電工學-第8章直流穩(wěn)壓電源

1、電子技術電子技術28.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識導體、半導體、絕緣體。導體、半導體、絕緣體。 物質按導電能力劃分：物質按導電能力劃分： 半導體的導電性能：半導體的導電性能： 價電子參與導電、價電子參與導電、 摻雜增強導電能力、摻雜增強導電能力、 熱敏特性、光敏特性。熱敏特性、光敏特性。 是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。 高等教育出版社高等教育出版社3 在絕對零度時，不導電。在絕對零度時，不導電。 溫度（或光照）溫度（或光照） 價電子獲得能量：價電子獲得能量： 本征激發(fā)產生自由電子和空穴對。本征激發(fā)產生自由電子和空穴對。 自由電子和空穴均

2、參與導電，自由電子和空穴均參與導電， 統(tǒng)稱為載流子。統(tǒng)稱為載流子。 溫度溫度 載流子的濃度載流子的濃度 導電能力導電能力 。 自由電子釋放能量跳回共價鍵自由電子釋放能量跳回共價鍵 復合。復合。 本征半導體載流子濃度較低，導電能力較弱。本征半導體載流子濃度較低，導電能力較弱。 高等教育出版社高等教育出版社4 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會 使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。 (1) 摻入五價的雜質元素摻入五價的雜質元素 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度。空穴的濃度。 自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。自由電

3、子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。 稱這種雜質半導體為稱這種雜質半導體為 N 型半導體。型半導體。 (2) 摻入三價的雜質元素摻入三價的雜質元素 自由電子的濃度自由電子的濃度 空穴的濃度?？昭ǖ臐舛?。 空穴為多數(shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子?？昭槎鄶?shù)載流子。自由電子為少數(shù)載流子。 稱這種雜質半導體為稱這種雜質半導體為 P 型半導體。型半導體。高等教育出版社高等教育出版社5 雜質半導體的示意表示法雜質半導體的示意表示法 P 型半導體型半導體 N 型半導體型半導體 空間電荷空間電荷 高等教育出版社高等教育出版社6擴散運動擴散運動 擴散運動：擴散運動： 多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運動。多數(shù)載

4、流子由于濃度的差別而形成的運動。 高等教育出版社高等教育出版社7 內電場內電場PN 結結 多數(shù)載流子的擴散運動繼續(xù)進行，使多數(shù)載流子的擴散運動繼續(xù)進行，使 PN 結加結加 寬，內電場增強。寬，內電場增強。 內電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。內電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。 內電場越強，少數(shù)載流子的運動越易于進行。內電場越強，少數(shù)載流子的運動越易于進行。高等教育出版社高等教育出版社8 漂移運動：漂移運動： 少數(shù)載流子在內電場作用下的運動。少數(shù)載流子在內電場作用下的運動。 漂移運動使漂移運動使 PN 結變薄，內電場削弱。結變薄，內電場削弱。 內電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴散運動，

5、內電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴散運動， 而不利于少數(shù)載流子的漂移運動。而不利于少數(shù)載流子的漂移運動。漂移運動漂移運動高等教育出版社高等教育出版社9 多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運 動達到動態(tài)平衡動達到動態(tài)平衡 平衡的平衡的 PN 結。結。內電場內電場高等教育出版社高等教育出版社10(1) 正向偏置正向偏置 (2) 反向偏置反向偏置 R N 外電場外電場 N R 外電場外電場 正向導通正向導通 I反向截止反向截止 I0 主要特性：主要特性： 單向導電性。單向導電性。 高等教育出版社高等教育出版社118.2 半導體二極管半導體二極管 N 陽極陽

6、極 陰極陰極 (1) 按結構分類按結構分類 點接觸型、面接觸型。點接觸型、面接觸型。 (2) 按材料分類按材料分類 硅管、鍺管。硅管、鍺管。 (3) 按用途不同分類按用途不同分類 普通管、整流管、開關管等。普通管、整流管、開關管等。 1. 基本結構基本結構 高等教育出版社高等教育出版社12U/V I/mA O 反向反向 特性特性 正向正向 特性特性 死區(qū)死區(qū) 死區(qū)電壓死區(qū)電壓 Uth ： 硅管硅管 0.5 V 鍺管鍺管 0.1 V 導通壓降導通壓降 UD ： 硅管硅管 0.6 0.7V 鍺管鍺管 0.2 0.3V UDUBR IR 鍺管鍺管 硅管硅管 高等教育出版社高等教育出版社13UDU I

