电工学讲义7-二极管稳压管及整流滤波稳压电路

下篇电子技术二极管及整流电路三极管及放大电路晶闸管及其应用集成运算放大器半导体二极管及整流电路导电能力介于导体和绝缘体之间。硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物均为半导体。纯净半导体导电能力不强，加入杂质后，导电能力增强。利用该特性，制成半导体二极管、三极管、晶闸管等。半导体半导体N型半导体P型半导体通过一定的工艺，使半导体一部分是P型，一部分N型，则中间交接面形成PN结。PN结PNPN结PN结的单向导电性实验PN+RIPN+RI0PN结正向偏置时，导通电流大，电阻小，称导通PN结反向偏置时，导通电流小，电阻大，称截止二极管由PN结加上引出线和壳体构成，P极引出线称正极，N极引出线称负极。符号为：+–用万用表判别二极管的正负极–+黑红0黑红0+–半导体二极管基本结构(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。二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线指流过二极管的电流与二极管两端的电压之间的关系。不同二极管的伏安特性曲线有差别，但形状相似：U（V）0.40.8AImAI-50-25-2080604020-40-60特点：非线性当二极管正向偏置：死区:硅管约0.5V，锗管约0.1V，正向电流非常小,这一电压称死区电压导通：当正向电压低于某一值，超过死区电压后,电流在很大范围内变化，而电压变化很小。硅管约0.60.7V，锗管约0.20.3V死区电压U（V）0.50.7AImAI-50-25-2080604020-40-60当二极管反向偏置关断：当二极管反向偏置,反向电流很小,锗管约几十A,小功率硅管小于1A击穿：当反向电压加大到某一值，反向电流突然急剧增大，二极管击穿烧坏。U(V)0.40.8AImAI-50-25-2080604020-40-60反向击穿电压U(BR)伏安特性死区电压反向击穿电压U(BR)U（V）0.40.8AImAI-50-25-2080604020-40-60可见开关断开关闭0导通死区关断击穿U–U正向压降为0反向电阻无穷大理想二极管二极管的命名规则：2CP10如何选用二极管二极管的主要技术参数：1）最大整流电流ICM：二极管长期使用时,允许通过的最大正向平均电流。2）反向工作峰值电压URWM：保证二极管不击穿而给出的反向电压峰值，一般为击穿电压的1/2。2：二极管C：N型硅材料,A:P型锗材料P：普通型，K:开关管，Z：整流管,W：稳压管10：序号电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V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。D6V12V3kBAUAB+–ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例2：uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––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。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V例3:D1承受反向电压为－6V流过D2的电流为mA43122DI求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–二极管的用途整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。二极管整流电路将交流电变为脉动的直流电的过程，称整流利用二极管的单向导电性可实现整流0tu变压ut0整流分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。元器件：u2为正弦交流电源，D为二极管R为负载电阻Tr为变压器图中电流、电压正方向为正弦交流电正半周的方向u0u2+Tr-DRL+-i0单相半波整流电路u11.电路结构tuDO2.工作原理u正半周，VaVb，二极管D导通；3.工作波形–++–aTrDuoubRLioutOuoOtU2U2U2u负半周，VaVb，二极管D截止。+–只有在交流的正半周，才有电流流过负载通过半波整流，负载上得到大小变化的单极性电压，称脉动电压，常用一个周期内脉动电压的平均值来描述脉动电压的大小4负载上电压电流的计算22245022210UUttdUUo.sin1.半波整流电压的平均值为：2.半波整流电流的平均值为：LLooRURUI2450.t0uU2T5整流二极管的选择二极管最大整流电流IOM：反向工作峰值电压URWM:(流过二极管的电流与负载电流相等)(二极管承受的最高反向电压=二极管截止时端电压最大值)u2+Tr-DRL+-u0i0DOMRIIIUU2DRM单相桥式全波整流电路iD1=iD3=iRuD1=uD3=0uO=u2uD2=uD4=-u2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2D1,D3导通在u的正半周：aD1RLD3buD2=uD4=0uO=u2uD1=uD3=-u2iD2=iD4=iRaD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2在u的负半周:bD2RLD4aaD4D2D1D3RLu0u2+-i1bi2u0aD4D2D1D3RL+-i1bi2u2u0t0i1uouo,ioi2i1i2t2342342.波形图无论u正/负半周，负载上均有方向相同的电流通过，称:全波整流3.负载上电压电流的计算全波整流时，负载上的电压是半波时的两倍u0t0i1uouo,ioi2i1i2t2342341.