第六章2013

年9月第六章整流、濾波及穩壓電路半導體的導電特性6-1半導體二極管6-2穩壓管6-3本章內容整流、濾波及其穩壓電路6-41.PN結的單向導電性3.穩壓二極管的穩壓原理本章重點：2.二極管的伏安特性4.二極管的整流、濾波電路工作原理6-1半導體的導電特性知識準備：物質按導電性能劃分：導體、絕緣體和半導體。導體：一般是低價元素，如銅、鐵、鋁等金屬在外電場的作用下自由電子定向流動形成了電流。導體具有較好的導電性。絕緣體：一般為高價元素，如橡膠、塑料、惰性氣體絕緣體導電性差。物質的導電性能取決于：原子結構，最外層電子數目越少，導電性就越強。6-1半導體的導電特性6-1-1本征半導體1、半導體導電特性

半導體：導電性介于導體和絕緣體之間。典型半導體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。2本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健

Si

Si

Si

Si價電子共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發。空穴溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多，自由電子和空穴成對出現。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）稱為復合運動。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)常溫下本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。

(3)

相同條件下，本征半導體較一般半導體導電性弱很多。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。6-1-2N型半導體和P型半導體（摻雜半導體）

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變為自由電子在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成摻雜半導體。因摻的雜質不同分為：N型半導體和P型半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。摻入P元素越多，導電性越強。6-1-2N型半導體和P型半導體

摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。對同一塊半導體，一端摻入受主雜質，成為P型半導體；另一端摻入施主雜質，成為N型半導體，這兩種雜質半導體緊密地結合在一起。于是在接觸面便形成一個PN結。6-1-3PN結的形成及其單向導電性擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，稱為擴散運動氣體液體固體PN結的形成原理：多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區稱為PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區注：PN結的結電容很小

P接正、N接負外電場IF內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（三）PN結2、PN結的單向導電性（1）PN結外加正向電壓PN結正偏PN結正向導通外電場與內電場方向相反有利于擴散進行擴散>漂移PN結變窄外部電源不斷提供電荷產生較大的擴散電流IF外電場IR

P接負、N接正–+內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（2）PN結外加反向電壓PN結反偏PN結反向截止外電場與內電場方向相同有利于漂移進行漂移>擴散PN結變寬少數載流子運動產生較小的反向電流IR總結：ＰＮ結加正向電壓導通ＰＮ結加反向電壓截止ＰＮ結單向導電性（一）基本結構和分類PN陽極陰極6-2半導體二極管符號：P+_NPN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。（二）伏安特性二極管陽極與陰極之間的電壓與流過電流之間的關系曲線

通常使用二極管時應保證其工作在正向導通或反向截止狀態，故認為二極管正偏則導通，反偏則截止——單向導電性

B硅UIAAB伏安特性曲線鍺正向：OA段（死區）硅管約0.5V，鍺管約0.2V(死區電壓）正向導通：硅管約0.7V，鍺管約0.3V（導通電壓或稱管降）理想狀態認為管降為0V反向：OB段（截止區）I近似為0擊穿區管子被擊穿，UB反向擊穿電壓UI理想特性曲線+-UI-+UIo（三）主要參數1.最大整流電流IDM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓UDRM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UB的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.反向峰值電流IDRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IDRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管在電子技術中有廣泛的用途。整流（四）二極管的應用利用其單向導通特性，可以實現以下電路：限幅實現邏輯電路檢波將交流電轉化成直流電當輸入信號電壓在一定范圍內時，輸出電壓隨輸入電壓相應變化；當輸入電壓超過該范圍時，輸出電壓保持不變實現邏輯運算（鉗位）將調波信號的語音信號取出來保護電路或在數字電路中作開關元件電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V若考慮管降，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：二極管的鉗位作用取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–（四）二極管的應用1、二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態導通截止考慮管降，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V若

V陽

>V陰或

UD為正，二極管導通若

V陽

<V陰或

UD為負，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時管壓降為零，二極管相當于導線；

反向截止時二極管相當于開路。

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。總結：兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–例2：“與”邏輯:+6VRDAVAVBVYDB當VA=3V，VB=0V時，分析輸出端的電位VY。理想二極管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB優先導通，DA截止。鍺二極管：VY=VB+UD=0.3V硅二極管：VY=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB∵

UDA>UDB

∴DA優先導通，DB截止。理想二極管：VY=VA=3V鍺二極管：VY=VA

-

UD=2.7V硅二極管：VY=VA-

UD=2.3V+6VRDAuAuBuoDBt/suA/V3Vt/suB/V3Vt/suo/V3V均導通DB導通DA導通均導通當輸入均為同3V時，輸出才為3V當輸入有一為0V時，輸出為0V實現了“與”門邏輯2、多個二極管連接：若

共陰極，陽級最高一個先導通若

共陽級，陰級最低一個先導通先導通的一個二極管起鉗位作用。

總結：ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3限幅作用：ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––1.符號UZIZminIZmaxUZ

