第 7 章 半导体二极管与整流滤波电路
7.1 半导体的基本知识
7.2 PN结及其特性
7.3 半导体二极管
7.4 特殊二极管
7.5 整流电路
7.6 滤波电路
7.7 硅稳压管稳压电路 返回主目录第 7 章半导体二极管与整流滤波电路
7.1
7.1.1
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 。 自然界中不同的物质,由于其原子结构不同,因而导电能力也各不相同 。 根据导电能力的强弱,可以把物质分成导体,半导体和绝缘体 。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,
如硅,锗,砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体 。
7.1.2半导体的特性
1,热敏性半导体对温度很敏感 。 例如纯锗,温度每升高 10℃,它的电阻率就会减小到原来的一半左右 。 由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏,而且大都具有负的电阻温度系数,所以人们就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器和能迅速测量物体温度变化的半导体点温计等 。
2,光敏性与金属不同,半导体对光和其它射线都很敏感 。 例如一种硫化镉半导体材料,在没有光照射时,电阻高达几十兆欧 ;
受到光照射时,电阻可降到几十千欧,两者相差上千倍 。
利用半导体的这种光敏特性可以制成光敏电阻,光电二极管,光电三极管以及太阳能电池等 。
3.
半导体对杂质很敏感 。 在纯净半导体中掺进微量的某种杂质,对其导电性能影响极大 。 例如,在纯净硅中掺入百万分之一的硼,可使其导电能力增加几十万倍以上 。
三,
1,价电子自然界的一切物质都是由原子组成的,而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成的 。 电子分层围绕原子核作不停的旋转运动,其中内层的电子受原子核的吸引力较大,外层电子受原子核的吸引力较小,外层电子的自由度较大,因此外层的电子如果获得外来的能量,就容易挣脱原子核的束缚而成为,自由电子,。 我们把最外层的电子叫做价电子 。 在电子器件中,用得最多的半导体材料是硅和锗,它们的原子结构如图 7 - 1 所示 。 硅和锗都是四价元素,其原子最外层轨道上都具有 4 个价电子 。
图 7 - 1原子结构示意图
( a ) ( b )
Si
＋ 14
Ge
＋ 32
价电子的数目越接近 8个,物质的化学结构也就越稳固 。
对于金属材料,其价电子一般少,因此金属中的价电子很容易变成自由电子,所以,金属是良导体；对于单质绝缘体,
其价电子数一般多于 4个,因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着,很难形成自由电子,所以不能导电；对于半导体来说,原子的价电子数为 4个,其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来,也不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住,因此半导体的导电性能就比较特殊 。
2,半导体的共价键结构半导体一般都是晶体结构,最常见的半导体材料是硅和锗 。
当硅或锗被制成单晶体时,其原子有序排列,每个原子最外层的 4 个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的 4 个原子发生联系 。 这时,每两个相邻原子之间都共用一对电子,使相邻两原子紧密地连在一起,形成共价键结构,
如图 7 - 2 所示 。
图 7-2
(a) 硅 (Si); (b) 锗 (Ge)
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
正离子核大块晶体中的局部结构两个电子的共价键
7.1.4本征半导体完全纯净的,结构完整的半导体,称为本征半导体 。 当本征半导体的温度升高或受到光线照射时,其共价键中的价电子就从外界获得能量 。 由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着,因此就有少量的价电子在获得足够能量后,挣脱原子核的束缚而成为自由电子,同时在原来共价键上留下了相同数量的空位,这种现象称为本征激发 。 在本征半导体中,每激发出来一个自由电子,就必然在共价键上留下一空位,我们把该空位称为空穴,由于空穴失去电子,因而空穴带正电 。 可见自由电子和空穴总是成对出现的,我们称之为电子 -空穴对,如图 7 - 3 所示 。
图 7 - 3电子 -空穴对
＋ 4
由于热激发而产生的自由电子
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
自由电子移走后留下的空穴在产生电子 -空穴对的同时,有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇,重新结合,使电子 -空穴对消失,
这称为复合 。 在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的 。 在常温下,本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少,同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力,导电能力很差 。 温度越高,
所产生的电子 -空穴对也越多,半导体的导电能力也就越强 。
在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流；另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,即空穴产生移动,形成空穴电流 。
在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流； 另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,
即空穴产生移动,形成空穴电流 。 由于电子和空穴所带电荷的极性相反,它们的运动方向也是相反的,因此形成的电流方向是一致的,流过外电路的电流等于两者之和 。
综上所述,在半导体中不仅有自由电子一种载流子,而且还有另一种载流子 ——空穴 。 这是半导体导电的一个重要特性 。 在本征半导体内,自由电子和空穴总是成对出现的,也就是说,有一个自由电子就必定有一个空穴,因此在任何时候,本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的 。
7.15 掺杂半导体本征半导体中虽然存在两种载流子,但因本征半导体内载流子的浓度很低,所以导电能力很差 。 在本征半导体中,
人为有控制地掺入某种微量杂质,即可大大改变它的导电性能 。 按照掺入杂质的不同,可获得 N型和 P型两种掺杂半导体 。
1,P
在本征半导体 （ 硅或锗的晶体 ） 中掺入三价元素杂质,
如硼,镓,铟等,因杂质原子的最外层只有 3个价电子,它与周围硅 （ 锗 ） 原子组成共价键时,缺少一个电子,于是在晶体中便产生一个穴位 。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其它激发条件下获得能量时,就有可能填补这个穴位,使硼原子成为不能移动的负离子,而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成空穴,如图 7 - 4 所示 。
图 7 4 P型半导体的共价键结构
＋ 4
邻近的电子落入受主的空位，留下可移动的空穴
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 3 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子受主原子这样,掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴,
空穴浓度远大于电子浓度,这种半导体主要靠空穴导电,称为 P型半导体 。
掺入的三价杂质原子,因在硅晶体中接受电子,故称受主杂质 。 受主杂质都变成了负离子,它们被固定在晶格中不能移动,也不参与导电,如图 7- 5 所示 。 此外,在 P型半导体中由于热运动还产生少量的电子 -空穴对 。 总之,在 P型半导体中,不但有数量很多的空穴,而且还有少量的自由电子存在,空穴是多数载流子,电子是少数载流子 。
图 7 -5 P型半导体平面模型
P 型硼离子电子—空穴对由硼提供的空穴
2,N
在本征半导体中掺入五价元素杂质,如磷,锑,砷等 。
掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置,它同相邻的 4个硅原子组成共价键时,多出了一个电子,这个电子不受共价键的束缚,因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子,如图 7
6 所示 。 这样,掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子,且自由电子的浓度远大于空穴的浓度 。 显然,这种掺杂半导体主要靠电子导电,称为 N型半导体 。
由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质 。 每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷,
因此杂质原子都变成正离子,它们被固定在晶格中不能移动,
也不参与导电,如图 7-7 所示 。
图 7- 6 N型半导体的共价键结构
＋ 4
施主原子提供的多余的电子
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 5 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
施主正离子图 7 -7 N 型半导体平面模型
P 型硼离子电子—空穴对由硼提供的空穴此外,在 N型半导体中热运动也会产生少量的电子 -空穴对 。 总之,在 N型半导体中,不但有数量很多的自由电子,
而且也有少量的空穴存在,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子 。
必须指出,虽然 N型半导体中有大量带负电的自由电子,
P型半导体中有大量带正电的空穴,但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用,无论 N型半导体还是 P型半导体,
对外表现都是电中性的 。
7.2 PN结及其特性单纯的 P型或 N型半导体仅仅是导电能力增强了,但还不具备半导体器件所要求的各种特性 。
如果通过一定的生产工艺把一块 P半导体和一块 N型半导体结合在一起,则它们的交界处就会形成 PN结,这是构成各种半导体器件的基础 。
一,PN 结的形成当 P型半导体和 N型半导体通过一定的工艺结合在一起时,
由于 P型半导体的空穴浓度高,电子浓度低,而 N型半导体的自由电子浓度高,空穴浓度低,所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差 。 浓度差将引起载流子的扩散运动,如图 7- 8（ a）
所示 。
图 7- 8 PN结的形成
P 区载流子的扩散运动
N 区空穴 电子
( a )
内电场方向空间电荷区空穴扩散运动方向
( b )
P 区 N 区有一些电子要从 N区向 P区扩散,并与 P区的空穴复合；
也有一些空穴要从 P区向 N区扩散,并与 N区的电子复合 。 由于电子和空穴都是带电的,因此扩散的结果就使 P型半导体和
N型半导体原来保持的电中性被破坏 。 P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子； N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子 。 半导体中的离子虽然也带电,但由于物质结构的关系,它们不能任意移动,因此并不参与导电 。 这些不能移
P区和 N 区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是 PN结 。 PN结具有阻碍载流子扩散的特性,因此又称为阻挡层 。 PN结的空间电荷区内的载流子浓度已减小到耗尽程度,因此又称为耗尽层 。
空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场,如图 7 -8
（ b） 所示 。 内电场的这种方向,将对载流子的运动带来两种影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在电场力的作用下使 P区和 N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动 。
PN结形成的最初阶段,载流子的扩散运动占优势,随着空间电荷区的建立,内电场逐渐增强,载流子的漂移运动也在加强,最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡 。
二,PN
如果在 PN结上加正向电压 （ 也称正向偏置 ）,即 P区接电源正极,N区接电源负极,如图 7 -9(a)所示,这时电源产生的外电场与 PN结的内电场方向相反,内电场被削弱,使阻挡层变薄,多子的扩散运动大于漂移运动,形成较大的扩散电流,即正向电流 。 这时 PN结的正向电阻很低,处于正向导通状态 。 正向导通时,外部电源不断向半导体供给电荷,
使电流得以维持 。
如果给 PN结加反向电压 （ 也称反向偏置 ）,即 N区接电源正极,P区接电源负极,如图 7 -9(b)所示,这时外电场与内电场方向一致,增强了内电场,使阻挡层变厚 。
图 7- 9 PN 结的单向导电性空间电荷区变窄
P N
内电场外电场
＋ －
( a ) ( b )
I
F
U
空间电荷区加宽
P N
内电场外电场
＋－
U
S S
这就削弱了多子的扩散运动,增强了少子的漂移运动,
从而形成微小的漂移电流,即反向电流 。 这时 PN结呈现的电阻很高,处于反向截止状态 。 反向电流由少子漂移运动形成,
少子的数量随温度升高而增多,所以温度对反向电流的影响很大,这正是半导体器件温度特性差的原因 。 在一定温度下,
反向电流不仅很小,而且基本上不随外加反向电压变化,故称其为反向饱和电流 。
由此可见,PN结在正向电压作用下,电阻很小,PN结导通,
电流可顺利流过；而在反向电压作用下,电阻很大,PN结截止,阻止电流通过 。 这种现象称作 PN结的单向导电性 。
7.3 半导体二极管
7.3.1 二极管的结构半导体二极管是由一个 PN结加上引出线和管壳构成的 P型半导体一侧的引出线称为阳极或正极,N型半导体一侧的引出线称为阴极或负极 。
二极管按结构可分为点接触型和面接触型两种 。 点接触型二极管的构成如图 7 -10(a)所示 。 它的特点是 PN结的面积非常小,因此不能通过较大电流；但结面积小,结电容也小,
高频性能好,故适用于高频和小功率情况,一般用于检波或脉冲电路,也可用来作小电流整流 。
图 7- 10半导体二极管结构和符号
( a ) ( b ) ( c )
触丝引线
N 型锗片外壳 铝合金小球
N 型硅阳极引线
PN 结金锑合金底座阴极引线面接触的二极管的结构如图 7- 10(b)所示,它的主要特点是 PN结的结面积很大,因而能通过较大的电流；但结电容也大,只能在较低的频率下使用,一般用作整流 。
二极管的符号如图 7 -10(c)所示 。
二,二极管的伏安特性二极管的伏安特性是表征二极管电压和电流关系的曲线 。
测量晶体二极管伏安特性的电路如图 7- 11 所示 。 改变 RP的大小,可以测出不同电压值时所对应的二极管中的电流 。 把所得的数据画在直角坐标系中,就得到二极管的伏安特性曲线,
如图 7 -12 所示 。
图 7 –11 二极管伏安特性测试电路
＋ －
m A
V
R P
R
( a )
＋－
m A
V
R P
R
( b )
E E
图 7- 12 二极管的伏安特性
U / V
I / mA
A
B
正向特性死区电压
I /
A
U
BR
C
D
反向特性击穿
O
1.
