电工学讲义7-二极管稳压管及整流滤波稳压电路

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1、下篇电子技术电子技术二极管及整流电路二极管及整流电路三极管及放大电路三极管及放大电路晶闸管及其应用晶闸管及其应用集成运算放大器集成运算放大器导电能力介于导体和绝缘体之间。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。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、增强。利用该特性，制成半导体二极管、三极管、晶闸管等。晶闸管等。半半 导导 体体半导体半导体N型半导体型半导体P型半导体型半导体通过一定的工艺，使半导体一部分是通过一定的工

2、艺，使半导体一部分是P型，型，一部分一部分N型，则中间交接面形成型，则中间交接面形成PN结。结。PN结结PNPN结结PN结的单向导电性结的单向导电性实验实验PN+RIPN+RI 0PN结正向偏置时，导通电流大，电阻小，称结正向偏置时，导通电流大，电阻小，称导通导通PN结反向偏置时，导通电流小，电阻大，称结反向偏置时，导通电流小，电阻大，称截止截止二极管由二极管由PN结加上引出线和壳体构成，结加上引出线和壳体构成，P极引出线称正极，极引出线称正极，N极引出线称负极。符号为：极引出线称负极。符号为：+用万用表判别二极管的正负极用万用表判别二极管的正负极+黑黑红红0 黑黑 红红0+半导体二极管基本结

3、构半导体二极管基本结构二极管的伏安特性曲线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伏安特性曲线指流过二极管的电流与二极管两端的二极管的电流与二极管两端的电压之间的关系。电压之间的关系。不同二极管的伏安特性曲线不同二极管的伏安特性曲线有差别，但形状相似：有差别，但形状相似：U（V）0.40.8 AI mAI-50-25-2080604020-40-60当二极管正向偏置：当二极管正向偏置：死区死区:硅管约硅管约0.5V，锗管约，锗管约0.1V，正向，正向电流非常小电流非常小,这一电压称死区电压这一电压称死区电压导通：导通：当正向电压低于某一值，当正向电压低于某一值，超过死区电压后超过

4、死区电压后,电流在很大范围内变化，而电压电流在很大范围内变化，而电压变化很小。硅管约变化很小。硅管约0.6 0.7V，锗管约锗管约0.2 0.3V死区死区电压电压U（V）0.50.7 AI mAI-50-25-2080604020-40-60当二极管反向偏置当二极管反向偏置关断：关断：当二极管反向偏置当二极管反向偏置,反向反向电流很小电流很小,锗管约几十锗管约几十 A,小功率硅管小于小功率硅管小于1 A击穿：击穿：当反向电压加大到某一值，当反向电压加大到某一值，反向电流突然急剧增大，反向电流突然急剧增大，二极管击穿烧坏。二极管击穿烧坏。U(V)0.40.8 AI mAI-50-25-20806

5、04020-40-60反向击穿电反向击穿电压压U(BR)伏安特性伏安特性死区死区电压电压反向击穿电反向击穿电压压U(BR)U（V）0.40.8 AI mAI-50-25-2080604020-40-60可见可见开关开关断断开关开关闭闭0导通死区关断击穿UU正向压降为正向压降为0反向电阻无穷大反向电阻无穷大理想二极管理想二极管二极管的命名规则：二极管的命名规则：2 C P 10如何选用二极管如何选用二极管二极管的主要技术参数：二极管的主要技术参数：1）最大整流电流最大整流电流ICM：二极管长期使用时二极管长期使用时,允许通过的允许通过的 最大正向平均电流。最大正向平均电流。2）反向工作峰值电压反

6、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，保证二极管不击穿而给出的反向电压峰值，一般为击穿电压的一般为击穿电压的1/2。2：二极管二极管C：N型硅材料型硅材料,A:P型锗材料型锗材料P：普通型，普通型，K:开关管，开关管，Z：整流管：整流管,W：稳压管：稳压管 10：序号序号例例1：D6V12V3k BAUAB+V sin18itu t 例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+整流、检波、限幅、整流、检波、限幅、钳位、开关、钳位、开关、元件保护、元件保护、温度补偿等。温度补偿等。将交流电变为脉动的直流电的过程，称将交流电变为脉动的直流电的过程，称整流

