原理 為正半周時(shí),D1、D3正偏導(dǎo)通，D2、D4反偏截止，電流從上往下流過(guò)RL，在RL上得到上正下負(fù)的電壓。u2為負(fù)半周時(shí),極性和圖示相反,D2、D4正偏導(dǎo)通，D1、D3反偏截止，電流也是從上往下流過(guò)RL，在RL上得到上正下負(fù)的電壓。 上述過(guò)程周而復(fù)始，在RL上得到如圖6.16所示的 的完整波形。這是一個(gè)脈動(dòng)直流電壓，與全波整流電路輸出的波形完全相同。,圖6.16 單相橋式整流電路波形圖,32,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.1.2 負(fù)載上的直流電壓和直流電流的計(jì)算 由橋式整流電路波形圖知：輸出直流電壓平均值、負(fù)載電流平均值、流過(guò)每個(gè)二極管的電流平均值，分別為： 橋式整流電路二極管所承受的最大反向電壓,其值為：,(6.5),(6.4),(6.3),(6.2),33,6.2 直流穩(wěn)壓電源,橋式整流電路在使用中一定要注意二極管的接法,不允許接反。當(dāng)一個(gè)管子接反時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)交流電半個(gè)周期內(nèi)變壓器二次側(cè)出現(xiàn)短路的情況，很容易燒壞變壓器。 橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。在半導(dǎo)體器件成本日益降低的形勢(shì)下，橋式整流在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。,34,6.2 直流穩(wěn)壓電源,整流電路輸出的脈動(dòng)電壓是直流分量和許多不同頻率的交流諧波分量疊加而成的，這些諧波分量總稱為紋波。為了獲得較平滑的直流輸出，還必須采用濾波電路，把脈動(dòng)電壓中的交流成分濾除。 6.2.2.1 電容濾波 （1）電路工作原理 在小功率的整流電路中最常用的是電容濾波電路，它是利用電容兩端的電壓不能突變的特性，與負(fù)載并聯(lián)，使負(fù)載得到較平滑的電壓，圖6.17就是一個(gè)很實(shí)用的單相橋式整流電容濾波電路。,6.2.2 濾波電路,35,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.17 單相橋式整流電 容濾波電路原理圖,圖6.18 波形圖 （a） 波形；（b） 、 波形,36,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.18,37,6.2 直流穩(wěn)壓電源,（2）參數(shù)計(jì)算 輸出電壓的UL： 額定情況下： 濾波電容容量的確定： 式中T為電流交流電壓的周期。 電容耐壓值的確定：由圖6-18可知，加在電容上的最大電壓為 ，選定的電容耐壓值為 的1.52倍。,(6.8),(6.7),(6.6),38,6.2 直流穩(wěn)壓電源,負(fù)載上的平均電流： （6-9） 整流管的平均電流： （6-10） 整流管承受的最大反向電壓： （6-11）,39,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.2.2 電感濾波 單向橋式整流電感濾波電路如圖6.19（a）所示。電感濾波電路中，電感L與負(fù)載RL為串聯(lián)連接，利用電感中的電流不能突變的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。其基本工作原理為：,圖6.19 單向橋式整流電感濾波電路及工作波形 (a) 整流濾波電路；(b) 整流濾波電壓波形,40,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.19（a）,41,6.2 直流穩(wěn)壓電源,若線圈的電感L 足夠大，且忽略電感的電阻，即電感L 兩端的電壓平均值為零，則電感濾波后的輸出電壓平均值約為： 電感的作用是使整流后電壓的交流分量的大部分降在它的上面，而直流分量基本輸出給負(fù)載RL 。雖然整流輸出電壓沒(méi)有提高，但其穩(wěn)定性能得到了改善。 電感濾波主要適用于電容濾波難以勝任的大電流負(fù)載或負(fù)載經(jīng)常變化的場(chǎng)合。但電感量較大的電感器體積大、笨重、不便于集成化，故其應(yīng)用有一定的局限性，在小功率的電子設(shè)備中很少采用。,（6.12）,42,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.2.3 復(fù)式濾波 （1）LC 濾波器 在電容C 濾波之前串接一個(gè)電感L ，如圖6.20（a）所示，即組成LC 濾波器。整流后的脈動(dòng)直流中的大部分交流分量降在電感L上，再經(jīng)過(guò)電容C 的進(jìn)一步濾波后，負(fù)載RL 上得到更加平滑的直流值。 （2）形濾波器 在LC濾波器前再并聯(lián)一個(gè)電容器，如圖6.20（b）所示，組成形LC 濾波器，濾波效果進(jìn)一步改善。如果是小電流負(fù)載時(shí)，可將電感用一個(gè)小電阻R 代替，組成形RC 濾波器，如圖6.20（c）所示。,43,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.20 常用的幾種復(fù)式濾波器 (a) LC 濾波器；(b) 形LC 濾波器；（c）形RC 濾波器,圖6.21 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,44,6.2 直流穩(wěn)壓電源,當(dāng)用一個(gè)不穩(wěn)定的電壓對(duì)負(fù)載供電時(shí)，會(huì)引起負(fù)載工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。精密電子儀器、自動(dòng)控制和計(jì)算裝置等都需要很穩(wěn)定的直流電源供電。為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后需要增加穩(wěn)壓電路。其作用是當(dāng)交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載或溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。 6.2.3.1 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 圖6.21所示為硅穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路，電阻R 限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流使之不超過(guò)IZM，稱為限流電阻。