1） 起始段 (OA)
当二极管为正向接法时,正向电压由 0开始增大,由于外加电压较小,外电场还不足以克服 PN结的内电场对载流子扩散运动的阻力,所以二极管呈现很大的正向电阻,正向电流很小,几乎等于 0。 当正向电压超过一定数值后,内电场大为削弱,电流迅速增长 。 这个一定数值的正向电压称为死区电压,其大小与管子的材料及环境温度有关 。 一般硅管的死区电压为 0.5 V,锗管约为 0.2 V。
2） 导通段 (AB)
如图 7- 12 所示,在特性曲线 B点以后,二极管在电路中相当于一个开关的导通状态 。 在正常使用条件下,二极管的正向电流在相当大的范围内变化,而二极管两端电压的变化却不大 。 小功率管的导通压降约为 0.6~0.7V,锗管约为
0.2~0.3V。
2.
当二极管两端加反向电压时,反向电流很小,近乎于截止状态,且基本上不随外加电压而变化,如图 7- 12的 OC段所示 。 对二极管来说,反向电流越小,表明反向特性越好,
反向电流越大,表明反向特性越差 。 一般硅管的反向电流要比锗管小得多 。
3,反向击穿特性当反向电压增加到一定数值时 （ 如图 7- 12 所示的反向电压由 C继续增大到 D点时 ）,电流突然剧增,这种现象称为反向击穿 。 发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压 。 之所以产生击穿,是因为加在 PN结中很强的外电场可以把价电子直接从共价键中拉出来成为载流子,这叫做齐纳击穿 。 此外,强电场使 PN结中的少数载流子获得足够的动能,去撞击其它原子,把更多的价电子从共价键中拉出来,这些撞击出来的载流子,又去撞击更多的原子,如同雪崩一样,这叫做雪崩击穿 。 上述两种击穿效应能产生大量的电子 -空穴对,从而使反向电流剧增 。
无论是齐纳击穿还是雪崩击穿,如果去掉反向电压,二极管仍能恢复工作,这就属于电击穿 。
如果去掉反向电压,二极管不能恢复工作,说明发生了热击穿,二极管已损坏 。 热击穿是应该避免的 。
一般二极管正常工作时,是不允许反向击穿的 。 而有一些特殊的二极管,如后面要学到的稳压管却常常工作在反向击穿状态 。
温度对二极管的特性影响较大 。 当温度升高时,正反向电流都随着增大,特别是反向电流急剧增大；而反向击穿电压则要下降,二极管的导通压降则要降低 。
三,二极管的主要参数晶体二极管的参数规定了二极管的适用范围,它是合理选用二极管的依据 。 晶体二极管的主要参数有最大整流电流,高反向工作电压,反向电流 。
1,最大整流电流 IFM
IFM是指长期工作时,二极管能允许通过的最大正向平均电流值 。 在选用二极管时,工作电流不能超过它的最大整流电流 。
2,高反向工作电压 URM
URM是指二极管工作时所能承受的反向电压峰值,也就是通常所说的耐压值 。 为了防止二极管因反向击穿而损坏,通常标定的最高反向工作电压要比反向击穿电压低一些 。 在选用二极管时,加在二极管两端的反向电压峰值不允许超过这一数值,以保证二极管能正常工作,不致于反向击穿而损坏 。
3,反向电流 IR
IR是指二极管未击穿时的反向电流值 。 此值越小,二极管的单向导电性越好 。 由于温度增加,反向电流会急剧增加,
所以在使用二极管时要注意温度的影响 。
现简单介绍一下限幅电路 。
限幅器又称削波器,主要是限制输出电压的幅度 。 为讨论方便起见,假设二极管 V为理想二极管,即正偏导通时,
忽略 V的正向压降,近似认为 V短路；反偏截止时,近似认为
V开路 。
例 7.1 电路如图 7 -13(a)所示,输入电压 ui的波形如图 7
13(b)所示 。 画出输出电压 uo的波形 。
解 当 ui＞ +5 V时,uo＝ +5 V (V正偏短路 )；
ui≤+5V时,uo＝ ui (V反偏开路 )。
故可画出输出电压 uo的波形,如图 7-13(b)所示 。
图 7 -13例 7.1
(a) 电路； (b) 波形
R
V
＋ 5 V
＋
u
i
u
o
＋ 10
u
i
/ V
－ 10
t
u
o
/ V
0
＋ 5
－ 10
0 t
( b )( a )
7.4 特 殊 二 极 管二极管的类型较多,除前面讨论的普通二极管外,还有若干种特殊二极管,如稳压二极管,光电二极管,发光二极管等 。
7.4.1稳压二极管
1,结构原理稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管,这种管子的掺杂重,击穿电压值低,正向特性和普通二极管一样 。 当反向电压加到某一定值时,反向电流剧增,
产生反向击穿,反向击穿特性很陡峭 。 击穿时通过管子的电流在很大范围内变化,而管子两端的电压却如图 7- 14(b)所示几乎不变,稳压二极管就是利用这一特性来实现稳压的 。
图 7 -14
(a) 符号； (b) 伏安特性曲线
U / V
I / m A
O
U
z
( a )
V
I
Z m i n
I
Z
( b )
阴极( 接电源正极)
阴极( 接电源负极)
I
Z m a x
A
B
U
z
I
z
可见,稳压管就是工作在反向击穿状态下的硅二极管 。 因此,在使用时,稳压管必须反向偏置 （ 利用正向稳压的除外 ） 。
另外,稳压管可以串联使用,一般不能并联使用,因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏 。 稳压管的符号如图 7 14(a)所示 。
2,主要参数
1) 稳定电压 UZ
UZ就是稳压管的反向击穿电压 。 相当于图 7 -14 中特性曲线 AB段间的 IZ对应的电压值,由于晶体管参数的分散性,即使同一型号的管子,UZ的值也有不同 。 例如,2CW75管的 UZ
值为 10~11.8V,是指该管的稳定电压是 10~11.8V范围内的某一数值,而不是指一个具体的 2CW75管的稳定电压在 10~11.8V之间变化 。
2) 稳压电流 IZ
IZ是指稳压管维持稳定电压的工作电流 。 手册中规定有最小测试电流 IZmin(IZ1)和正常测试电流 IZ(IZ2)两项,通常应用取 IZ值作为标称值 。
3) 最大稳定电流 IZ max
最大电流是稳压二极管允许通过的最大反向电流 。
稳压管工作时的电流应小于这个电流,若超过这个值,
管子会因电流过大造成管子过热而损坏；正常工作时,IZmin
＜ I＜ IZ max。
4) 最大耗散功率 PZ max
PZ max是指稳压管不致因过热而损坏的最大耗散功率 。
PZ max＝ UZIZ max
5) 动态电阻 rZ
rZ是反映稳压管稳压性能好坏的一个参数 。 它等于稳压管两端电压的变化量和对应的电流变化量之比,即
rZ=
动态电阻越小,说明曲线越陡,稳压管的稳压性能越好。
Z
z
I?
