二極管整流電路工作原理

1、項目六二極管及其在汽車中的應(yīng)用,學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟悉二極管的結(jié)構(gòu)組成及種類；了解各種二極管的特性及應(yīng)用；了解半波整流電路。,半 導(dǎo) 體,？,,N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體,導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

2、不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。,本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點,通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都

3、處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共用電子對,+4表示除去價電子后的原子,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體

4、。,二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,自由電子,空穴,束縛電子,2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)

5、于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。,雜質(zhì)半導(dǎo)體,在

6、本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。,一、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這

7、個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,,多余電子,磷原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,二、P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P

8、型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,二、 PN結(jié),PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,,,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,,,擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移

9、使空間電荷區(qū)變薄。,所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,,,,,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),,,,,電位V,V0,,1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。,3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向

10、偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。,PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。,二、PN 結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。,三、PN 結(jié)反向偏置,,,,,,,,,N,P,+,_,內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,,,,,,R,E,四、晶體二極管,1、基本結(jié)構(gòu),PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體

11、二極管。,點接觸型,面接觸型,2、伏安特性,,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。,,導(dǎo)通壓降: 硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。,,反向擊穿電壓UBR,3、主要參數(shù),1）. 最大整流電流 IOM,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）. 反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,

12、3）. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。,二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降?0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正

13、向壓降=0,二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流,普通二極管,發(fā)光二極管,穩(wěn)壓二極管,進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流,不至于損壞的最大電流,由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。,光電二極管,又名光敏傳感器,整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓。,五、單相整流電路,常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。,為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻?/p>

14、無窮大。,(4) 輸出電壓平均值（Uo）：,(1) 輸出電壓波形：,(3) 二極管上承受的最高電壓：,(2) 二極管上的平均電流：,ID = IL,單相半波整流電路的工作原理,u2 >0 時，二極管導(dǎo)通。,忽略二極管正向壓降： uo=u2,,u2<0時，二極管截止,輸出電流為0。,uo=0,一、單相全波整流電路的工作原理,(4) uo平均值Uo：,Uo=0.9U2,(1) 輸出電壓波形：,(2)

15、二極管上承受的最高電壓：,(3) 二極管上的平均電流：,單相橋式整流電路的工作原理,橋式整流電路,u2正半周時電流通路,橋式整流電路,u0,,u2負(fù)半周時電流通路,,u2>0 時,D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A ? D1?RL?D3?B,u2<0 時,D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B ? D2?RL?D4?A,輸出是脈動的直流電壓！,,,,,,,,,,橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波

16、形,三、主要參數(shù)：,輸出電壓平均值：Uo=0.9U2,輸出電流平均值:Io= Uo/RL =0.9 U2 / RL,流過二極管的平均電流：Iv=IL/2,,整流電壓平均值,電 路,整流電壓波形,二極管平均電流,二極管反向電壓,例,有一單相整流電路,負(fù)載電阻為 750?,變壓器副邊電壓為20V，,試求Uo，Io及UDRM,并選用二極管。,解,查二極管參數(shù)，選用2AP4(16mA,50V)。為了使用安全此項參數(shù)選擇應(yīng)比計算值大一倍左右。,

17、● 三相橋式整流電路,整流器件: 二極管六個橋臂都是二極管,其中三個二極管組成共陰極的整流電路,陰極聯(lián)成一點d; 另外三個二極管組成共陽極的不控整流電路,陽極聯(lián)成一點e。 輸出電壓ud=ude,式中U是輸入交流相電壓的有效值,一、工作原理,（1）輪換導(dǎo)電情況： VD4,VD5,VD6連成共陰極的三相整流電路,陰極連到d點,,，a點電位 最高，VD4 導(dǎo)通，

18、 ，b點電位 最高，VD5 導(dǎo)通， ，c點電位 最高，VD6 導(dǎo)通， 每個二極管導(dǎo)電120o，d點電位為 三相交流電的波頂連線。,?共陰極二極管的導(dǎo)通規(guī)律:那個二極管的陽極電位高,它對應(yīng)的二極管導(dǎo)通.,

19、VD1、VD2、VD3構(gòu)成共陽極的三相整流電路。 共陽極二極管的導(dǎo)電規(guī)律為：陰極電位最低的一個二極管導(dǎo)電。,（120o期間），c點電位 最低，VD3導(dǎo)通， （120o期間）， a點電位 最低，VD1導(dǎo)通