負(fù)載RL與用作調(diào)整元件的穩(wěn)壓管VZ 并聯(lián)，輸出電壓就是穩(wěn)壓管兩端的穩(wěn)定電壓，故又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。,6.2.3 穩(wěn)壓電路,45,6.2 直流穩(wěn)壓電源,電路要有穩(wěn)定的電壓輸出，要求穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿狀態(tài)，且流過(guò)穩(wěn)壓管的電流要在穩(wěn)定電流IZ 和允許的最大電流IZM 之間。下面結(jié)合穩(wěn)壓管的反向特性曲線6.22，分析電路的穩(wěn)壓原理。,圖6.22 硅穩(wěn)壓管的反向伏安特性,46,6.2 直流穩(wěn)壓電源,47,6.2 直流穩(wěn)壓電源,48,6.2 直流穩(wěn)壓電源,49,6.2 直流穩(wěn)壓電源,6.2.3.2 集成穩(wěn)壓器 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前集成穩(wěn)壓器只有輸入端、輸出端及公共端，故稱為三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器分為兩大類，即固定式和可調(diào)式。固定式三端穩(wěn)壓器的輸出電壓固定不變，不用調(diào)節(jié)。它的型號(hào)有W78和W79兩個(gè)系列，其中最后兩位數(shù)表示輸出電壓值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。78系列為正電壓輸出，79系列為負(fù)電壓輸出。比如W7812和W7909分別表示穩(wěn)壓值為正12V和負(fù)9V。78系列的1端為輸入端，2端為輸出端，3端為公共端；79系列的3端為輸入端，2為輸出端，1端為公共端。圖6.23為它們的外形圖及實(shí)用接線圖。,50,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.23 三端穩(wěn)壓器的外形圖和實(shí)用接線圖 （a）外形圖；（b）正電壓輸出；（c）負(fù)電壓輸出,圖6.24 正、負(fù)電壓同時(shí)輸出的穩(wěn)壓電源,51,6.2 直流穩(wěn)壓電源,圖6.24是同時(shí)輸出正、負(fù)雙電壓的穩(wěn)壓電路，由W78和W79共同組成。W78的輸出為正極，W79的輸出為負(fù)極，而它們的公共端相連作為整個(gè)電源的公共端接地。 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其外形及表示符號(hào)與固定式完全相同，只是型號(hào)不同。可調(diào)集成穩(wěn)壓器的國(guó)內(nèi)型號(hào)有CW117/CW217/CW317、CW137/CW237/CW337，對(duì)應(yīng)國(guó)外型號(hào)為L(zhǎng)M117/LM217/LM317、LM137/LM237/LM337，其中17系列為正穩(wěn)壓器，37系列為負(fù)穩(wěn)壓器。圖6.25是以正穩(wěn)壓器為例的接線圖，圖中CW117的2是輸入端，3是輸出端，1是調(diào)整端。,52,6.2 直流穩(wěn)壓電源,C1是為防止容性負(fù)載產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)而設(shè)的，取值為1025F，耐壓值高于UI值。C2是為消除紋波而設(shè)的，取值為10100F，D1是為防止當(dāng)輸入短路時(shí)C2反向通過(guò)穩(wěn)壓器放電使之損壞而設(shè)的。R1、R2為分壓電路，調(diào)節(jié)R2/R1分壓比可以改變輸出電壓。由后面的例題可知，輸出電壓與分壓比的關(guān)系如下： 式中UREF 輸出端3與調(diào)整端1之間的電壓。,（6.13）,53,6.2 直流穩(wěn)壓電源,應(yīng)用CW（LM）系列時(shí)應(yīng)注意以下技巧： R1應(yīng)焊接在含有集成穩(wěn)壓器的輸出管腳和調(diào)整管腳上，否則將影響穩(wěn)壓器的負(fù)載調(diào)整率； R2的接地點(diǎn)應(yīng)與負(fù)載電流返回的接地點(diǎn)處在同一點(diǎn)，以免引起輸出電 壓偏差； R1、R2應(yīng)選擇零溫 度系數(shù)的高精度、高 穩(wěn)定度電阻，以保證 輸出電壓的精度和穩(wěn) 定性。,圖6.25 17系列實(shí)際接線圖,54,小 結(jié),本章小結(jié) 半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子。P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子；N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。 PN是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，PN結(jié)正偏導(dǎo)通，反偏截止，具有單向?qū)щ娦?、反向擊穿性和非線性的特點(diǎn)。 半導(dǎo)體二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，它具有單向?qū)щ娦缘奶攸c(diǎn)，并且它是一個(gè)非線性器件，其正向特性有死區(qū)電壓、非線性段和線性段之分，反向特性有反向飽和與反向擊穿之別。 常見(jiàn)的特殊二極管有穩(wěn)壓二極管、光電二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管。穩(wěn)壓二極管專用于穩(wěn)定電壓，工作在反向擊穿區(qū)。,55,小 結(jié),直流電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。整流是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電，最常用的是橋式整流電路。濾波是把脈動(dòng)電壓中的交流成分濾除，常用的濾波有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波。穩(wěn)壓電路的作用是使輸出電壓在電網(wǎng)波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，基本保持不變。 集成穩(wěn)壓電路屬于專用的模擬集成電路，三端式集成穩(wěn)壓電路因使用簡(jiǎn)便，得到了廣泛的應(yīng)用。,56,