u
二,光电二极管光电二极管又称为光敏二极管 。 它的结构与普通二极管类似,但在它的 PN结处,能通过管壳上的一个玻璃窗口接收外部的光照 。 如图 7 15所示,它的 PN结工作在反向偏置状态其反向电流随光照强度增加而上升 。 通过回路电阻 RL可获得电信号,从而实现光电转换或光电控制 。 光电二极管的应用很广泛,主要用于需要光电转换的自动探测,控制装置,在光导纤维通讯与系统中还可以作为接收器件等 。 其外形及符号如图 7-16(a),(b)所示 。
图 7 -15光电二极管结构
N P
U
R
L
＋ －
I
R
光图 7-16 光电二极管的外形及符号
( b )( a )
三,发光二极管发光二极管简称 LED，是一种固态 PN器件，常用砷化镓、
磷化镓等制成，其结构、外形和符号如图 7 -17(a),(b),(c)
所示。
我们知道半导体在外界能量（光、热）的激发下会产生电子 -空穴对。相反，若自由电子和空穴相遇，两者复合时会释放出能量。发光二极管工作时,PN结正向偏置。正向偏置的 PN结,N区的电子越过 PN结进入 P区和 P区的空穴复合,P
区的空穴越过 PN结进入 N区，也会和 N区的电子复合。发光二极管是用特殊的半导体材料 (如砷化镓等 )制成的,当载流子复合时，释放出的能量是一种光谱辐射能。砷化镓半导体辐射红光；磷化镓半导体辐射绿光或黄光等。
图 7 –17 发光二极管的外形及符号
( a ) ( b ) ( c )
N P
U
R
L
＋ －
I
F
光发射发光二极管常用来作为显示器件,除单个使用外,也常做成七段式或矩阵式器件,工作电流一般为几毫安至几十毫安之间 。 发光二极管的另一种重要用途是将电信号变为光信号,通过光缆线输入,然后再用光电二极管接收,
再现电信号 。
7.5 整 流 电 路整流就是把大小,方向都随时间变化的交流电变换成直流电 。 完成这一任务的电路称为整流电路 。 常见的整流电路有单相半波,全波,桥式和倍压整流电路 。 单相桥式整流电路用得最为普遍 。 本节主要介绍单相桥式整流电路 。
一,工作原理单相桥式整流电路如图 7 -18(a)所示,图中 TC为电源变压器,它的作用是将交流电压 ui变成整流电路要求的交流电压 u2=2U2sinωt,RL是要求直流供电的负载电阻,4只整流二极管 V1～ V4接成电桥的形式,故称为桥式整流电路 。
一,工作原理单相桥式整流电路如图 7 -18(a)所示,图中 TC为电源变压器,它的作用是将交流电压 ui变成整流电路要求的交流电压 u2= U2sinωt,RL是要求直流供电的负载电阻,4 只整流二极管 V1～ V4 接成电桥的形式,故称为桥式整流电路 。
图 7 -18(b)是它的另一种画法 。 图 7 18(c)是它的简化画法 。
在 u2的正半周 （ 0≤ωt＜ π）,由于 A端为正,B端为负,所以二极管 V1和 V2受到正向电压作用而导通,电流由次级绕组的
A端,依次通过 V1,RL,V2而回到绕组 B端,构成导电回路 。
二极管 V3和 V4因承受反向电压而截止,如图 7- 18(a)的实线所示 。
2
图 7- 18 桥式整流电路
( a )
u
i
( b )
u
i
( c )
u
o
R
L
V
1
V
3
V
4
V
2
u
i
A
B
TC
i
o
＋
－
u
2
＋
－
TC
u
o
A
B
V
4
V
1
V
3
V
2
u
2
＋
－
R
L
U
o
R
L
u
2
＋
－
在 u2的负半周 （ π≤ωt＜ 2π）,变压器的 A端为负,B端为正,所以 V3和 V4受到正向电压作用而导通,电流由次级绕组的 B端,依次通过 V3,RL,V4而回到绕组 A端,构成导电回路 。
二极管 V1和 V2因承受反向电压而截止,如图 7 –18(a)的虚线所示 。
在以后各个半周期内,将重复上述过程,4 只二极管中两个两个地轮流导电,轮流截止 。 因此在整个周期,负载电阻
RL上均有电流流过,而且始终是一个方向,即都是从负载的上端流向下端 。 负载 RL上电压,电流的波形如图 7- 19 所示 。
变压器次级绕组在整个周期的正,负两个半周内都有电流通过,提高了变压器的利用率 。
图 7- 19电压,电流波形图
u
2
0
t
t
0
i
L
i
V1
i
V3
i
V2
i
V4
i
V1
i
V3
i
V2
i
V4
u
L
0
tV
3
V
1
V
4
V
2
V
4
V
2
V
3
V
1
二,负载上的直流电压 UL和直流电流 IL的计算整流后的电压,电流波形如图 7 -19 所示 。 从图中可以看出,变压器副边电压 u2按正弦规律变化 。 经过整流后,负载电阻上电流的方向不变,但其大小仍作周期性变化,故称为脉动直流电压 。 脉动直流电压,电流一般用平均值来表示,
即一个周期内脉动电压的平均值 。 当变压器副边电压
u2= U2sinωt V2
时,电压平均值
Vwtw t dUU L )(s in21 20
负载上的电压平均值
(7 -2)
电流平均值
22 9.0
22 UUU
L
L
L R
UI 29.0?
(7 -3)
四,整流元件参数的计算
1,二极管的平均电流在桥式整流电路中,二极管 V1,V2和 V3,V4是两两轮流导通的,
(7- 4)
L
LV R
UII 245.0
2
1
2.
二极管在截止时管子两端的最大反向电压可以从图 7- 19
（ a） 看出 。 在 u2的正半周,V1,V2导通,V3,V4截止 。 此时 V3,V4 所承受到的最大反向电压均为 u2的最大值,
22 UU VM?
(7- 5)
同理，在 u2的负半周,V1,V2也承受同样大小的反向电。
四,整流二极管的选择应按以下原则选择二极管：
(1) 二极管的最大整流电流应大于二极管的工作电流,即
IFM≥IV= IL
(2) 二极管的最高反向工作电压 URM应大于二极管承受的最大反向电压 UVM，
URM≥UVM= U2
2
1
2
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正,负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,
因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用 。
该电路的缺点是二极管用得较多,但目前市场上已有整流桥堆出售,如 QL51A G,QL62A L等,其中 QL62A - L的额定电流为 2 A,最大反向电压为 25～ 1000 V 。
例 7.2一单相桥式整流电路接到 220V正弦工频交流电源上,负载电阻 RL＝ 50Ω,负载电压平均值 ＝ 100V 。
（ 1） 根据电路要求选择整流二极管 。
（ 2） 计算整流变压器的变比及容量。
U
解 整流电流的平均值为流过每个二极管的平均电流值为变压器副边电压有效值为
ARUI
L
250100
AII V 1222
VUU 1 1 19.01 0 09.02
VVU 1221.11112
考虑到变压器副绕组及二极管上的压降,变压器副边电压一般应高出 5％ ～ 10％,即每只二极管截止时承受的最高反向电压为
VVUU VM 1 7 221 2 22 2
为使整流电路工作安全,在选择二极管时,二极管的最大整流电流 IFM应大于二极管中流过的电流平均值 IF,二极管的最高反向工作电压峰值 URM应比二极管在电路中承受的最大反向电压 UVM高出一倍左右 。
因此可以选用场 2CZ12D二极管,其最大整流电流为
3A,反向工作电压峰值为 300V。
变压器的变比为变压器副绕组电流有效值为
I2＝ 1.11× ＝ 1.11× 2 ＝ 2.22 A
变压器的容量为
S＝ U2× I2 ＝ 122× 2.22 ＝ 270.84V·A
I
8.1122220
2
1
U
UK
7.6 滤波电路为了减小整流后电压的脉动,常采用滤波电路把交流分量滤去,使负载两端得到脉动较小的直流电 。
滤波电路一般由电容,电感,电阻等元件组成 。 滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗,电感 L对直流阻抗为零
（ 线圈电阻忽略不计 ）,对于交流却呈现较大的阻抗 （ XL＝
ωL） 。 若把电感 L与负载 RL串联,则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载,交流分量却大部分降落在电感上 。 负载上的交流分量很小,因此负载上的电压接近于直流 。
电容器 C对于直流相当于开路,对于交流却呈现较小的阻抗 （ XC＝ 1/ωC） 。 若将电容 C与负载电阻并联,则整流后的整流分量全部流过负载,而交流分量则被电容器旁路,因此在负载上只有直流电压,其波形平滑 。
常用的滤波电路有电容滤波,电感滤波,复式滤波等 。
一,电容滤波电路图 7 20 为单相桥式整流,电容滤波电路 。 在分析电容滤波电路时,要特别注意电容器两端电压 UC对整流组件导电的影响,整流组件只有受正向电压作用时才导通,否则便截止 。
图 7 –20 电容滤波电路
U
O
R
L
u
1 ＋
－
C
＋
u
2
1.