7、 OU I O(1) 額定正向平均電流（最大整流電流）額定正向平均電流（最大整流電流）IF (2) 正向壓降正向壓降 UF (3) 最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UR 一般規(guī)定為反向擊穿電壓的一般規(guī)定為反向擊穿電壓的 1/2 或或 1/3。 (4) 最大反向電流最大反向電流 IRm 高等教育出版社高等教育出版社14 作用：將光信號轉化為電信號。作用：將光信號轉化為電信號。 反向電流隨光照強度的增加而上升。反向電流隨光照強度的增加而上升。 R E D 光電二極管電路光電二極管電路 R E D 發(fā)光二極管電路發(fā)光二極管電路 作用：將電信號轉化為光信號。作用：將電信號轉化為光信號。 發(fā)光的顏色取

8、決于制造材料。發(fā)光的顏色取決于制造材料。 高等教育出版社高等教育出版社15 作用：作用： 電氣隔離；電氣隔離； 抗干擾；抗干擾； 系統(tǒng)保護。系統(tǒng)保護。 輸輸入入電電路路輸輸出出電電路路高等教育出版社高等教育出版社168.3 直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成 大小不合大小不合適的交流適的交流大小大小合適合適的交流的交流交流交流 電源電源 脈動脈動直流直流不穩(wěn)定不穩(wěn)定的直流的直流穩(wěn)定穩(wěn)定直流直流直流直流負載負載濾波濾波電路電路電源變電源變 壓器壓器 整流整流 電路電路 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路高等教育出版社高等教育出版社17電源變電源變壓器壓器將市電變換為整流所需的將市電變換為整流所需的 交流電壓交流

9、電壓 整流整流電路電路將交流電變換為方向不變將交流電變換為方向不變 的直流電的直流電 濾波濾波電路電路將脈動直流電變換為平滑將脈動直流電變換為平滑 的直流電壓的直流電壓 穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換將不穩(wěn)定的直流電壓變換 為穩(wěn)定直流電壓為穩(wěn)定直流電壓 高等教育出版社高等教育出版社18+- -uOabTr +- -u2+- -u1RL iOD1 D3D2 D4 u2 正半周，正半周，D1 和和 D3 導通，導通， uO= u2 ；電流通路：電流通路：a D1 RL D3 b 。 u2 負半周，負半周，D2 和和 D4 導通，導通， uO=u2 ；電流通路：電流通路：b D2 RL D4

10、 a 。高等教育出版社高等教育出版社19 uO D4 D3 D1 D2RLu2u2tOuOiOtO高等教育出版社高等教育出版社201. 負載直流電壓負載直流電壓 UO = 0.9U2 2. 負載直流電流負載直流電流 3. 二極管平均電流二極管平均電流 4. 二極管反向電壓二極管反向電壓 UO= 2 U2sin td( t)1 0 = U2 2 2 IO=UO RLID= IO 12URm= 2 U2 IFIDURURm高等教育出版社高等教育出版社21 例例8.4.1 一橋式整流電路，已知負載電阻一橋式整流電路，已知負載電阻 RL=240 ，負載所需直流電壓，負載所需直流電壓 = 12 V，電源

11、變壓器一次電壓，電源變壓器一次電壓 U1 = 220 V。試求。試求該電路正常工作時的負載電流該電路正常工作時的負載電流 、二極管、二極管平均電流平均電流 ID 和變壓器的電壓比和變壓器的電壓比 k。 解解 負載直流電流負載直流電流 IO=UORL= A = 0.05 A12240ID= IO = 0.05 A = 0.025 A 1 21 2二極管平均電流二極管平均電流 變壓器的二次電壓變壓器的二次電壓 U2= = V = 13.33 V Uo0.9 12 0.9變壓器的電壓比變壓器的電壓比k = = = 16.5 U2 U1 220 13.33 高等教育出版社高等教育出版社228.5 濾濾

12、 波波 電電 路路 一、電容濾波電路一、電容濾波電路 C uO RLu2u1 uOt O2 U2 電容放電電容放電 當二極管導通時，當二極管導通時， 電容被充電儲能。電容被充電儲能。 當二極管截止時，當二極管截止時， 電容放電。電容放電。 濾波電容的選擇：濾波電容的選擇： C(3 5) T2RL=1.52.52RLf高等教育出版社高等教育出版社23 UCN =2 U2 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值: UO = 1.2 U2（全波）（全波） 空載輸出直流電壓空載輸出直流電壓: 濾波電容的耐壓：濾波電容的耐壓： UCN2 U2 高等教育出版社高等教育出版社24 例例8.5.1 一橋式整流、電容

