第5章二極管及直流穩壓電源第5章二極管及直流穩壓電源5.1二極管的外部特性

5.2二極管電路的分析方法

5.3二極管的應用及直流穩壓電源5.4半導體器件型號命名及方法15.1二極管的外部特性根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分，可分為：導體、絕緣體和半導體。

1.導體：容易導電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導電的物體。如：橡膠等3.半導體：半導體是導電性能介于導體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導電。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。25.1二極管的外部特性雜質半導體及PN結利用半導體的摻雜工藝，在純凈、晶格完整的半導體中摻入其他雜質元素形成的半導體。主要有兩種：P型半導體和N型半導體N型半導體：摻入5價元素(如磷P)，主要導電粒子為帶負電的自由電子。P型半導體：摻入3價元素(如硼B)，主要導電粒子為帶正電的空穴。P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，交界面形成“PN結”3將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩壓二極管發光二極管5.1二極管的外部特性4二極管按結構分有點接觸型、面接觸型幾大類。(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、二極管的類型(a)點接觸型

二極管的結構示意圖5(a)面接觸型(b)硅平面型(c)代表符號(2)面接觸型二極管

PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型1、二極管的類型62、二極管的伏安特性二極管伏安特性測試電路7其中二極管的伏安特性IS——反向飽和電流UT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）2、二極管的伏安特性8

伏安特性受溫度影響正向特性為指數曲線反向特性為橫軸的平行線若正向電壓u>>UT,則若反向電壓|u|>>UT，則2、二極管的伏安特性i≈?IS9鍺二極管2AP15的伏安特性

2、二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性10硅二極管的死區電壓Uth=0.5V左右，

鍺二極管的死區電壓Uth=0.1V左右。

當0＜uD

＜Uth時，正向電流為零，Uth稱為死區電壓或開啟電壓。當uD＞0即處于正向特性區域。正向區又分為兩段：當uD

＞Uth時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。開啟電壓2、二極管的伏安特性11當uD＜0時，即處于反向特性區域。反向區也分兩個區域：當UBR＜uD＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。當uD≥UBR時，反向電流急劇增加，UBR稱為反向擊穿電壓。鍺二極管2AP15的伏安特性擊穿電壓

2、二極管的伏安特性12當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆PN結被擊穿后，PN結上的壓降高，電流大，功率大。當PN結上的功耗使PN結發熱，并超過它的耗散功率時，PN結將發生熱擊穿。這時PN結的電流和溫度之間出現惡性循環，最終將導致PN結燒毀。2、二極管的伏安特性13

2、二極管的伏安特性材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA二極管伏安特性特征參數14(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓UR

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓URM一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計算。二極管長期連續工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。3、二極管的主要參數15(3)反向電流IR

在室溫下，在規定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(

A)級。即IS(4)最高工作頻率fM

3、二極管的主要參數二極管工作的上限頻率，即二極管的單向導電性能開始明顯退化時的信號頻率16將指數模型分段線化，得到二極管特性的等效模型。1.二極管的簡化模型理想開關導通時uD＝0截止時IS＝0理想二極管(1)理想模型5.2.1二極管的模型5.2二極管電路的分析方法17近似分析中最常用（2）恒壓降模型導通時u＝UD(on)截止時IS＝05.2二極管電路的分析方法18（3）折線模型導通時△iD與△uD成線性關系？應根據不同情況選擇不同的等效電路！100V？5V？1V？5.2二極管電路的分析方法19Q越高，rd越小。當二極管在靜態基礎上有一動態信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用2.交流小信號等效模型202.交流小信號等效模型(室溫下)即根據靜態電流在Q點上215.2.2二極管電路的分析方法1.數值解法聯立求解迭代法222.圖解分析法負載線二極管伏安關系工作點5.2.2二極管電路的分析方法uD=VDD－iDR233.簡化模型分析法對如圖所示簡單二極管電路，采用不同的簡化模型，得到不同的電路（1）理想模型，用短路線代替導通的二極管(a)理想模型電路簡單二極管電路243.簡化模型分析法（2）恒壓降模型時，用恒壓降模型等效電路代替二極管（b）恒壓降模型電路簡單二極管電路25（3）折線模型，用折線模型等效電路代替二極管（c）折線模型電路簡單二極管電路3.簡化模型分析法26討論判斷二極管工作狀態的方法？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？273.簡化模型分析法解：（1）斷開VD，如圖(b)，求UD。