(1) 负载 RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零,接入交流电源后,当 u2为正半周时,u2通过 V1,V2向电容器 C充电； u2为负半周时,经 V3,V4向电容器 C充电,充电
τC=RnC
其中,Rn包括变压器副绕组的电阻和二极管 V的正向电阻 。
由于 Rint一般很小,电容器很快就充电到交流电压 u2的最大值
U2,极性如图 7 -20 所示 。 由于电容器无放电回路,故输出电压 （ 即电容器 C两端的电压 UC） 保持在 U2,输出为一个恒定的直流,如图 7 -21 中 ωt＜ 0（ 即纵坐标左边 ） 部分所示 。
2
2
图 7- 21电容滤波电路电流,电压波形图
R
L
未接入 R
L
接入后
u
2
,u
L
,u
C
u
C
＝ 2 U
2
u
2
＝ 2 U
2
s i n t
C 放电 C 充电
u
C
＝ u
L
O
V
1
V
3
导通
V
2
V
4
导通
V
1
V
3
导通
V
2
V
4
导通
2? 3? 4?
i
L
i
V
O
i
V
i
L ＝
u
L
R
L
(2) 接入负载 RL的情况：设变压器副边电压 u2从 0开始上升 （ 即正半周开始 ） 时接入负载 RL,由于电容器中负载未接入前充了电,故刚接入负载时 u2＜ uC,二极管受反向电压作用而截止,电容器 C经 RL放电 。
电容器放电过程的快慢,取决于 RL与 C的乘积,即电路时间常数 τd。 τd越大,放电过程越慢,输出电压越平稳 。 一
RLC＞ (3~5) (7- 6)
其中,T为电源交流电压周期 。
2
T
2,电容滤波电路特性
(1) 在电容滤波电路中,整流二极管的导电时间缩短了,
导电角小于 180°,且放电时间常数愈大,导电角愈小 。 由于电容滤波后,输出直流的平均值提高了,而导电角却减小,
故整流二极管在短暂的导电时间内,将流过一个很大的冲击电流,易损坏整流管,所以选择整流二极管时,管子的最大整流电流应留有充分的裕量 。
(2)负载直流电压随负载电流增加而减小 。 UL随 IL的变化关系称为输出特性或外特性,如图 7- 22 所示 。
C值一定,当 RL＝ ∞,即空载时,输出电压平均值为图 7- 22 桥式整流电容滤波电路的外特性
U
L
2 U
2
0,9 U
2
O
C 型滤波纯电阻负载
I
L
22 4.12 UUU L
在整流电路的内阻不太大 （ 几欧姆 ） 和放电时间常数满足式 (7- 6)的关系时,电容滤波电路负载电压平均值 L与 U2的关系为
2)2.11.1( UU L
总之,电容滤波电路简单,负载直流电压 UL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,故适用于负载电压较高,负载变动不大的场合 。
二,电感滤波电路在桥式整流电路和负载电阻 RL之间串入一个电感 L,如图 7 -23 所示,就组成了一个电感滤波电路 。 利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波,从而得到比较平滑的直流 。
当忽略电感 L的电阻时,负载上输出的电压平均值和纯电阻
（ 不加电感 ） 负载基本相同,即 ≈0.9U2。
电感滤波的特点是,整流管的导电角较大 （ 电感 L的反电势使整流管导电角增大 ）,峰值电流很小,输出特性比较平坦 。 其缺点是体积大,易引起电磁干扰 。 因此,电感滤波一般只适用于低电压,大电流场合 。
LU
图 7 –23 桥式整流电感滤波电路
R
L
u
1
u
2
＋
－
U
L
L
此外,为了进一步减小负载电压中的纹波,在电感 L后再接一电容构成 Γ型滤波电路或 Π型 RC滤波电路,如图 7- 24所示 。 其性能和应用场合分别与电感滤波电路及电容滤波电路相似 。
例 7.3一个桥式整流电容滤波电路如图 7 25 所示 。 电源由 220 V,50Hz的交流电压经变压器降压供电,要求输出直流电压为 30V,电流为 500mA,试选择整流二极管的型号和滤波电容规格 。
解 (1) 选择整流二极管 。
通过每只二极管的平均电流为图 7 –24
＋
L
C
( a )
＋
C
2
( b )
＋
C
1
R
图 7- 25 例 7.3 电路
U
o
R
L
u
i
u
2 ＋
－
＋
－
C
＋
mAII LV 2505002121
有负载时的直流输出电压为
1.2U2
LU
故变压器次级电压有效值为
VUU L 252.1302.12
每只二极管承受的最大反向电压为
VUU RM 352522 2
URM= U2= × 25≈35V
根据 IV和 URM选择二极管,查手册或本书附录 Ⅳ,选取
2CZ54B二极管 4只,其最大整流电流 IFM＝ 0.5A,最高反向工作电压 URM＝ 50V 。
(2) 选择滤波电容器取标称值 1000μF；电容器耐压为 （ 1.5～ 2） U2= (1.5～
2)× 25=37.5～ 50V。 最后确定选 1000μF／ 50V的电解电容器 1
只 。
2 2
FFRTC
L
830108305.0/302 02.0525 6
例 7.4 在图 7 -26 所示桥式整流电容滤波电路中,U2＝ 20
（ 有效值 ）,RL＝ 40 Ω,C＝ 1000μF。
(1) 正常时？
(2) 如果测得,可能出了什么故障?
① ＝ 18V； ② ＝ 28V,③ ＝ 9 V。
解,（ 1） 正常时,
＝ 1.2U2＝ 1.2× 20 V＝ 24 V
(2) 为下列数值时：
LU
LU
LU LU LU
LU
LU
LU
图 7- 26 例 7.4 电路
R
L
u
2
＋
－
U
L
＋
C
① 当 18V时,UL＝ 0.9U2,成为桥式整流不加电容滤波的情况,故可判定电容 C开路 。
② 当 ＝ 28V时,UL＝ 1.4U2,属于 RL＝ ∞时的情况,
故可判定是负载电阻开路 。
③ 当 9V时,UL＝ 0.45U2,成为半波整流不加电容滤波的情况,故可判定是 4只二极管中有 1只开路,同时电容器 C也开路 。
LU
LU
LU
7.7 硅稳压管稳压电路交流电经整流滤波可得平滑的直流电压,但由于电网电压波动和负载变化时输出电压也随之而变,因此,需要一种稳压电路,使输出电压在电网波动或负载变化时基本稳定在某一数值 。
一,稳压二极管稳压电路的工作原理稳压管稳压电路如图 7 -27（ a） 所示,由稳压管 V和限流电阻 R组成,稳压管在电路中应为反向连接,它与负载电阻 RL
并联后,再与限流电阻串联,属于并联型稳压电路 。 下面简单分析电路的工作原理 。
图 7 27稳压管稳压电路
(a) 电路 ; （ b） 伏安特性
U
I
O
U
( b )
R
＋
－
U
i
( a )
I
R
V
I
Z
R
L
I
L
U
o
I
1,负载电阻 RL不变当负载电阻不变,电网电压上升时,将使 Ui增加,Uo随之增加,由稳压管的伏安特性可知,稳压管的电流 IZ就会显著增加,结果使流过电阻 R的电压增大,从而使增大了的负载电压 Uo的数值有所减小,即
Uo=Ui-UR。
如果电阻 R的阻值选择适当,最终可使 Uo基本上保持不变 。
上述稳压过程可表示如下：
Ui→Uo↑→IZ↑→IR↑→
Uo↓←UR↑←
同理,如果交流电源电压降低使 Uo减小时,电压 Ui也减小,因此稳压管的电流 IZ显著减小,结果使通过限流电阻
R的电流 IR减小,IR的减小使 R上的压降减小,结果使负载电压 UL数值有所增加而近似不变 。
2.
假设电网电压保持不变,负载电阻 RL减小,IL增大时,
由于电流在 R上的压降升高,输出电压 Uo将下降 。 由于稳压管并联在输出端,由伏安特性可看出,当稳压管两端的电压有所下降时,电流 IL将急剧减小,而 IR＝ IL＋ IZ,所以 IR基本维持不变,R上的电压也就维持不变,从而得到输出基本维持不变 。 上述稳压过程表示如下：
RL↓→IL↑→IR↑→Uo↓→IZ↓→IR↓=(IL+IZ)→
Uo↑←
当负载电阻增大时,稳压过程相反,读者可自行分析 。
由以上分析可知,稳压二极管稳压电路是由稳压管的电流调节作用和限流电阻 R的电压调节作用互相配合实现稳压的 。
值得注意的是,限流电阻 R除了起电压调节作用外,还起限流作用 。 如果稳压管不经限流电阻 R而直接并在滤波电路的输出端上,它不仅没有起到稳压作用,还可能使稳压管中电流过大而损坏管子,所以稳压二极管稳压电路中必须串接限流电阻 。
硅稳压管稳压电路限流电阻和稳压管的选择
(1) 稳压电路中的稳定电压应按负载电压选取,即 UZ=Uo。
如果一个管子的稳压值不够,可以用两个或多个稳压管串联 。
稳压管的最大稳定电流 IZmax大致上应该比最大负载电流 ILmax
大两倍以上,即 IZmax≥2ILmax。
(2) 限流电阻 R的大小应该满足两个条件 （ 两种极端情况 ） 。 首先,当直流输入电压最低 （ UImin） 而负载电流最大时,流过稳压管的电流应该大于稳压管的稳定电流 IZ,即
ZL
in II
R
UU
m a x
0Im
由上式得出
m a x
0Im
LZ
in
II
UUR
同时,当直流输入电压最高 （ UI max） 而负载电流最小时,流过稳压管的电流不应该超过稳压管的最大稳定电流 IZ
max,即
m i nm a x
0Im
LZ
ax
II
UUR
即
m a x
0Im
m i nm a x
0Im
LZ
in
LZ
ax
II
UUR
II
UU
7.1 半导体的基本知识
7.2 PN结及其特性
7.3 半导体二极管
7.4 特殊二极管
7.5 整流电路
7.6 滤波电路
7.7 硅稳压管稳压电路 返回主目录第 7 章半导体二极管与整流滤波电路
7.1
7.1.1
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 。 自然界中不同的物质,由于其原子结构不同,因而导电能力也各不相同 。 根据导电能力的强弱,可以把物质分成导体,半导体和绝缘体 。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,
如硅,锗,砷化镓以及金属氧化物和硫化物等都是半导体 。
7.1.2半导体的特性
1,热敏性半导体对温度很敏感 。 例如纯锗,温度每升高 10℃,它的电阻率就会减小到原来的一半左右 。 由于半导体的电阻对温度变化的反应灵敏,而且大都具有负的电阻温度系数,所以人们就把它制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器和能迅速测量物体温度变化的半导体点温计等 。
2,光敏性与金属不同,半导体对光和其它射线都很敏感 。 例如一种硫化镉半导体材料,在没有光照射时,电阻高达几十兆欧 ;
受到光照射时,电阻可降到几十千欧,两者相差上千倍 。
利用半导体的这种光敏特性可以制成光敏电阻,光电二极管,光电三极管以及太阳能电池等 。
3.