7、整流利用二极管的单向导电性可实现整流利用二极管的单向导电性可实现整流0tu变压变压ut0整流整流 二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。元器件：元器件：u2 为为正弦交流电源，正弦交流电源，D 为二极管为二极管R 为负载电阻为负载电阻Tr 为变压器为变压器图中电流、电压正方向为正弦交流电正半周的方向图中电流、电压正方向为正弦交流电正半周的方向u0u2+Tr-DRL+-i0u1t uDO +aTrDuoubRLiou tOuoOt U2U2U2+只有在交流的正半周，只有在交流的正半周，才有电流流过负载才有电流流过负载通过半波整流，负载上得到大小变

8、化的单极性电压，称脉动电压，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2224502 2210UUttdUUo.sin 1.半波整流电压的半波整流电压的平均值为：平均值为：2.半波整流电流的半波整流电流的平均值为：平均值为：LLooRURUI2450.t 0uU2T二极管最大整流电流二极管最大整流电流 IOM：反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM:(流过二极管的电流与负载电流相等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承受的最高反向电压=二极管截止时端

9、电压最大值二极管截止时端电压最大值)u2+Tr-DRL+-u0i0DOMRIIIUU2DRM iD1=iD3=iRuD1=uD3=0uO=u2uD2=uD4=-u2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2D1,D3导通导通 在在u的正半周：的正半周：aD1RLD3buD2=uD4=0uO=u2uD1=uD3=-u2iD2=iD4=iRaD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1bi2 在在u的负半周的负半周:bD2RLD4aaD4D2D1D3RLu0u2+-i1bi2 u0aD4D2D1D3RL+-i1bi2u2 u0t 0i1uo uo,ioi2i1i2t 2 3 4 2 3 4无论无

10、论u正正/负半周，负载上均有方向相同的电流通过，称负半周，负载上均有方向相同的电流通过，称:全波整流全波整流全波整流时，负载上的电压是半波时的两倍全波整流时，负载上的电压是半波时的两倍u0t 0i1uouo,ioi2i1i2t 2 3 4 2 3 41.1.全波整流电压的平均值为：全波整流电压的平均值为：22904502UUUo.2.2.全波整流电流的平均值为：全波整流电流的平均值为：LLooRURUI290.二极管最大整流电流：二极管最大整流电流：反向工作峰值电压：反向工作峰值电压：二极管承受的最高反向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二极管截止时端电压最大值由于由于D1

11、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+-+-i1bi2D12OMRIIIUU2DRM RLu0+-u+-举例举例有一负载需直流电压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，计算采用半波和全波整流电路时，整流二极管的电流路时，整流二极管的电流ID和最高反向电压和最高反向电压UDRM及电源变压器次级及电源变压器次级电压电压U2半波半波ID=I0=4A U0=0.45U2 U2=40/0.45=89VUDRM=2U2=126V选择时，可选其最大整流电流选择时，可选其最

12、大整流电流5A，反向工作峰值电压，反向工作峰值电压200V全波全波ID=(1/2)I0=2A U0=0.9U2 U2=40/0.9=44VUDRM=2U2=63V选择时，可选其最大整流电流选择时，可选其最大整流电流3A，反向工作峰值电压，反向工作峰值电压100Vu0u2+Tr-DRL+-i0uo+_u+_RLD2D4 D1D3当当D2或或D4断开后断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和和D3导通，负载中导通，负载中有电流有电流过，负载电压过，负载电压uo o=u；负半周时，；负半周时，D1和和D3截止，负载中截止，负载中无电流通无电流通过，负载两端无电

13、压，过，负载两端无电压，uo o =0=0。uo u 234tt234oo则正半周时，二极管则正半周时，二极管D1、D4或或D2、D3导通，电流经导通，电流经D1、D4 或或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或或D2、D3将被烧坏。将被烧坏。则正半周时，情况与则正半周时，情况与D2或或D4接反类似，电源及接反类似，电源及D1或或D3也将因也将因电流过大而烧坏。电流过大而烧坏。uo+_u+_RLD2D4 D1 D3交流电经整流后成为单向脉动电压，要将其变为较为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

