電子技術(shù)基礎(chǔ)第2章半導(dǎo)體二極管和直流電源---1

1、3.9功率放大電路3.9功率放大電路本章要求：本章要求：1. 理解理解半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性和PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；結(jié)的單向?qū)щ娦裕涣私舛O管、穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特了解二極管、穩(wěn)壓管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線，性曲線，理解理解主要參數(shù)的意義。主要參數(shù)的意義。2. 掌握掌握二極管、穩(wěn)壓管應(yīng)用電路的分析方法。二極管、穩(wěn)壓管應(yīng)用電路的分析方法。3. 了解小功率直流穩(wěn)壓電源的基本組成及各部分的了解小功率直流穩(wěn)壓電源的基本組成及各部分的功能。功能。4. 掌握掌握單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算的計算;5.了解集成穩(wěn)壓電路的

2、性能及應(yīng)用。了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應(yīng)用。整流二極管發(fā)光二極管穩(wěn)壓二極管2.1.1 2.1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、 鍺、硒等材料鍺、硒等材料。本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。共價健共價健 Si Si Si Si價電子價電子本征激發(fā)：本征激發(fā)： Si Si Si Si價電子價電子空穴空穴自由電子自由電子1.溫度越高，本征溫度越高，本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴越多。子和空穴越多。2.本征激發(fā)與復(fù)合本征激發(fā)與復(fù)合同時存在。同時存

3、在。 Si Si Si Sip+多余多余電子電子磷原子磷原子失去一個失去一個電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子在常溫下成為在常溫下成為自由電子自由電子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴 2.1.2 2.1.2 PNPN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?多子的擴散運動多子的擴散運動2.1.2 2.1.2 PNPN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?內(nèi)電場內(nèi)電場少子的漂移運動少子的漂移運動濃度差濃度差 擴散的結(jié)果使空擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬，間電荷區(qū)變寬，產(chǎn)生內(nèi)電場。產(chǎn)生內(nèi)電場?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié)結(jié) +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負接

4、負 外電場外電場IF內(nèi)電場內(nèi)電場PN+ 內(nèi)電場被加內(nèi)電場被加強，少子的漂強，少子的漂移加強，由于移加強，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+2.1.2.1.陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號 2.1.2.1.陰極陰極陽極

5、陽極( d ) 符號符號D 反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向擊穿反向擊穿UIPN+PN+硅硅2CP6鍺鍺2AP15定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，例例1：D6V12V3k BAUAB+例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 例例4：ui = 2 sin t (V)，分析二極管的限幅作用。，分析二極管的限幅作用。ui 較小，宜采用恒壓降模型較小，宜采用恒壓降模型 0.7 V ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7

6、 VV2 導(dǎo)通導(dǎo)通 V截止截止ui UN二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通等效為等效為 0.7 V 的恒壓源的恒壓源 PNUO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)UZIZIZM UZ IZ_+UIO 2.2.1 穩(wěn)壓二極管的常用參數(shù)穩(wěn)壓二極管的常用參數(shù) (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓Zener voltage VZ (3) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻Zenner Impe

7、dance rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工下，所對應(yīng)的反向工作電壓。作電壓。穩(wěn)壓二極管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。穩(wěn)壓二極管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值。 rZ愈小，愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。rZ = VZ / IZ (2) 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)Temperature Coefficient U 說明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。說明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。溫度的變化將使溫度的變化將使VZ改改變，在穩(wěn)壓管中當變，在穩(wěn)壓管中當 VZ 6 V時，時，VZ具有正溫度系數(shù)。當具有正溫度系數(shù)。當

8、 VZ 6 V時，時， VZ具有負溫度系數(shù)。當具有負溫度系數(shù)。當 VZ 為為6V左右時，穩(wěn)壓管可以左右時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標準穩(wěn)壓管使用。管使用。IZIZ(5) (5) 最大允許耗散功率最大允許耗散功率 Zener Power Dissipation PZM 最大功率損耗是最大功率損耗是管子不致發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗管子不致發(fā)生熱擊穿而損壞的最大功率損耗，取決于取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時PN結(jié)的功率損結(jié)的功率損耗為耗為 PZ= VZ IZ，由，由

9、 PZM和和VZ可以決定可以決定IZmax。 穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而而Izmin對應(yīng)對應(yīng)VZmin。 若若IZIZmin則不能則不能穩(wěn)壓。穩(wěn)壓。 (4) (4) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流Zenner Current IZ最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流IZmax 和最和最小穩(wěn)定工作電流小穩(wěn)定工作電流IZminIZ 穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流

10、變化時，通管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(c)IZUO = UZ IR = IO + IZUIUZRL (IO ) IR 設(shè)設(shè)UI一定，負載一定，負載RL變化變化UO 基本不變基本不變 IR (IRR) 基本不變基本不變 UO (UZ ) IZ +UIRLIOUO+IRRDZIz限流調(diào)壓限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路UO = UZ IR = IO + IZUIUZUI UZ UO 基本不變基本不變 IRR IZ IR +UIRLIOUO