半导体对杂质很敏感 。 在纯净半导体中掺进微量的某种杂质,对其导电性能影响极大 。 例如,在纯净硅中掺入百万分之一的硼,可使其导电能力增加几十万倍以上 。
三,
1,价电子自然界的一切物质都是由原子组成的,而原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负电的电子所组成的 。 电子分层围绕原子核作不停的旋转运动,其中内层的电子受原子核的吸引力较大,外层电子受原子核的吸引力较小,外层电子的自由度较大,因此外层的电子如果获得外来的能量,就容易挣脱原子核的束缚而成为,自由电子,。 我们把最外层的电子叫做价电子 。 在电子器件中,用得最多的半导体材料是硅和锗,它们的原子结构如图 7 - 1 所示 。 硅和锗都是四价元素,其原子最外层轨道上都具有 4 个价电子 。
图 7 - 1原子结构示意图
( a ) ( b )
Si
＋ 14
Ge
＋ 32
价电子的数目越接近 8个,物质的化学结构也就越稳固 。
对于金属材料,其价电子一般少,因此金属中的价电子很容易变成自由电子,所以,金属是良导体；对于单质绝缘体,
其价电子数一般多于 4个,因此绝缘体中的价电子均被原子核牢牢地吸引着,很难形成自由电子,所以不能导电；对于半导体来说,原子的价电子数为 4个,其原子的外层电子既不像金属那样容易挣脱出来,也不像绝缘体那样被原子核紧紧束缚住,因此半导体的导电性能就比较特殊 。
2,半导体的共价键结构半导体一般都是晶体结构,最常见的半导体材料是硅和锗 。
当硅或锗被制成单晶体时,其原子有序排列,每个原子最外层的 4 个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的 4 个原子发生联系 。 这时,每两个相邻原子之间都共用一对电子,使相邻两原子紧密地连在一起,形成共价键结构,
如图 7 - 2 所示 。
图 7-2
(a) 硅 (Si); (b) 锗 (Ge)
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
正离子核大块晶体中的局部结构两个电子的共价键
7.1.4本征半导体完全纯净的,结构完整的半导体,称为本征半导体 。 当本征半导体的温度升高或受到光线照射时,其共价键中的价电子就从外界获得能量 。 由于半导体原子外层的电子不像绝缘体那样被原子核紧紧地束缚着,因此就有少量的价电子在获得足够能量后,挣脱原子核的束缚而成为自由电子,同时在原来共价键上留下了相同数量的空位,这种现象称为本征激发 。 在本征半导体中,每激发出来一个自由电子,就必然在共价键上留下一空位,我们把该空位称为空穴,由于空穴失去电子,因而空穴带正电 。 可见自由电子和空穴总是成对出现的,我们称之为电子 -空穴对,如图 7 - 3 所示 。
图 7 - 3电子 -空穴对
＋ 4
由于热激发而产生的自由电子
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
自由电子移走后留下的空穴在产生电子 -空穴对的同时,有的自由电子在杂乱的热运动中又会不断地与空穴相遇,重新结合,使电子 -空穴对消失,
这称为复合 。 在一定温度下载流子的产生过程和复合过程是相对平衡的,载流子的浓度是一定的 。 在常温下,本征半导体受热激发所产生的自由电子和空穴数量很少,同时本征半导体的导电能力远小于导体的导电能力,导电能力很差 。 温度越高,
所产生的电子 -空穴对也越多,半导体的导电能力也就越强 。
在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流；另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,即空穴产生移动,形成空穴电流 。
在外电场的作用下,一方面自由电子产生定向移动,形成电子电流； 另一方面价电子也按一定方向依次填补空穴,
即空穴产生移动,形成空穴电流 。 由于电子和空穴所带电荷的极性相反,它们的运动方向也是相反的,因此形成的电流方向是一致的,流过外电路的电流等于两者之和 。
综上所述,在半导体中不仅有自由电子一种载流子,而且还有另一种载流子 ——空穴 。 这是半导体导电的一个重要特性 。 在本征半导体内,自由电子和空穴总是成对出现的,也就是说,有一个自由电子就必定有一个空穴,因此在任何时候,本征半导体中的自由电子数和空穴数总是相等的 。
7.15 掺杂半导体本征半导体中虽然存在两种载流子,但因本征半导体内载流子的浓度很低,所以导电能力很差 。 在本征半导体中,
人为有控制地掺入某种微量杂质,即可大大改变它的导电性能 。 按照掺入杂质的不同,可获得 N型和 P型两种掺杂半导体 。
1,P
在本征半导体 （ 硅或锗的晶体 ） 中掺入三价元素杂质,
如硼,镓,铟等,因杂质原子的最外层只有 3个价电子,它与周围硅 （ 锗 ） 原子组成共价键时,缺少一个电子,于是在晶体中便产生一个穴位 。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其它激发条件下获得能量时,就有可能填补这个穴位,使硼原子成为不能移动的负离子,而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子,形成空穴,如图 7 - 4 所示 。
图 7 4 P型半导体的共价键结构
＋ 4
邻近的电子落入受主的空位，留下可移动的空穴
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 3 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子受主原子这样,掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的空穴,
空穴浓度远大于电子浓度,这种半导体主要靠空穴导电,称为 P型半导体 。
掺入的三价杂质原子,因在硅晶体中接受电子,故称受主杂质 。 受主杂质都变成了负离子,它们被固定在晶格中不能移动,也不参与导电,如图 7- 5 所示 。 此外,在 P型半导体中由于热运动还产生少量的电子 -空穴对 。 总之,在 P型半导体中,不但有数量很多的空穴,而且还有少量的自由电子存在,空穴是多数载流子,电子是少数载流子 。
图 7 -5 P型半导体平面模型
P 型硼离子电子—空穴对由硼提供的空穴
2,N
在本征半导体中掺入五价元素杂质,如磷,锑,砷等 。
掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置,它同相邻的 4个硅原子组成共价键时,多出了一个电子,这个电子不受共价键的束缚,因此在常温下有足够的能量使它成为自由电子,如图 7
6 所示 。 这样,掺入杂质的硅半导体就具有相当数量的自由电子,且自由电子的浓度远大于空穴的浓度 。 显然,这种掺杂半导体主要靠电子导电,称为 N型半导体 。
由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质 。 每个施主原子给出一个自由电子后都带上一个正电荷,
因此杂质原子都变成正离子,它们被固定在晶格中不能移动,
也不参与导电,如图 7-7 所示 。
图 7- 6 N型半导体的共价键结构
＋ 4
施主原子提供的多余的电子
＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 5 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
施主正离子图 7 -7 N 型半导体平面模型
P 型硼离子电子—空穴对由硼提供的空穴此外,在 N型半导体中热运动也会产生少量的电子 -空穴对 。 总之,在 N型半导体中,不但有数量很多的自由电子,
而且也有少量的空穴存在,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子 。
必须指出,虽然 N型半导体中有大量带负电的自由电子,
P型半导体中有大量带正电的空穴,但是由于带有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用,无论 N型半导体还是 P型半导体,
对外表现都是电中性的 。
7.2 PN结及其特性单纯的 P型或 N型半导体仅仅是导电能力增强了,但还不具备半导体器件所要求的各种特性 。
如果通过一定的生产工艺把一块 P半导体和一块 N型半导体结合在一起,则它们的交界处就会形成 PN结,这是构成各种半导体器件的基础 。
一,PN 结的形成当 P型半导体和 N型半导体通过一定的工艺结合在一起时,
由于 P型半导体的空穴浓度高,电子浓度低,而 N型半导体的自由电子浓度高,空穴浓度低,所以交界面附近两侧的载流子形成了浓度差 。 浓度差将引起载流子的扩散运动,如图 7- 8（ a）
所示 。
图 7- 8 PN结的形成
P 区载流子的扩散运动
N 区空穴 电子
( a )
内电场方向空间电荷区空穴扩散运动方向
( b )
P 区 N 区有一些电子要从 N区向 P区扩散,并与 P区的空穴复合；
也有一些空穴要从 P区向 N区扩散,并与 N区的电子复合 。 由于电子和空穴都是带电的,因此扩散的结果就使 P型半导体和
N型半导体原来保持的电中性被破坏 。 P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子； N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子 。 半导体中的离子虽然也带电,但由于物质结构的关系,它们不能任意移动,因此并不参与导电 。 这些不能移
P区和 N 区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是 PN结 。 PN结具有阻碍载流子扩散的特性,因此又称为阻挡层 。 PN结的空间电荷区内的载流子浓度已减小到耗尽程度,因此又称为耗尽层 。
空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场,如图 7 -8