14、改善其脉动性。平滑的直流电，可通过滤波电路来改善其脉动性。ut0滤波滤波ut0整流整流(忽略二极管压降忽略二极管压降)uC（u0）跟随跟随u2变化变化 u2达最大达最大,uC（u0）也达最大也达最大D导通导通u2对对C充电充电u2+-DRL+-u0+Cabu0D导通 D截止D导通0t 无电容滤波无电容滤波u00D截止D导通t 电容电容滤波滤波当当u2处于正半周：处于正半周：电容较慢放电电容较慢放电(放电回路时间常数大放电回路时间常数大)u2按按正弦规律较快下降正弦规律较快下降当当u2由峰值下降：由峰值下降：当当u2uC，D重新导通重新导通u2+-DRL+-u0+Cabu0D导通 D截止D导通0

15、t 无电容滤波无电容滤波u00D截止D导通t 电容电容滤波滤波加入滤波后，加入滤波后，负载上得到的直流电压的脉动情况改善，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输出电压的平均值提高uoU2U2u tO tO电路元器件的选择电路元器件的选择1)滤波电容的选择滤波电容的选择滤波电容越大，负载电阻滤波电容越大，负载电阻R越大，放电时间常数越大，放电时间常数=RC越大，越大，输出电压越平滑，直流电压越高。输出电压越平滑，直流电压越高。一般取：一般取：半波整流：半波整流：RLC=(35)T全波整流：全波整流：RLC=(35)T/2T为交流电压为交流电压u2的周期；滤波电容一般取几十的周

16、期；滤波电容一般取几十uF几千几千uF，通常采用通常采用电解电容电解电容，使用时要注意正负极性，不能接反。，使用时要注意正负极性，不能接反。a.电容值的选择电容值的选择负载开路，在交流电压正半周，负载开路，在交流电压正半周，D导通，电容器上电导通，电容器上电压充至交流电压最大值压充至交流电压最大值 2U2，由于负载开路，电容器，由于负载开路，电容器不能放电，随后不能放电，随后D截止，导致该电压一直维持。截止，导致该电压一直维持。故电故电容耐压应大于此值容耐压应大于此值.一般取：一般取：(1.52)U2 b.滤波电容耐压值的选择：滤波电容耐压值的选择：u2+-DRL+-u0+Cab3）二极管的选

17、择（考虑）二极管的选择（考虑UDRM）：）：a.a.对单相半波带有电容滤波的整流电路，当对单相半波带有电容滤波的整流电路，当负载开路负载开路时时v 在交流电压的负半周，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截止二极管上承受的反向电压为交流电压的 最大值最大值 2U2U2 2 与与电容器上电压电容器上电压 2U2U2 2之和，即之和，即2 2 2U2U2 2v在交流电压正半周，在交流电压正半周，电容器上电压充至交流电压最大值电容器上电压充至交流电压最大值 2U2U2 2，由于负载开路，由于负载开路，电容器不能放电，该电压一直维持。电容器不能放电，该电压一直维持。UDRM 2

18、2U2IOM=IO 2U2 2U2uDu2DRL+-u0+Cab -+-b.对单相桥式带有电容滤波的整流电路对单相桥式带有电容滤波的整流电路,当当负载开路负载开路时时二极管截止时承受的最高反向电压二极管截止时承受的最高反向电压UDRM=2U2aD4D2D1D3RLu0u2+-+-i1 bUDRM 不受电容不受电容C影响影响截止二极管上的最高反向电压截止二极管上的最高反向电压UDRM电路电路无电容滤波无电容滤波有电容滤波有电容滤波单相半波整流单相半波整流单相桥式整流单相桥式整流U2U22U2U2小小 结结接入滤波电容后，负载直流电压升高，通常取：接入滤波电容后，负载直流电压升高，通常取：U0=U

