二极管的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,1,章 半导体二极管及其应用,1.2,半导体二极管,1.3 桥式整流电路及滤波电路,1.4 稳压二极管和稳压管稳 压电路,1.1,PN,结,及其单向导电性能,第,1,章 半导体二极管及其应用,本章要求：,一、理解,PN,结的单向导电性。,二、了解二极管、稳压管的基本构造、工,作原理和特性曲线，理解主要参数的意义。,三、会分析含有二极管的电路。,四、了解,桥式整流电路、滤波电路及稳压管稳,压电路 的工作原理及其应用。,.,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。,对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。,器件是非线性的、特性有分散性、,RC,的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,1.,1,PN,结及其单向导电性,1.半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性,：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电,能力明显改变,(可做成各种不同用途的半导,体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等,)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,1.,1.1,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,Si,Si,Si,Si,价电子,Si,Si,Si,Si,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,1.,1.2,N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或,N,型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,1.1.2,N,型半导体和,P,型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或,P,型半导体。,掺入三价元素,Si,Si,Si,Si,在,P,型半导体中,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.,在杂质半导体中少子的数量与,（,a.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,3.,当温度升高时，少子的数量,（,a.,减少、,b.,不变、,c.,增多）。,a,b,c,4.,在外加电压的作用下，,P,型半导体中的电流,主要是,，,N,型半导体中的电流主要是 。,（,a.,电子电流、,b.,空穴电流）,b,a,1.1.3,PN,结的形成,载流子的两种运动扩散运动和漂移运动,扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓,度高的区域向浓度较低区域的运动。,漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的,定向运动。,PN,结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称,PN,结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,形成空间电荷区,1.1.4,PN,结的单向导电性,1.,PN,结加正向电压,（正向偏置）,PN,结变窄,P,接正、,N,接负,外电场,I,F,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN,结加正向电压时，,PN,结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，,PN,结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,+,2.,PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P,接负、,N,接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,+,PN,结变宽,2.,PN,结加反向电压,（反向偏置）,外电场,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,I,R,P,接负、,N,接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,+,PN,结加反向电压时，,PN,结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，,PN,结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,二极管,的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,1.2,半导体二极管,1.2.,1,基本结构,(,a),点接触型,(,b),面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(,c),平面型,用于集成电路制作工艺中。,PN,结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,)面接触型,图 1,12,半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,1.2.,2,伏安特性,硅管,0.5,V,锗管,0,.1,V。,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0,.60.8,V,锗0,.2,0.3,V,U,I,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,1.2.,3,主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,反向工作峰值电压,U,RWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压,U,BR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，,I,RM,受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,，,锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,1.2.4二极管的应用(二极管电路分析举例),定性分析：,判断二极管的工作状态,导通截止,否则，正向管压降,硅0,.60.7,V,锗0,.2,0.3,V,分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位,的高低或所加电压,U,D,的正负。,若,V,阳,V,阴,或,U,D,为正(正向偏置)，二极管导通,若,V,阳,V,阴,二极管导通,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=6V,否则，,U,AB,低于,6,V,一个管压降，为,6.3,或,6.7,V,例1：,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,两个二极管的阴极接在一起,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V,1,阳,=6,V，,V,2,阳,=,0,V，,V,1,阴,=,V,2,阴,=,12,V,U,D1,=6V，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,UAB,=0 V,例2:,D,1,承受反向电压为,6,V,流过,D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,u,i,8V，,二极管导通，可看作短路,u,o,=8V,u,i,V,b,，,二极管,D,导通；,3)工作波形,u,负半周，,V,a,V,b,，,二极管,D,1,、D,3,导通，,D,2,、D,4,截止。