全波整流电压的平均值为：22904502UUUo..2.全波整流电流的平均值为：LLooRURUI290.4.整流二极管的选择二极管最大整流电流：反向工作峰值电压：二极管承受的最高反向电压=二极管截止时端电压最大值由于D1~D4轮流导通，流过每个二极管的电流平均值只有负载电流的一半aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2D12OMRIIIUU2DRM5.桥式整流的其它画法RLu0+-u+-举例有一负载需直流电压U0=40V，I0=4A，计算采用半波和全波整流电路时，整流二极管的电流ID和最高反向电压UDRM及电源变压器次级电压U2半波ID=I0=4AU0=0.45U2U2=40/0.45=89VUDRM=2U2=126V选择时，可选其最大整流电流5A，反向工作峰值电压200V全波ID=(1/2)I0=2AU0=0.9U2U2=40/0.9=44VUDRM=2U2=63V选择时，可选其最大整流电流3A，反向工作峰值电压100Vu0u2+Tr-DRL+-i0例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2或D4断开时负载电压的波形。如果D2或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。uouπ2π3π4πttπ2π3π4πoo如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D3滤波电路交流电经整流后成为单向脉动电压，要将其变为较为平滑的直流电，可通过滤波电路来改善其脉动性。ut0滤波ut0整流电容滤波电路(忽略二极管压降)uC（u0）跟随u2变化u2达最大,uC（u0）也达最大D导通u2对C充电u2+-DRL+-u0+Cabu0D导通D截止D导通0t无电容滤波u00D截止D导通t电容滤波当u2处于正半周：电容较慢放电(放电回路时间常数大)u2按正弦规律较快下降当u2由峰值下降：当u2uC，D截止uc继续对R放电直至u2到达另一正半周的u2uC，D重新导通u2+-DRL+-u0+Cabu0D导通D截止D导通0t无电容滤波u00D截止D导通t电容滤波加入滤波后，负载上得到的直流电压的脉动情况改善，输出电压的平均值提高uoU2U2utOtO电路元器件的选择1)滤波电容的选择滤波电容越大，负载电阻R越大，放电时间常数=RC越大，输出电压越平滑，直流电压越高。一般取：半波整流：RLC=(3~5)T全波整流：RLC=(3~5)T/2T为交流电压u2的周期；滤波电容一般取几十uF~几千uF，通常采用电解电容，使用时要注意正负极性，不能接反。a.电容值的选择负载开路，在交流电压正半周，D导通，电容器上电压充至交流电压最大值2U2，由于负载开路，电容器不能放电，随后D截止，导致该电压一直维持。故电容耐压应大于此值.一般取：(1.5~2)U2b.滤波电容耐压值的选择：u2+-DRL+-u0+Cab3）二极管的选择（考虑UDRM）：a.对单相半波带有电容滤波的整流电路，当负载开路时在交流电压的负半周，截止二极管上承受的反向电压为交流电压的最大值2U2与电容器上电压2U2之和，即22U2在交流电压正半周，电容器上电压充至交流电压最大值2U2，由于负载开路，电容器不能放电，该电压一直维持。UDRM22U2IOM=IO2U22U2uDu2DRL+-u0+Cab-+-b.对单相桥式带有电容滤波的整流电路,当负载开路时二极管截止时承受的最高反向电压UDRM=2U2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bUDRM不受电容C影响截止二极管上的最高反向电压UDRM电路无电容滤波有电容滤波单相半波整流单相桥式整流U2U22U2U2小结负载上的直流电压接入滤波电容后，负载直流电压升高，通常取：U0=U2(半波整流滤波)U0=1.2U2(全波整流滤波)举例半波整流电容滤波电路，f=50HZ,要求输出直流电压U0=30V,电流I0=80mA,估计整流二极管及电容滤波器参数。二极管：UDRM=22U0=85VID=80mA电容器：取RLC=5T，则C=5/RLf，又：RL=U0/I0C=266uF电容耐压为(1.5~2)U2，取50V可选用最大整流电流100mA，反向工作峰值电压100V的二极管，电容为250uF，耐压50V的电解电容例：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RL=200，要求直流输出电压Uo=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V352522DRMUU变压器副边电压的有效值A075020030212121LOOD.RUIIuRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管25V1.23021O.UU可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V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RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5T/2已知RL=50S05.025015LCRuRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器F250F102502000.050506LR.C可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器电感滤波电路当流过电感线圈的电流发生变化，电感两端将产生一个反电动势来阻止电流变化，负载电压和电流就比较平滑了。桥式整流电感滤波电路C+-u+-RLLu