13、濾波電路，已知電源頻一橋式整流、電容濾波電路，已知電源頻率率 f = 50 Hz ，負載電阻，負載電阻 RL=100 ，輸，輸 出直流電壓出直流電壓 UO = 30 V 。試求。試求： (1) 選擇整流二極管；選擇整流二極管；(2) 選擇濾波電容選擇濾波電容器；器；(3) 負載電阻負載電阻 斷路時的輸出電壓斷路時的輸出電壓UO ；(4) 電容斷路電容斷路時的輸出電壓時的輸出電壓UO。解解 (1) 選擇整流二極管選擇整流二極管IO=UORL= A = 0.3 A30100U2=UO1.230 1.2V = 25 V=URm= 2 U2 = 2 25 V =35.4 VID= IO = 0.3 A

14、 = 0.15 A1 21 2高等教育出版社高等教育出版社25查附錄，選用查附錄，選用 2CZ53B 4 個個 （IF=300mA，UR=50V）。）。(2) 選擇濾波電容器選擇濾波電容器C1.52.5 RLf1.52.510050 = (300500)FFUCN= 2 25 V =35.4 V 2 U2 (3) 負載電阻斷路時負載電阻斷路時UO= 2 U2 = 2 25 V = 35.4 V (4) 電容斷路時電容斷路時UO = 0.9U2 = 0.925 V = 22.5 V IF2ID = 20.15A = 0.3 A， URURm=34.5 V高等教育出版社高等教育出版社26二、電感濾

15、波電路二、電感濾波電路 對直流分量對直流分量: XL = 0，大部分整，大部分整 流電壓降在流電壓降在 RL 上。上。 對諧波分量對諧波分量: f 越高，越高，XL 越大，越大， 電壓大部分降在電壓大部分降在 XL 上。上。 uO RLiOu2u1 L高等教育出版社高等教育出版社27 uO RLiOC2 C1 三、復式濾波電路三、復式濾波電路 C2 C1 1. LC 形濾波電路形濾波電路 2. RC 形濾波電路形濾波電路 L uO RLiORL 高等教育出版社高等教育出版社28一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管 又稱為齊納二極管。又稱為齊納二極管。 為面結型硅二極管。為面結型硅二極管。反向反向特性特

16、性正向正向特性特性 特點：特點： 反向擊穿電壓??；反向擊穿電壓小； 反向擊穿特性陡。反向擊穿特性陡。 擊穿擊穿 電壓電壓 UZ IZmax U/V I/mA OIZmin 8.6 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路高等教育出版社高等教育出版社29 解解 (1) Ui10 V 時時 DZ 反向擊穿穩(wěn)壓：反向擊穿穩(wěn)壓：UO = UZ = 5 V 。 (2) Ui = 3 V 時時DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui = 3 V 。 (3) Ui =5 V 時時DZ 正向導通：正向導通：UO= 0 V 。 (4) ui = 10sin t V 時時 當當 0ui5 V 時，時，DZ 反向截止：反向截止：UO= Ui

17、 = 10sin t V。 當當 ui5 V 時，時，DZ 反向擊穿穩(wěn)壓：反向擊穿穩(wěn)壓： 例例8.6.1 如圖所示電路，設如圖所示電路，設 UZ = 5 V，正向壓降，正向壓降 忽略不計。當直流輸入忽略不計。當直流輸入Ui = 10 V、3 V、5 V 時，時，Uo= ？當輸入為交流當輸入為交流 ui = 10sin t V 時，分析時，分析 uO的波形。的波形。 R DZ UiUO5 t uO/V O 2 3 UO = UZ = 5 V 。當當 ui0 V 時，時，DZ 正向導通：正向導通：UO= 0 V。 高等教育出版社高等教育出版社30二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路+- -

18、u2+- -u1CUi RLUO IIOR DZIZ穩(wěn)壓過程：穩(wěn)壓過程： UO IZ I IR UO 高等教育出版社高等教育出版社31 分為線性集成穩(wěn)壓電路和開關集成穩(wěn)壓電路。分為線性集成穩(wěn)壓電路和開關集成穩(wěn)壓電路。 CW78XX系列正電壓穩(wěn)壓器。系列正電壓穩(wěn)壓器。 CW79XX系列負電壓穩(wěn)壓器。系列負電壓穩(wěn)壓器。 1 3 2 輸出電壓規(guī)格：輸出電壓規(guī)格： 5V, 6V, 8V, 9V, 12V, 15V 高等教育出版社高等教育出版社32 CW78XX 接線圖接線圖 +- -u2+- -u1CRL UO 78XX CiCo 1 2 3 高等教育出版社高等教育出版社33 CW79XX 接線圖接線