（ b） 所示 。 内电场的这种方向,将对载流子的运动带来两种影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在电场力的作用下使 P区和 N区的少子产生与扩散方向相反的漂移运动 。
PN结形成的最初阶段,载流子的扩散运动占优势,随着空间电荷区的建立,内电场逐渐增强,载流子的漂移运动也在加强,最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡 。
二,PN
如果在 PN结上加正向电压 （ 也称正向偏置 ）,即 P区接电源正极,N区接电源负极,如图 7 -9(a)所示,这时电源产生的外电场与 PN结的内电场方向相反,内电场被削弱,使阻挡层变薄,多子的扩散运动大于漂移运动,形成较大的扩散电流,即正向电流 。 这时 PN结的正向电阻很低,处于正向导通状态 。 正向导通时,外部电源不断向半导体供给电荷,
使电流得以维持 。
如果给 PN结加反向电压 （ 也称反向偏置 ）,即 N区接电源正极,P区接电源负极,如图 7 -9(b)所示,这时外电场与内电场方向一致,增强了内电场,使阻挡层变厚 。
图 7- 9 PN 结的单向导电性空间电荷区变窄
P N
内电场外电场
＋ －
( a ) ( b )
I
F
U
空间电荷区加宽
P N
内电场外电场
＋－
U
S S
这就削弱了多子的扩散运动,增强了少子的漂移运动,
从而形成微小的漂移电流,即反向电流 。 这时 PN结呈现的电阻很高,处于反向截止状态 。 反向电流由少子漂移运动形成,
少子的数量随温度升高而增多,所以温度对反向电流的影响很大,这正是半导体器件温度特性差的原因 。 在一定温度下,
反向电流不仅很小,而且基本上不随外加反向电压变化,故称其为反向饱和电流 。
由此可见,PN结在正向电压作用下,电阻很小,PN结导通,
电流可顺利流过；而在反向电压作用下,电阻很大,PN结截止,阻止电流通过 。 这种现象称作 PN结的单向导电性 。
7.3 半导体二极管
7.3.1 二极管的结构半导体二极管是由一个 PN结加上引出线和管壳构成的 P型半导体一侧的引出线称为阳极或正极,N型半导体一侧的引出线称为阴极或负极 。
二极管按结构可分为点接触型和面接触型两种 。 点接触型二极管的构成如图 7 -10(a)所示 。 它的特点是 PN结的面积非常小,因此不能通过较大电流；但结面积小,结电容也小,
高频性能好,故适用于高频和小功率情况,一般用于检波或脉冲电路,也可用来作小电流整流 。
图 7- 10半导体二极管结构和符号
( a ) ( b ) ( c )
触丝引线
N 型锗片外壳 铝合金小球
N 型硅阳极引线
PN 结金锑合金底座阴极引线面接触的二极管的结构如图 7- 10(b)所示,它的主要特点是 PN结的结面积很大,因而能通过较大的电流；但结电容也大,只能在较低的频率下使用,一般用作整流 。
二极管的符号如图 7 -10(c)所示 。
二,二极管的伏安特性二极管的伏安特性是表征二极管电压和电流关系的曲线 。
测量晶体二极管伏安特性的电路如图 7- 11 所示 。 改变 RP的大小,可以测出不同电压值时所对应的二极管中的电流 。 把所得的数据画在直角坐标系中,就得到二极管的伏安特性曲线,
如图 7 -12 所示 。
图 7 –11 二极管伏安特性测试电路
＋ －
m A
V
R P
R
( a )
＋－
m A
V
R P
R
( b )
E E
图 7- 12 二极管的伏安特性
U / V
I / mA
A
B
正向特性死区电压
I /
A
U
BR
C
D
反向特性击穿
O
1.
1） 起始段 (OA)
当二极管为正向接法时,正向电压由 0开始增大,由于外加电压较小,外电场还不足以克服 PN结的内电场对载流子扩散运动的阻力,所以二极管呈现很大的正向电阻,正向电流很小,几乎等于 0。 当正向电压超过一定数值后,内电场大为削弱,电流迅速增长 。 这个一定数值的正向电压称为死区电压,其大小与管子的材料及环境温度有关 。 一般硅管的死区电压为 0.5 V,锗管约为 0.2 V。
2） 导通段 (AB)
如图 7- 12 所示,在特性曲线 B点以后,二极管在电路中相当于一个开关的导通状态 。 在正常使用条件下,二极管的正向电流在相当大的范围内变化,而二极管两端电压的变化却不大 。 小功率管的导通压降约为 0.6~0.7V,锗管约为
0.2~0.3V。
2.
当二极管两端加反向电压时,反向电流很小,近乎于截止状态,且基本上不随外加电压而变化,如图 7- 12的 OC段所示 。 对二极管来说,反向电流越小,表明反向特性越好,
反向电流越大,表明反向特性越差 。 一般硅管的反向电流要比锗管小得多 。
3,反向击穿特性当反向电压增加到一定数值时 （ 如图 7- 12 所示的反向电压由 C继续增大到 D点时 ）,电流突然剧增,这种现象称为反向击穿 。 发生击穿所需的反向电压称为反向击穿电压 。 之所以产生击穿,是因为加在 PN结中很强的外电场可以把价电子直接从共价键中拉出来成为载流子,这叫做齐纳击穿 。 此外,强电场使 PN结中的少数载流子获得足够的动能,去撞击其它原子,把更多的价电子从共价键中拉出来,这些撞击出来的载流子,又去撞击更多的原子,如同雪崩一样,这叫做雪崩击穿 。 上述两种击穿效应能产生大量的电子 -空穴对,从而使反向电流剧增 。
无论是齐纳击穿还是雪崩击穿,如果去掉反向电压,二极管仍能恢复工作,这就属于电击穿 。
如果去掉反向电压,二极管不能恢复工作,说明发生了热击穿,二极管已损坏 。 热击穿是应该避免的 。
一般二极管正常工作时,是不允许反向击穿的 。 而有一些特殊的二极管,如后面要学到的稳压管却常常工作在反向击穿状态 。
温度对二极管的特性影响较大 。 当温度升高时,正反向电流都随着增大,特别是反向电流急剧增大；而反向击穿电压则要下降,二极管的导通压降则要降低 。
三,二极管的主要参数晶体二极管的参数规定了二极管的适用范围,它是合理选用二极管的依据 。 晶体二极管的主要参数有最大整流电流,高反向工作电压,反向电流 。
1,最大整流电流 IFM
IFM是指长期工作时,二极管能允许通过的最大正向平均电流值 。 在选用二极管时,工作电流不能超过它的最大整流电流 。
2,高反向工作电压 URM
URM是指二极管工作时所能承受的反向电压峰值,也就是通常所说的耐压值 。 为了防止二极管因反向击穿而损坏,通常标定的最高反向工作电压要比反向击穿电压低一些 。 在选用二极管时,加在二极管两端的反向电压峰值不允许超过这一数值,以保证二极管能正常工作,不致于反向击穿而损坏 。
3,反向电流 IR
IR是指二极管未击穿时的反向电流值 。 此值越小,二极管的单向导电性越好 。 由于温度增加,反向电流会急剧增加,
所以在使用二极管时要注意温度的影响 。
现简单介绍一下限幅电路 。
限幅器又称削波器,主要是限制输出电压的幅度 。 为讨论方便起见,假设二极管 V为理想二极管,即正偏导通时,
忽略 V的正向压降,近似认为 V短路；反偏截止时,近似认为
V开路 。
例 7.1 电路如图 7 -13(a)所示,输入电压 ui的波形如图 7
13(b)所示 。 画出输出电压 uo的波形 。
解 当 ui＞ +5 V时,uo＝ +5 V (V正偏短路 )；
ui≤+5V时,uo＝ ui (V反偏开路 )。
故可画出输出电压 uo的波形,如图 7-13(b)所示 。
图 7 -13例 7.1
(a) 电路； (b) 波形
R
V
＋ 5 V
＋
u
i
u
o
＋ 10
u
i
/ V
－ 10
t
u
o
/ V
0
＋ 5
－ 10
0 t
( b )( a )
7.4 特 殊 二 极 管二极管的类型较多,除前面讨论的普通二极管外,还有若干种特殊二极管,如稳压二极管,光电二极管,发光二极管等 。
7.4.1稳压二极管
1,结构原理稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管,这种管子的掺杂重,击穿电压值低,正向特性和普通二极管一样 。 当反向电压加到某一定值时,反向电流剧增,
产生反向击穿,反向击穿特性很陡峭 。 击穿时通过管子的电流在很大范围内变化,而管子两端的电压却如图 7- 14(b)所示几乎不变,稳压二极管就是利用这一特性来实现稳压的 。
图 7 -14
(a) 符号； (b) 伏安特性曲线
U / V
I / m A
O
U
z
( a )
V
I
Z m i n
I
Z
( b )
阴极( 接电源正极)
阴极( 接电源负极)
I
Z m a x
A
B
U
z
I
z
可见,稳压管就是工作在反向击穿状态下的硅二极管 。 因此,在使用时,稳压管必须反向偏置 （ 利用正向稳压的除外 ） 。
另外,稳压管可以串联使用,一般不能并联使用,因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏 。 稳压管的符号如图 7 14(a)所示 。
2,主要参数
1) 稳定电压 UZ
UZ就是稳压管的反向击穿电压 。 相当于图 7 -14 中特性曲线 AB段间的 IZ对应的电压值,由于晶体管参数的分散性,即使同一型号的管子,UZ的值也有不同 。 例如,2CW75管的 UZ
值为 10~11.8V,是指该管的稳定电压是 10~11.8V范围内的某一数值,而不是指一个具体的 2CW75管的稳定电压在 10~11.8V之间变化 。
2) 稳压电流 IZ
IZ是指稳压管维持稳定电压的工作电流 。 手册中规定有最小测试电流 IZmin(IZ1)和正常测试电流 IZ(IZ2)两项,通常应用取 IZ值作为标称值 。
3) 最大稳定电流 IZ max
最大电流是稳压二极管允许通过的最大反向电流 。
稳压管工作时的电流应小于这个电流,若超过这个值,
管子会因电流过大造成管子过热而损坏；正常工作时,IZmin
＜ I＜ IZ max。
4) 最大耗散功率 PZ max
PZ max是指稳压管不致因过热而损坏的最大耗散功率 。
PZ max＝ UZIZ max
5) 动态电阻 rZ
rZ是反映稳压管稳压性能好坏的一个参数 。 它等于稳压管两端电压的变化量和对应的电流变化量之比,即
rZ=
动态电阻越小,说明曲线越陡,稳压管的稳压性能越好。
Z
z
I?