20、 ，b點電位 最高，VD2導(dǎo)通,是二極管的自然換流點。故一周期內(nèi)，e點的電位 為 的負(fù)的波頂連線,（2）整流電壓波形： 以變壓器中點為0，整流后的輸出電壓：,0～wta期間， 最高，對應(yīng)的二極管VD6導(dǎo)通, 最低,對應(yīng)的二極管VD2導(dǎo)通,電流方向：c—VD6—d—RL—e—VD2—b,輸出電壓波形圖,wta~wtc’ :

21、 最高,VD4導(dǎo)通; 最底VD2導(dǎo)通; 電流方向:a—VD4—d—RL—e—VD2—b,wtc’~wtb: 最高,VD4導(dǎo)通; 最低 ,VD3導(dǎo)通 ; 電流方向:a—VD4—d—RL—e—VD3—c,輸出電壓波形圖,wtb~wta’， 最高,VD5導(dǎo)通; 最低,VD3導(dǎo)通;電流方向:b—VD5—d—RL—e—VD3—c,wta’~wtc: 為最高，VD5導(dǎo)通; 最

22、低,VD1導(dǎo)通;電流方向:b—VD5—d—RL—e—VD1—a,輸出電壓波形圖,wtc~wtb’: 為最高，VD6導(dǎo)通; 最低,VD1導(dǎo)通;電流方向:c—VD6—d—RL—e—VD1—a,wtb’~wta: 為最高，VD6導(dǎo)通; 最低,VD2導(dǎo)通;電流方向:c—VD6—d—RL—e—VD2—b,Ul 是輸入線電壓的有效值,三相橋式整流的輸出電壓波形為三相線電壓波形的波頂連線,輸出電

23、壓波形圖,輸出電壓的平均值:,有效值與峰值的關(guān)系:,U是相電壓的有效值,幾種常見的硅整流橋外形：,二、濾波電路,濾波電路的結(jié)構(gòu)特點: 電容與負(fù)載 RL 并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。,交流電壓,脈動直流電壓,直流電壓,原理：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(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。,濾波器,整流電路僅將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動的直流電壓。這種電壓對許多

24、電子設(shè)備遠(yuǎn)達(dá)不到要求，往往再加接濾波器以改善電壓的脈動程度。,一、電容濾波器(C濾波器),,,t,0,u,,,,,t,0,u,,,D截止,D導(dǎo)通,D導(dǎo)通,D截止,,,,D導(dǎo)通,電容濾波器的作用,電容濾波電路,以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。,一、濾波原理,1. RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻),,充電結(jié)束,沒有電容時的輸出波形,2. RL接入（且RLC較大）時 (忽略整流電路內(nèi)阻),電容通過RL放電，在整流電路

25、電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。,只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD 。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。,整流電路的輸出電流iD,,電感濾波（補充）,電路結(jié)構(gòu): 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。,RC–? 型濾波電路,L-C 型濾波電路,LC –? 型濾波電路,t,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,,經(jīng)整流和濾波后，雖脈動程度有了最大改善，但直流電壓幅度還會隨著電網(wǎng)的波動或負(fù)載

26、的變化而變化。,最簡單的直流穩(wěn)壓電源是利用穩(wěn)壓管組成的。如圖采用橋式整流和電容濾波，得到直流電壓Ui，再經(jīng)過限流電阻R和穩(wěn)壓管DZ ，使負(fù)載得到一個比較穩(wěn)定的直流電壓。,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,電壓的穩(wěn)定過程,選擇穩(wěn)壓管一般規(guī)律： UZ=Uo IZmax=(1~5)Iomax Ui=(2~3)Uo,u↑→ Ui↑→ Uo ↑ → IZ ↑ →

27、 UR ↑ →保持負(fù)載電壓Uo近似不變。,當(dāng)電源電壓升高時,當(dāng)負(fù)載增加時,Io↑→ UR↑→ Uo ↓ → IZ ↓ → UR ↓ →保持負(fù)載電壓Uo近似不變。,1.試分析下列幾種情況各屬于什么電路？已知V2=10V，求輸出電壓值為多少？ （1）K1、K2均閉合 （2） K1、K2均分?jǐn)?（3） K1閉合， K2分?jǐn)?（4） K1分?jǐn)啵?K2閉合,2.如圖所示的電路中，已知穩(wěn)壓管VZ=6V，U2=10V，R=30