11、+IRRDZIzImaxOZmaxOminUU IIR (1) UZ = UO(2) IZmax= (1.5 3) Imax(3) UI = (2 3) UO(4) ImaxZZmaxominUU RII IminZZminOmaxUU II IminOOmaxZminUUIIR +UIRLIOUO+IRRDZIz例例2.2.1 2.2.1 在如圖所示穩(wěn)壓電路中在如圖所示穩(wěn)壓電路中, ,選擇適當?shù)姆€(wěn)壓管選擇適當?shù)姆€(wěn)壓管和限流電阻和限流電阻R R，要求，要求 。假設(shè)的波動范圍假設(shè)的波動范圍1010。+UIRLIOUO+IRRDZIzOU6V, OI0 10mA 【解解】（1 1）穩(wěn)壓管的選擇）穩(wěn)

12、壓管的選擇V6UUOZ mA30mA103ImaxZ V5 . 60 . 6UZ mA10IZ mA30ImaxZ 查表可選查表可選2CW7C2CW7C，其穩(wěn)壓電壓，其穩(wěn)壓電壓，耗散功率，耗散功率0.2W。IZmax= (1.5 3) Imax（2 2）限流電阻）限流電阻R R的確定的確定 mA0IminO mA10ImaxO mA5IminZ OIU3U 18V6V3U3UOI V8 .19V181 . 1UaxIm V2 .16V189 . 0UinIm 3310)105(62 .16R10)030(68 .19 已知已知，; ;, ,，考慮，考慮1010波動：波動：0.46kR0.68

13、k0.46kR0.68 k；可選用標稱值為；可選用標稱值為510510限流電阻。限流電阻。取取, , ,UI = (2 3) UO作業(yè)作業(yè) 2.1.2 2.1.3 2.2.1 2.2.32.32.3直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源功能：功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適 的直流電壓的直流電壓u4uou3u2u1 整流電路整流電路 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。 半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等。等。 二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。

14、利用二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的單向?qū)щ娦詔 uDO u 負半周，負半周，VaVb，二極二極管管 1、3 導(dǎo)通，導(dǎo)通，2、4 截止截止 。uouD t tuD1uD3 ut U2U2U2 4. 參數(shù)計算參數(shù)計算LLRURUI9 . 0oo o21DII UU2DRM o11. 1 d) sin(2122mIttII ) d( sin21ttU U0.9 oU (1) 輸出直流電壓高；輸出直流電壓高； (2) 脈動較小；脈動較??； (3) 二極管承受的最大反向電壓較低；二極管承受的最大反向電壓較低； (4) 電源變壓器得到充分利用。電源變壓器得到充分利用。 目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝

15、在一目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝在一起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可靠性，使用起來非常方便?？啃?，使用起來非常方便。【例例2.3.22.3.2】 采用單相橋式整流電路，已知供電使用頻率采用單相橋式整流電路，已知供電使用頻率50Hz50Hz、電壓電壓220V 220V 的單相交流電源，負載電阻的單相交流電源，負載電阻 ， 要求輸出要求輸出直流電壓，直流電壓， , ,確定整流器件。確定整流器件。50RL V30UO A6 . 0A5030RUILOO 解解

16、: : 負載電流負載電流 A3 . 0I21IOD 每個整流二極管的平均電流每個整流二極管的平均電流V3 .33V9 . 0309 . 0UUO 變壓器二次側(cè)電壓有效值變壓器二次側(cè)電壓有效值 V473 .332U2URM 整流二極管最大反向電壓整流二極管最大反向電壓 查找器件手冊可知使用查找器件手冊可知使用MB1SMB1S（0.5A0.5A，100V100V）整流橋滿足要求。）整流橋滿足要求。 2.3.1 常用整流電路一覽表常用整流電路一覽表（P16）uo+_u+_RLD2D4 D1D3當當D2或或D4斷開后斷開后 電路為單相半波整流電路。正半周時，電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和和D

17、3導(dǎo)導(dǎo)通，負載中有電流通，負載中有電流過，負載電壓過，負載電壓uo o= =u；負半周時，；負半周時，D1和和D3截止，負載中無電流通截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，過，負載兩端無電壓， uo o =0=0。 uo u 2 34tt234oo 則正半周時，二極管則正半周時，二極管D1、D4或或D2、D3導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流經(jīng)經(jīng)D1、D4或或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及此變壓器及D1、D4或或D2、D3將被燒壞。將被燒壞。 則正半周時，情況與則正半周時，情況與D2或或D4接反類似，電源及接反類似，電源及D1或或D3也將因電流過大而燒壞。也將

18、因電流過大而燒壞。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3例例2.3.5：試設(shè)計一臺輸出電壓為試設(shè)計一臺輸出電壓為24V，輸出電流為，輸出電流為1A的直流電的直流電源，電路形式可采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式源，電路形式可采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。解：解：V3 .5345. 0240.45o2 UU整流二極管承受的最高反向電壓為：整流二極管承受的最高反向電壓為：V2 .753 .5341. 122RM UU流過整流二極管的平均電流為：流過整流二極管的平均電流為：A1oD II因此可選用因此可選用2CZ12B整流二極管，其最大整流電流為整流二極管，其最大整流電流為3A，最高反向工作電壓為最高反向工作電壓為200V。（1）當采用半波整流電路