,3)工作波形,u,D2,u,D4,1),电路结构,u,o,u,D,t,t,R,L,u,i,o,u,o,1,2,3,4,a,b,+,+,动画,u,4),参数计算,(1)整流电压平均值,U,o,(2)整流电流平值,I,o,(,负载电流的平均值),(3)流过每管电流平均值,I,D,I,D,=,I,O,/2=0.45,U,2,/,R,L,(4)每管承受的最高反向电压,U,DRM,(5)变压器副边电流有效值,I,I,2,=U,2,/,R,L,=,I,O,/0.9=1.11,I,O,I,O,=U,O,/,R,L,=,0.9,U,2,/,R,L,例1：,单相桥式整流电路，已知交流电网电压为,220,V，,负载电阻,R,L,=50,，,负载电压,U,o,=110V，,试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I,=1.11,I,o,=2,1.11=2.2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量,S,=,U I,=,122,2.2=,207.8 V A,变压器副边电压,U,122 V,可选用二极管2,CZ11C，,其最大整流电流为1,A，,反向工作峰值电压为300,V。,例2：,试分析图示桥式整流电路中的二极管,D,2,或,D,4,断开时负载电压的波形。,如果,D,2,或,D,4,接反，后果如何？,如果,D,2,或,D,4,因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,u,o,+,_,u,+,_,R,L,D,2,D,4,D,1,D,3,解：,当,D,2,或,D,4,断开后,电路为单相半波整流电路。正半周时，,D,1,和,D,3,导通，负载中有电流,过，负载电压,u,o,=,u,；,负半周时，,D,1,和,D,3,截止，负载中无电流通,过，负载两端无电压，,u,o,=0。,u,o,u,2,3,4,t,w,t,w,2,3,4,o,o,如果,D,2,或,D,4,接反,则正半周时，二极管,D,1,、,D,4,或,D,2,、,D,3,导通，电流经,D,1,、D,4,或,D,2,、,D,3,而造成电源短路，电流很大，因此变压器及,D,1,、,D,4,或,D,2,、,D,3,将被烧坏。,如果,D,2,或,D,4,因击穿烧坏而短路,则正半周时，情况与,D,2,或,D,4,接反类似，电源及,D,1,或,D,3,也将因电流过大而烧坏。,u,o,+,_,u,+,_,R,L,D,2,D,4,D,1,D,3,13.2,滤波器,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。,滤波原理：,滤波电路利用储能元件电容两端的电压,(,或通过电感中的电流,),不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。,方法：,将电容与负载,R,L,并联,(,或将电感与负载,R,L,串联,),。,1.,电容滤波器,1),电路结构,2),工作原理,u,u,C,时,，二极管导通，,电源在给负载,R,L,供电的同时也给电容充电，,u,C,增加，,u,o,=,u,C,。,u,u,C,时,，二极管截止，电容通过负载,R,L,放电，,u,C,按指数规律下降，,uo,=,u,C,。,+,C,i,c,i,+,+,a,D,u,o,u,b,R,L,i,o,=,u,C,3),工作波形,二极管承受的最高反向电压为 。,动画,u,o,u,t,O,t,O,4)电容滤波电路的特点,(,T,电源电压的周期,),(1),输出电压的脉动程度与平均值,U,o,与放电时间,常数,R,L,C,有关。,R,L,C,越大,电容器放电越慢,输出电压的平均值,U,o,越大，波形越平滑。,近似估算,取：,U,o,=1.2,U,(,桥式、全波）,U,o,=1.0,U,（,半波）,当负载,R,L,开路时，,U,O,为了得到比较平直的输出电压,(2)外特性曲线,有电容,滤波,1.4,U,无电容滤波,0,.,45,U,U,o,o,I,O,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。,因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3)流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取：,I,OM,=2,I,D,R,L,C,越大,O,越高，,I,O,越大,整流二极管导通时间越短,i,D,的峰值电流越大,。,i,D,t,u,o,t,O,O,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率,f,=50Hz，,负载电阻,R,L,=200,，,要求直流输出电压,U,o,=30V，,选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解：,1.选择整流二极管,可选用二极管2,CP11,I,OM,=100mA,U,DRM,=50V,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率,f,=50Hz，,负载电阻,R,L,=200,，,要求直流输出电压,U,o,=30V，,选择整流二极管及滤波电容器。,取,R,L,C,=5,T/2,已知,R,L,=50,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解：2.选择滤波电容器,可选用,C,=250,F，,耐压为50,V,的极性电容器,2.,电感电容滤波器,1)电路结构,L,u,R,L,u,o,+,+,+,C,2)滤波原理,对直流分量,:,X,L,=0，,L,相当于短路,电压大部分降在,R,L,上。对谐波分量,:,f,越高,X,L,越大,电压大部分降在,L,上。,因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC,滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,3.,形,滤波器,形,LC,滤波器,滤波效果比,LC,滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比,形,LC,滤波器的体积小、成本低。,L,u,R,L,u,o,+,+,+,C,2,+,C,1,形,RC,滤波器,R,u,R,L,u,o,+,+,+,C,2,+,C,1,R,愈大，,C,2,愈大，,滤波效果愈好。但,R,大将使直流压降增加，,主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,N,1,N,3,C,2,0.047,F,D,2,D,3,D,4,D,1,2CZ12A4,N,2,FU,2,3A,2000,F/50V,+,C,1,24,V,FU,1,1A,直流,24,V,交流,220,V,交直流收扩两用机电源,1.4.2,稳压管稳压电源,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。,稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。,稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,1),稳压管稳压电路,(2)工作原理,U,O,=U,Z,I,R,=I,O,+I,Z,U,I,U,Z,R,L,(,I,O,),I,R,设,U,I,一定，负载,R,L,变化,U,O,基本不变,I,R,(,I,R,R,),基本不变,U,O,(,U,Z,),I,Z,(1)电路,+,U,I,R,L,+,C,I,O,U,O,+,+,u,I,R,R,D,Z,I,z,限流调压,稳压电路,19.3.1,稳压管稳压电路,2.,工作原理,U,O,=U,Z,I,R,=I,O,+I,Z,U,I,U,Z,U,I,U,Z,设负载,R,L,一定，,UI,变化,U,O,基本不变,I,R,R,I,Z,I,R,1.,电路,+,U,I,R,L,+,C,I,O,U,O,+,+,u,I,R,R,D,Z,I,z,3.,参数的选择,(1),U,Z,=,U,O,(2),I,ZM,=,(1.5 3),I,CM,(3),U,I,=(2 3),U,O,(4),为保证稳压,管安全工作,为保证稳压,管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压,U,O,升高时，有如下稳压过程：,2.稳压过程,由电路图可知,U,O,U,f,U,B,U,O,I,C,U,CE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,U,I,T,R,2,U,Z,R,L,U,O,+,R,3,+,+,+,U,B,+,D,Z,+,U,f,+,R,1,