19、2 (半波整流滤波半波整流滤波)U0=1.2U2 (全波整流滤波全波整流滤波)举例举例半波整流电容滤波电路，半波整流电容滤波电路，f=50HZ,要求输出直流电压要求输出直流电压U0=30V,电流电流I0=80mA,估计整流二极管及电容滤波器参数。估计整流二极管及电容滤波器参数。二极管：二极管：UDRM=2 2U0=85VID=80mA电容器：电容器：取取 RLC=5T，则，则C=5/RLf，又：又：RL=U0/I0C=266uF电容耐压为电容耐压为(1.52)U2，取，取50V可选用最大整流电流可选用最大整流电流100mA，反向工作峰值电压反向工作峰值电压100V 的二极管，电容为的二极管，电

20、容为250uF，耐压，耐压50V的电解电容的电解电容例：例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率率 f=50Hz，负载电阻，负载电阻 RL=200，要求直流输出电，要求直流输出电压压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。，选择整流二极管及滤波电容器。V 352522DRM UU A075020030212121LOOD.RUII uRLuo+C解：解：25V1.230 21O .UU可选用二极管可选用二极管2CP11IOM=100mA UDRM=50V 有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=5

21、0Hz，负载电阻，负载电阻 RL=200，要求直流输出电压，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。，选择整流二极管及滤波电容器。取取 RLC=5 T/2已知已知RL=50 S 05.025015L CR uRLuo+C解：解：2.选择滤波电容器选择滤波电容器F250F102502000.05 0506L R.C可选用可选用C=250 F，耐压为，耐压为50V的极性电容器的极性电容器当流过电感线圈的电流发生变化，电感两端将产生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。比较平滑

22、了。桥式整流电感滤波电路桥式整流电感滤波电路C+-u+-RLLu0+v滤波用线圈称为滤波用线圈称为扼流圈扼流圈。L越大，阻碍电流变化作用越越大，阻碍电流变化作用越 强，但成本增加，直流损耗增加。强，但成本增加，直流损耗增加。一般取电感量为几一般取电感量为几 几十亨几十亨v电感滤波电路多用于单相全波整流电路及三相整流电路电感滤波电路多用于单相全波整流电路及三相整流电路 中，忽略电感线圈电阻，中，忽略电感线圈电阻，负载上直流电压为：负载上直流电压为：U0=0.9U2v电感滤波输出的直流电压小于电容滤波，但负载变化时，电感滤波输出的直流电压小于电容滤波，但负载变化时，输出电压变化小，适用于负载变化大

23、及负载电流大的场输出电压变化小，适用于负载变化大及负载电流大的场 合。合。C2+-uRLL+C1滤滤波波器器形形 LC C2+-uRLR+C1滤滤波波器器形形 RC ut0滤波滤波tu0稳压稳压整流滤波后，交流变为比较平滑整流滤波后，交流变为比较平滑 的直流的直流,但直流电压但直流电压/电流电流 的平均值受到电网电压波动及负载变动的影响。的平均值受到电网电压波动及负载变动的影响。为了得到稳定的直流电压，必须在整流和滤波后增加稳为了得到稳定的直流电压，必须在整流和滤波后增加稳定环节。定环节。U(v)I(mA)稳压管是特殊工艺制成的面接触型硅二极管。稳压管是特殊工艺制成的面接触型硅二极管。普通二极

24、管：普通二极管：在反向电压达到击穿电压时在反向电压达到击穿电压时,将击穿烧坏将击穿烧坏+-UZImax工作在反向击穿区，工作在反向击穿区，具有稳压特性具有稳压特性稳压管：稳压管：反向工作时，当达到击穿电压，反向工作时，当达到击穿电压，只要击穿电流限制在只要击穿电流限制在Imax以内，以内，当电流有较大变化时，电压都当电流有较大变化时，电压都基本恒定在基本恒定在UZ。在在Imax以内，稳压管的反向击以内，稳压管的反向击穿可逆，去掉反向电压又恢复穿可逆，去掉反向电压又恢复正常正常正向工作时相当于普通二极管正向工作时相当于普通二极管稳压管的基本参数稳压管的基本参数稳定电压稳定电压UZ：稳压范围内稳压