u
二,光电二极管光电二极管又称为光敏二极管 。 它的结构与普通二极管类似,但在它的 PN结处,能通过管壳上的一个玻璃窗口接收外部的光照 。 如图 7 15所示,它的 PN结工作在反向偏置状态其反向电流随光照强度增加而上升 。 通过回路电阻 RL可获得电信号,从而实现光电转换或光电控制 。 光电二极管的应用很广泛,主要用于需要光电转换的自动探测,控制装置,在光导纤维通讯与系统中还可以作为接收器件等 。 其外形及符号如图 7-16(a),(b)所示 。
图 7 -15光电二极管结构
N P
U
R
L
＋ －
I
R
光图 7-16 光电二极管的外形及符号
( b )( a )
三,发光二极管发光二极管简称 LED，是一种固态 PN器件，常用砷化镓、
磷化镓等制成，其结构、外形和符号如图 7 -17(a),(b),(c)
所示。
我们知道半导体在外界能量（光、热）的激发下会产生电子 -空穴对。相反，若自由电子和空穴相遇，两者复合时会释放出能量。发光二极管工作时,PN结正向偏置。正向偏置的 PN结,N区的电子越过 PN结进入 P区和 P区的空穴复合,P
区的空穴越过 PN结进入 N区，也会和 N区的电子复合。发光二极管是用特殊的半导体材料 (如砷化镓等 )制成的,当载流子复合时，释放出的能量是一种光谱辐射能。砷化镓半导体辐射红光；磷化镓半导体辐射绿光或黄光等。
图 7 –17 发光二极管的外形及符号
( a ) ( b ) ( c )
N P
U
R
L
＋ －
I
F
光发射发光二极管常用来作为显示器件,除单个使用外,也常做成七段式或矩阵式器件,工作电流一般为几毫安至几十毫安之间 。 发光二极管的另一种重要用途是将电信号变为光信号,通过光缆线输入,然后再用光电二极管接收,
再现电信号 。
7.5 整 流 电 路整流就是把大小,方向都随时间变化的交流电变换成直流电 。 完成这一任务的电路称为整流电路 。 常见的整流电路有单相半波,全波,桥式和倍压整流电路 。 单相桥式整流电路用得最为普遍 。 本节主要介绍单相桥式整流电路 。
一,工作原理单相桥式整流电路如图 7 -18(a)所示,图中 TC为电源变压器,它的作用是将交流电压 ui变成整流电路要求的交流电压 u2=2U2sinωt,RL是要求直流供电的负载电阻,4只整流二极管 V1～ V4接成电桥的形式,故称为桥式整流电路 。
一,工作原理单相桥式整流电路如图 7 -18(a)所示,图中 TC为电源变压器,它的作用是将交流电压 ui变成整流电路要求的交流电压 u2= U2sinωt,RL是要求直流供电的负载电阻,4 只整流二极管 V1～ V4 接成电桥的形式,故称为桥式整流电路 。
图 7 -18(b)是它的另一种画法 。 图 7 18(c)是它的简化画法 。
在 u2的正半周 （ 0≤ωt＜ π）,由于 A端为正,B端为负,所以二极管 V1和 V2受到正向电压作用而导通,电流由次级绕组的
A端,依次通过 V1,RL,V2而回到绕组 B端,构成导电回路 。
二极管 V3和 V4因承受反向电压而截止,如图 7- 18(a)的实线所示 。
2
图 7- 18 桥式整流电路
( a )
u
i
( b )
u
i
( c )
u
o
R
L
V
1
V
3
V
4
V
2
u
i
A
B
TC
i
o
＋
－
u
2
＋
－
TC
u
o
A
B
V
4
V
1
V
3
V
2
u
2
＋
－
R
L
U
o
R
L
u
2
＋
－
在 u2的负半周 （ π≤ωt＜ 2π）,变压器的 A端为负,B端为正,所以 V3和 V4受到正向电压作用而导通,电流由次级绕组的 B端,依次通过 V3,RL,V4而回到绕组 A端,构成导电回路 。
二极管 V1和 V2因承受反向电压而截止,如图 7 –18(a)的虚线所示 。
在以后各个半周期内,将重复上述过程,4 只二极管中两个两个地轮流导电,轮流截止 。 因此在整个周期,负载电阻
RL上均有电流流过,而且始终是一个方向,即都是从负载的上端流向下端 。 负载 RL上电压,电流的波形如图 7- 19 所示 。
变压器次级绕组在整个周期的正,负两个半周内都有电流通过,提高了变压器的利用率 。
图 7- 19电压,电流波形图
u
2
0
t
t
0
i
L
i
V1
i
V3
i
V2
i
V4
i
V1
i
V3
i
V2
i
V4
u
L
0
tV
3
V
1
V
4
V
2
V
4
V
2
V
3
V
1
二,负载上的直流电压 UL和直流电流 IL的计算整流后的电压,电流波形如图 7 -19 所示 。 从图中可以看出,变压器副边电压 u2按正弦规律变化 。 经过整流后,负载电阻上电流的方向不变,但其大小仍作周期性变化,故称为脉动直流电压 。 脉动直流电压,电流一般用平均值来表示,
即一个周期内脉动电压的平均值 。 当变压器副边电压
u2= U2sinωt V2
时,电压平均值
Vwtw t dUU L )(s in21 20
负载上的电压平均值
(7 -2)
电流平均值
22 9.0
22 UUU
L
L
L R
UI 29.0?
(7 -3)
四,整流元件参数的计算
1,二极管的平均电流在桥式整流电路中,二极管 V1,V2和 V3,V4是两两轮流导通的,
(7- 4)
L
LV R
UII 245.0
2
1
2.
二极管在截止时管子两端的最大反向电压可以从图 7- 19
（ a） 看出 。 在 u2的正半周,V1,V2导通,V3,V4截止 。 此时 V3,V4 所承受到的最大反向电压均为 u2的最大值,
22 UU VM?
(7- 5)
同理，在 u2的负半周,V1,V2也承受同样大小的反向电。
四,整流二极管的选择应按以下原则选择二极管：
(1) 二极管的最大整流电流应大于二极管的工作电流,即
IFM≥IV= IL
(2) 二极管的最高反向工作电压 URM应大于二极管承受的最大反向电压 UVM，
URM≥UVM= U2
2
1
2
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正,负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,
因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用 。
该电路的缺点是二极管用得较多,但目前市场上已有整流桥堆出售,如 QL51A G,QL62A L等,其中 QL62A - L的额定电流为 2 A,最大反向电压为 25～ 1000 V 。
例 7.2一单相桥式整流电路接到 220V正弦工频交流电源上,负载电阻 RL＝ 50Ω,负载电压平均值 ＝ 100V 。
（ 1） 根据电路要求选择整流二极管 。
（ 2） 计算整流变压器的变比及容量。
U
解 整流电流的平均值为流过每个二极管的平均电流值为变压器副边电压有效值为
ARUI
L
250100
AII V 1222
VUU 1 1 19.01 0 09.02
VVU 1221.11112
考虑到变压器副绕组及二极管上的压降,变压器副边电压一般应高出 5％ ～ 10％,即每只二极管截止时承受的最高反向电压为
VVUU VM 1 7 221 2 22 2
为使整流电路工作安全,在选择二极管时,二极管的最大整流电流 IFM应大于二极管中流过的电流平均值 IF,二极管的最高反向工作电压峰值 URM应比二极管在电路中承受的最大反向电压 UVM高出一倍左右 。
因此可以选用场 2CZ12D二极管,其最大整流电流为
3A,反向工作电压峰值为 300V。
变压器的变比为变压器副绕组电流有效值为
I2＝ 1.11× ＝ 1.11× 2 ＝ 2.22 A
变压器的容量为
S＝ U2× I2 ＝ 122× 2.22 ＝ 270.84V·A
I
8.1122220
2
1
U
UK
7.6 滤波电路为了减小整流后电压的脉动,常采用滤波电路把交流分量滤去,使负载两端得到脉动较小的直流电 。
滤波电路一般由电容,电感,电阻等元件组成 。 滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗,电感 L对直流阻抗为零
（ 线圈电阻忽略不计 ）,对于交流却呈现较大的阻抗 （ XL＝
ωL） 。 若把电感 L与负载 RL串联,则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载,交流分量却大部分降落在电感上 。 负载上的交流分量很小,因此负载上的电压接近于直流 。
电容器 C对于直流相当于开路,对于交流却呈现较小的阻抗 （ XC＝ 1/ωC） 。 若将电容 C与负载电阻并联,则整流后的整流分量全部流过负载,而交流分量则被电容器旁路,因此在负载上只有直流电压,其波形平滑 。
常用的滤波电路有电容滤波,电感滤波,复式滤波等 。
一,电容滤波电路图 7 20 为单相桥式整流,电容滤波电路 。 在分析电容滤波电路时,要特别注意电容器两端电压 UC对整流组件导电的影响,整流组件只有受正向电压作用时才导通,否则便截止 。
图 7 –20 电容滤波电路
U
O
R
L
u
1 ＋
－
C
＋
u
2
1.