19、圖 +- -u2+- -u1CRL UO 79XX CiCo 3 2 1 高等教育出版社高等教育出版社34 同時輸出正負兩組電壓的接線圖同時輸出正負兩組電壓的接線圖5 V 5 V CW7805Ci1 2 3 CW79051 2 Co 3 Ui CiCoUO高等教育出版社高等教育出版社35*3. 三端可調式集成穩(wěn)壓器三端可調式集成穩(wěn)壓器 類型：類型： CW117、CW217、CW317 (正電壓正電壓) CW137、CW237、CW337 (負電壓負電壓) 輸出電流等級：輸出電流等級： 0.1A, 0.5A, 1.5A 軍品級軍品級工業(yè)級工業(yè)級民品級民品級 典型電路：典型電路： CW217 Ci

20、Co 3 2 1 + C+ - UO + - UiR1R2高等教育出版社高等教育出版社36 CW237 CiCo 2 3 1 C- - + UO - - + UiR1R2+ 輸出電壓計算公式：輸出電壓計算公式： UO= 1.25 ( 1+ ) R2R1 高等教育出版社高等教育出版社378.6 晶晶 閘閘 管管 圖形符號圖形符號PNPNG（控制極（控制極 或門極）或門極）K（陰極）（陰極）A（陽極）（陽極）AKG高等教育出版社高等教育出版社38（1）由截止變?yōu)閷ǎ海┯山刂棺優(yōu)閷ǎ海?） 由導通變?yōu)榻刂梗河蓪ㄗ優(yōu)榻刂梗?uA0 或或 iAIH（維持電流）（維持電流） （2）普通晶閘管導通后，

21、控制極失去控制作用）普通晶閘管導通后，控制極失去控制作用uG采用正觸發(fā)脈沖電壓采用正觸發(fā)脈沖電壓uA 0 且且 uG 0高等教育出版社高等教育出版社39(1) 額定正向平均電流額定正向平均電流 IF 允許通過的工頻正弦半波電流在一個周期內的平均值允許通過的工頻正弦半波電流在一個周期內的平均值 (2) 正向重復峰值電壓正向重復峰值電壓UFRM (3) 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM (4) 控制極觸發(fā)電壓控制極觸發(fā)電壓UG 和觸發(fā)電流和觸發(fā)電流IG 高等教育出版社高等教育出版社40*二、雙向晶閘管二、雙向晶閘管 A2A1G相當于兩個反向晶閘管并聯(lián)，相當于兩個反向晶閘管并聯(lián)，兩者共用一個

22、控制極。兩者共用一個控制極。利用雙向晶閘管可實現(xiàn)交流調壓：利用雙向晶閘管可實現(xiàn)交流調壓：RLG+ui- - A2A1+uo- - ui t Ouo t O + 高等教育出版社高等教育出版社41單相橋式整流電路中的兩個二極管用可控單相橋式整流電路中的兩個二極管用可控 的的 晶閘管替換晶閘管替換 半控。半控。 8.8 可控整流電路可控整流電路 abT+- -u2+- -u1uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO 高等教育出版社高等教育出版社42正半周，正半周，T2、D1 承受反向電壓截止，承受反向電壓截止， T1、D2 承受正向電壓，承受正向電壓，控制極電壓控制極電壓 uG 在在 t =時施

23、加，時施加，故在故在 t 時，時， T1 和和 D2 導通導通電流通路：電流通路：a T1 RL D2 babT+-u2+-u1uGT1D1 uGT2D2RL+-uOiO 高等教育出版社高等教育出版社43負半周，負半周，T1、D2承受反向電壓截止，承受反向電壓截止， T2、D1 承受正向電壓。承受正向電壓。控制極電壓控制極電壓 uG 在在 t =+ 時施加，時施加，故在故在 + t2 時，時， T2 和和 D1 導通。導通。 電流通路：電流通路：bT2 RLD1 aabT+- -u2+- -u1uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO 高等教育出版社高等教育出版社44 + + 2 ab+- -u2uGT1D1uGT2D2RL+- -uOiO負載負載 RL 上得到不完整上得到不完整 的全波脈動電壓的全波脈動電壓 。u2 t O t uGuO t OO 高等教育出版社高等教育出版社45 uO 2 t UO(1) 負載直流電壓負載直流電壓 (2) 負載直流電流負載直流電流 UO= 2U2sin t d( t)1 = U2 2 2 1+cos 2= 0.9U2 1+cos 2IO= UORL高等教育出版社高等教育出版社46 例