25、管的工作电压。就某一：稳压范围内稳压管的工作电压。就某一型号稳压管稳定电压有一定范围型号稳压管稳定电压有一定范围.如如:2CW1型型:78.5V稳定电流稳定电流IZ：工作电压等于稳定电压时：工作电压等于稳定电压时,制造厂的制造厂的测试电流测试电流最大稳定电流最大稳定电流Izmax:稳定管允许通过的最大反向电流。稳定管允许通过的最大反向电流。大于此值，稳压管烧坏。大于此值，稳压管烧坏。动态电阻动态电阻rZ:在稳定状态下，稳压管端电压与相应电流在稳定状态下，稳压管端电压与相应电流之比。稳压管反向伏安特性曲线越陡，动态电阻越小，之比。稳压管反向伏安特性曲线越陡，动态电阻越小，稳定性能越好。稳定性能越

26、好。IZRLR+CUO+-u2-UIDZ+-Io选择稳压管时一般取：选择稳压管时一般取：oZUU OMZMII35.1 OIUU32 限流电阻限流电阻串联在电路中串联在电路中,使稳压管电流使稳压管电流不超过不超过ImaxUI=UR+UZ =UR+UOI=IO+IZ稳压电路工作原理稳压电路工作原理1）当电网电压当电网电压 UI UZ ，UO IZ I UR UO 2）当负载）当负载RL变小变小 UO UZ IZ I UR ,UI不变不变 UO 稳压过程总通过稳压管电流的变化来调整稳压过程总通过稳压管电流的变化来调整IZRLR+Cuo+-u2-UIDZ+-IoUIUZ思思 考考 题题1）R=0 时

27、产生什么现象？时产生什么现象？2）稳压管接反了，结果如何？）稳压管接反了，结果如何？3）同型号稳压管能串联使用吗？能并联使用吗？）同型号稳压管能串联使用吗？能并联使用吗？提示：提示：1 1）从稳压过程入手分析。）从稳压过程入手分析。2 2）稳压管是特殊的）稳压管是特殊的二极管。二极管。3 3）串联、并联以后稳定电压和允许通过电串联、并联以后稳定电压和允许通过电流分别如何变化？流分别如何变化？IZRLR+Cu0+-u2-UiDZ+-Io0tu交流交流电源电源0tu变压变压ut0整流整流ut0滤波滤波tu0稳压稳压直流稳压电源直流稳压电源特殊用途二极管参阅教科书！特殊用途二极管参阅教科书！思考题思

28、考题单相全波整流电路的工作原理单相全波整流电路的工作原理U1负半周：负半周：u1u2aTbD1RLu0D2u2i0uDU1正半周：正半周：电流流向：电流流向：a-D1-RL电流流向：电流流向：b-D2-RL输出电压波形与大小输出电压波形与大小u0平均值平均值U0 ：U0=0.9U2输出电压波形输出电压波形：二极管上承受的最高电压：二极管上承受的最高电压：222UURWM t uou1u2aTbD1RLu0D2u2i0uD二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：021IIIDOM 7-1(a)15V10V,二极管导通，二极管导通，UAO=15V(b)15V10V,二极管截止，二极管截止，UAO=

29、10V7-2u2tui6VD截止截止uo=uiui6VD导通导通uo=6V（a）u2tui6VD导通导通uo=6Vui6VD截止截止uo=ui7-2（b）7-3u2t（a）ui正半周正半周DZ承受反向电压，承受反向电压，但但 ui6V，DZ反向击穿，反向击穿，开始稳压开始稳压uo=6Vui负半周负半周DZ承受正向电压，承受正向电压，相当于普通二相当于普通二极管正向导通极管正向导通uo=0Vui正半周正半周DZ承受反向电压，承受反向电压，但但 ui6V，未反向击穿，未反向击穿，相当于普通二相当于普通二极管反向截止极管反向截止uo=ui7-3u2tui正半周正半周DZ承受正向电压，承受正向电压，相当于普通二相当于普通二极管正向导通极管正向导通uo=0Vui负半周负半周DZ承受反向电压，承受反向电压，但但 ui6V，DZ反向击穿，反向击穿，开始稳压开始稳压uo=6Vui负半周负半周DZ承受反向电压，承受反向电压，但但 ui6V，未反向击穿，未反向击穿，相当于普通二相当于普通二极管反向截止极管反向截止uo=ui6V9V6V9V6V9V6V9V+15V6.7V9.7V1.4VEND