(1) 负载 RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零,接入交流电源后,当 u2为正半周时,u2通过 V1,V2向电容器 C充电； u2为负半周时,经 V3,V4向电容器 C充电,充电
τC=RnC
其中,Rn包括变压器副绕组的电阻和二极管 V的正向电阻 。
由于 Rint一般很小,电容器很快就充电到交流电压 u2的最大值
U2,极性如图 7 -20 所示 。 由于电容器无放电回路,故输出电压 （ 即电容器 C两端的电压 UC） 保持在 U2,输出为一个恒定的直流,如图 7 -21 中 ωt＜ 0（ 即纵坐标左边 ） 部分所示 。
2
2
图 7- 21电容滤波电路电流,电压波形图
R
L
未接入 R
L
接入后
u
2
,u
L
,u
C
u
C
＝ 2 U
2
u
2
＝ 2 U
2
s i n t
C 放电 C 充电
u
C
＝ u
L
O
V
1
V
3
导通
V
2
V
4
导通
V
1
V
3
导通
V
2
V
4
导通
2? 3? 4?
i
L
i
V
O
i
V
i
L ＝
u
L
R
L
(2) 接入负载 RL的情况：设变压器副边电压 u2从 0开始上升 （ 即正半周开始 ） 时接入负载 RL,由于电容器中负载未接入前充了电,故刚接入负载时 u2＜ uC,二极管受反向电压作用而截止,电容器 C经 RL放电 。
电容器放电过程的快慢,取决于 RL与 C的乘积,即电路时间常数 τd。 τd越大,放电过程越慢,输出电压越平稳 。 一
RLC＞ (3~5) (7- 6)
其中,T为电源交流电压周期 。
2
T
2,电容滤波电路特性
(1) 在电容滤波电路中,整流二极管的导电时间缩短了,
导电角小于 180°,且放电时间常数愈大,导电角愈小 。 由于电容滤波后,输出直流的平均值提高了,而导电角却减小,
故整流二极管在短暂的导电时间内,将流过一个很大的冲击电流,易损坏整流管,所以选择整流二极管时,管子的最大整流电流应留有充分的裕量 。
(2)负载直流电压随负载电流增加而减小 。 UL随 IL的变化关系称为输出特性或外特性,如图 7- 22 所示 。
C值一定,当 RL＝ ∞,即空载时,输出电压平均值为图 7- 22 桥式整流电容滤波电路的外特性
U
L
2 U
2
0,9 U
2
O
C 型滤波纯电阻负载
I
L
22 4.12 UUU L
在整流电路的内阻不太大 （ 几欧姆 ） 和放电时间常数满足式 (7- 6)的关系时,电容滤波电路负载电压平均值 L与 U2的关系为
2)2.11.1( UU L
总之,电容滤波电路简单,负载直流电压 UL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,故适用于负载电压较高,负载变动不大的场合 。
二,电感滤波电路在桥式整流电路和负载电阻 RL之间串入一个电感 L,如图 7 -23 所示,就组成了一个电感滤波电路 。 利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波,从而得到比较平滑的直流 。
当忽略电感 L的电阻时,负载上输出的电压平均值和纯电阻
（ 不加电感 ） 负载基本相同,即 ≈0.9U2。
电感滤波的特点是,整流管的导电角较大 （ 电感 L的反电势使整流管导电角增大 ）,峰值电流很小,输出特性比较平坦 。 其缺点是体积大,易引起电磁干扰 。 因此,电感滤波一般只适用于低电压,大电流场合 。
LU
图 7 –23 桥式整流电感滤波电路
R
L
u
1
u
2
＋
－
U
L
L
此外,为了进一步减小负载电压中的纹波,在电感 L后再接一电容构成 Γ型滤波电路或 Π型 RC滤波电路,如图 7- 24所示 。 其性能和应用场合分别与电感滤波电路及电容滤波电路相似 。
例 7.3一个桥式整流电容滤波电路如图 7 25 所示 。 电源由 220 V,50Hz的交流电压经变压器降压供电,要求输出直流电压为 30V,电流为 500mA,试选择整流二极管的型号和滤波电容规格 。
解 (1) 选择整流二极管 。
通过每只二极管的平均电流为图 7 –24
＋
L
C
( a )
＋
C
2
( b )
＋
C
1
R
图 7- 25 例 7.3 电路
U
o
R
L
u
i
u
2 ＋
－
＋
－
C
＋
mAII LV 2505002121
有负载时的直流输出电压为
1.2U2
LU
故变压器次级电压有效值为
VUU L 252.1302.12
每只二极管承受的最大反向电压为
VUU RM 352522 2
URM= U2= × 25≈35V
根据 IV和 URM选择二极管,查手册或本书附录 Ⅳ,选取
2CZ54B二极管 4只,其最大整流电流 IFM＝ 0.5A,最高反向工作电压 URM＝ 50V 。
(2) 选择滤波电容器取标称值 1000μF；电容器耐压为 （ 1.5～ 2） U2= (1.5～
2)× 25=37.5～ 50V。 最后确定选 1000μF／ 50V的电解电容器 1
只 。
2 2
FFRTC
L
830108305.0/302 02.0525 6
例 7.4 在图 7 -26 所示桥式整流电容滤波电路中,U2＝ 20
（ 有效值 ）,RL＝ 40 Ω,C＝ 1000μF。
(1) 正常时？
(2) 如果测得,可能出了什么故障?
① ＝ 18V； ② ＝ 28V,③ ＝ 9 V。
解,（ 1） 正常时,
＝ 1.2U2＝ 1.2× 20 V＝ 24 V
(2) 为下列数值时：
LU
LU
LU LU LU
LU
LU
LU
图 7- 26 例 7.4 电路
R
L
u
2
＋
－
U
L
＋
C
① 当 18V时,UL＝ 0.9U2,成为桥式整流不加电容滤波的情况,故可判定电容 C开路 。
② 当 ＝ 28V时,UL＝ 1.4U2,属于 RL＝ ∞时的情况,
故可判定是负载电阻开路 。
③ 当 9V时,UL＝ 0.45U2,成为半波整流不加电容滤波的情况,故可判定是 4只二极管中有 1只开路,同时电容器 C也开路 。
LU
LU
LU
7.7 硅稳压管稳压电路交流电经整流滤波可得平滑的直流电压,但由于电网电压波动和负载变化时输出电压也随之而变,因此,需要一种稳压电路,使输出电压在电网波动或负载变化时基本稳定在某一数值 。
一,稳压二极管稳压电路的工作原理稳压管稳压电路如图 7 -27（ a） 所示,由稳压管 V和限流电阻 R组成,稳压管在电路中应为反向连接,它与负载电阻 RL
并联后,再与限流电阻串联,属于并联型稳压电路 。 下面简单分析电路的工作原理 。
图 7 27稳压管稳压电路
(a) 电路 ; （ b） 伏安特性
U
I
O
U
( b )
R
＋
－
U
i
( a )
I
R
V
I
Z
R
L
I
L
U
o
I
1,负载电阻 RL不变当负载电阻不变,电网电压上升时,将使 Ui增加,Uo随之增加,由稳压管的伏安特性可知,稳压管的电流 IZ就会显著增加,结果使流过电阻 R的电压增大,从而使增大了的负载电压 Uo的数值有所减小,即
Uo=Ui-UR。
如果电阻 R的阻值选择适当,最终可使 Uo基本上保持不变 。
上述稳压过程可表示如下：
Ui→Uo↑→IZ↑→IR↑→
Uo↓←UR↑←
同理,如果交流电源电压降低使 Uo减小时,电压 Ui也减小,因此稳压管的电流 IZ显著减小,结果使通过限流电阻
R的电流 IR减小,IR的减小使 R上的压降减小,结果使负载电压 UL数值有所增加而近似不变 。
2.
假设电网电压保持不变,负载电阻 RL减小,IL增大时,
由于电流在 R上的压降升高,输出电压 Uo将下降 。 由于稳压管并联在输出端,由伏安特性可看出,当稳压管两端的电压有所下降时,电流 IL将急剧减小,而 IR＝ IL＋ IZ,所以 IR基本维持不变,R上的电压也就维持不变,从而得到输出基本维持不变 。 上述稳压过程表示如下：
RL↓→IL↑→IR↑→Uo↓→IZ↓→IR↓=(IL+IZ)→
Uo↑←
当负载电阻增大时,稳压过程相反,读者可自行分析 。
由以上分析可知,稳压二极管稳压电路是由稳压管的电流调节作用和限流电阻 R的电压调节作用互相配合实现稳压的 。
值得注意的是,限流电阻 R除了起电压调节作用外,还起限流作用 。 如果稳压管不经限流电阻 R而直接并在滤波电路的输出端上,它不仅没有起到稳压作用,还可能使稳压管中电流过大而损坏管子,所以稳压二极管稳压电路中必须串接限流电阻 。
硅稳压管稳压电路限流电阻和稳压管的选择
(1) 稳压电路中的稳定电压应按负载电压选取,即 UZ=Uo。
如果一个管子的稳压值不够,可以用两个或多个稳压管串联 。
稳压管的最大稳定电流 IZmax大致上应该比最大负载电流 ILmax
大两倍以上,即 IZmax≥2ILmax。
(2) 限流电阻 R的大小应该满足两个条件 （ 两种极端情况 ） 。 首先,当直流输入电压最低 （ UImin） 而负载电流最大时,流过稳压管的电流应该大于稳压管的稳定电流 IZ,即
ZL
in II
R
UU
m a x
0Im
由上式得出
m a x
0Im
LZ
in
II
UUR
同时,当直流输入电压最高 （ UI max） 而负载电流最小时,流过稳压管的电流不应该超过稳压管的最大稳定电流 IZ
max,即
m i nm a x
0Im
LZ
ax
II
UUR
即
m a x
0Im
m i nm a x
0Im
LZ
in
LZ
ax
II
UUR
II
UU