IZ2.伏安特性穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。-+UIO6-3穩壓二極管UZRUoUi++––穩壓原理：RL1、Ui↑IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑UR↑Uo↓若△UR=△Ui，則UO基本不變2、RL

↑(Ui不變）IDZ↑↑Uo（UZ）↑IR↑IL↓RL

↑IR↓若△IL=-△IDZ，則UO基本不變+-IRIDZILUi=UR+UoUZ=UoIR=IDZ+IL→Uo（UZ）↓Uo（UZ）↑UIUZIZminIZmax3.主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(5)電壓溫度系數ｕ環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(3)動態電阻(2)穩定電流IZ，IZmin＜IZ＜

IZmax(4)最大允許耗散功率PZM=UZIZMaxrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。例

1

穩壓二極管的穩定電壓UZ=5V，正向壓降忽略不計。當輸入電壓Ui分別為直流10V、3V、-5V時，求輸出電壓UO；若ui=10sinωtV，試畫出uo的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui=10V：DZ工作在反向擊穿區，穩壓，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向導通狀態，UO=0Vui=10sinωtV：ui正半周，當ui>UZ，DZ反向擊穿，uO=5V當ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui負半周，DZ正向導通，uO=0V5V功能：把交流電壓變成穩定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩壓6-4整流、濾波及穩壓電路小功率直流穩壓電源的組成整流電路的作用:

將交流電壓轉變為單向脈動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流。單相橋式整流電路用得最普遍。分析時可把二極管當作理想元件處理：

二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向導電性6-4-1整流電路

–++–aTrDuou2bRLio+–u1分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設二極管為理想二極管。u2

正半周，Va>Vb，D導通，uo=u2

u2

負半周，Va<Vb，D截止，uo=0

uoOu2tO二極管起整流作用6-4整流、濾波及穩壓電路6-4-1-1單相半波整流電路整流電流的平均值：流過二極管的正向電流的平均值→Io＜IDM選管條件之一

–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDO

uoOu2tO二極管UDRM=uD=u2-uo

u2

負半周，D截止，承受反向電壓

為了使用安全，選擇二極管時，反向工作峰值電壓要比UDRM

大一倍左右。選管條件之二

–++–aTrDuou2bRLio+–u1如圖所示的單相半波整流電路，負載RL=500Ω，變壓器副邊電壓有效值U2=10V，求UO、Io及UDRM并選用適合二極管。選管時應滿足：IDM

Io

，URWMUDRM

查附錄二。可選擇2AP2（16mA，30V）

單相半波整流電路特點：

結構簡單

輸出電壓低脈動大，變壓器使用效率低用于小電流、脈動要求不嚴格的電路（一）電路及工作原理Flash56-4-1-2單相橋式整流電路（二）數量關系1、負載直流電壓平均值2、負載直流電流平均值3、變壓器副邊電流有效值I2===ppwwpwp02209.0sin211UttdUtduUoo∫∫根據輸出電壓數值來決定變壓器副邊電壓的有效值。副邊電壓和電流的有效值是選擇變壓器的重要依據。4、流過每管的電流平均值ID5、每管承受的最高反向電壓UDRM同半波整流一樣，選管時應滿足：

IDM

ID

，URWMUDRM

u0u2u2u1abD4D2D1D3RL+_i0例2:如圖所示的單相橋式整流電路，要求輸出直流電壓Uo為12V，電流Io為10mA，試選擇二極管并確定變壓器副邊電壓和電流的有效值。

查附錄二。可選擇2CP11（100mA，50V）

交流電壓經整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負載RL并聯或將電感與負載RL串聯。6-4-2濾波電路1、工作原理6-4-2-1電容濾波電路u0u2u2u1abD4D2D1D3RLC+_uCi0

u2

正半周，D1、D3導通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。（oa段）uou2tOtOa

uc＞u2

，D1、D3截止，電容C通過RL放電，uo=uC。（ab段）b

注：放電的快慢取決于τ=RLC，τ愈大，放電愈慢，輸出電壓愈平緩

u2

負半周，u2＞ucD2、D4導通，電源又給電容充電，uC

增加，uo=uC

。（bc段）c2.電容濾波電路的特點(T—電源電壓的周期)(1)輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數RLC有關。

RLC

越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

橋式、全波）當負載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓(2)外特性曲線有電容濾波1.2U無電容濾波0.9U

UooIO結論

采用電容濾波時，輸出電壓受負載變化影響較大，即帶負載能力較差。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負載電流較小且負載變化較小的場合。(3)流過二極管的瞬時電流很大選管時一般取：

IDM=（2-3）ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導通時間越短iD

的峰值電流越大。iDtuotOO1.電路結構L

uRLuo++––~2.濾波原理對直流分量:XL=0，L相當于短路,電壓大部分降在RL上。對交流分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過電感的電流發生變化時，線圈中產生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。

電感濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。6-4-2-2電感