【例】電路如圖(a)所示。試分別用理想模型和恒壓降模型求輸出電壓Uo。注意：UD的參考方向應與二極管的方向相一致283.簡化模型分析法用導通時的理想模型(導線)代替二極管，得到圖(c)(2)理想模型UD>0V，∴VD導通由此求得：UO=1V293.簡化模型分析法用導通時的恒壓降模型代替二極管，得到圖(d)(3)恒壓降模型UD>UD(on)(0.7V)，∴VD導通由此求得：UO=0.7+1=1.7V(通常沒特別說明時當作硅管處理)沒特別說明均需采用恒壓降模型分析電路303.簡化模型分析法【例】電路如圖(a)所示，求輸出電壓Uab。此電路有兩個二極管，首先仍按前述方法斷開二極管，求出UD1和UD2若UD1、UD2均不滿足導通條件，則兩管均截止；若一管滿足、另一管不滿足，則一管導通，另一管截止；若兩管均滿足導通條件，則壓差大者優先導通。313.簡化模型分析法解：未特別說明，所以按恒壓降模型處理由圖(b)可以得到：UD2=－1+5=4(V)>0.7(V)UD1=－1(V)<0.7(V)∴VD1截止，VD2導通得到圖(c)∴Uab=0.7－5=?4.3(V)323.簡化模型分析法【例】電路如圖(a)所示，求輸出電壓Uab。解：未特別說明，所以按恒壓降模型處理UD2=1+5=6(V)>0.7(V)UD1=1(V)>0.7(V)UD2>UD1∴VD2先導通由圖(b)重求UD1UD1=0.7?5=?4.3(V)<0.7(V)∴VD1截止為什么不是UD1=1(V)？333.簡化模型分析法∴VD1截止，VD2導通得到圖(c)∴Uab=0.7－5=?4.3(V)343.簡化模型分析法解：（1）理想模型當uD<0，即ui<UREF時，二極管截止，

當uD>0，即ui>UREF時，二極管導通，【例5.2.1】電路如圖5.2.8(a)所示R=1kΩ,UREF=3V為直流參考電壓源。當ui=6sinωt(V)試分別用理想模型和恒壓降模型分析該電路，畫出相應的輸出電壓uo的波形。圖5.2.8(a)限幅電路uo=uiuo=UREF=3V353.簡化模型分析法

(b)

理想模型時的波形理想模型ui<UREFui>UREFuo=uiuo=UREF=3V波形如圖(b)所示36解：（2）恒壓降模型3.簡化模型分析法當uD<UD(on)，即ui<UREF+UD(on)時，二極管截止，當uD>UD(on)，即ui>UREF+UD(on)時，二極管導通，uo=uiuo=UREF+UD(on)=3.7V(c)

恒壓降模型37恒壓降模型波形如圖5.2.8(d)所示(d)

恒壓降模型時的波形3.簡化模型分析法ui<UREF+UD(on)ui>UREF+UD(on)uo=uiuo=UREF+UD(on)=3.7V383.簡化模型分析法(b)

理想模型時的波形(d)

恒壓降模型時的波形393.簡化模型分析法該例題中的電路稱為限幅電路讓信號在預置的電平范圍內，有選擇地傳輸信號波形的一部分作用：應用場合：①整形②波形變換③過壓保護雙向限幅電路40改變電壓值通常為降壓交流變脈動的直流減小脈動直流電源是能量轉換電路，將220V（或380V）50Hz的交流電轉換為直流電。直流電源的組成及各部分的作用5.3二極管的應用及直流穩壓電源穩定輸出電壓41交流變脈動的直流減小脈動半波整流全波整流在分析電源電路時要特別考慮的兩個問題：允許電網電壓波動±10％，且負載有一定的變化范圍。5.3二極管的應用及直流穩壓電源穩定輸出電壓1)負載變化輸出電壓基本不變；2)電網電壓變化輸出電壓基本不變。改變電壓值通常為降壓42(1)工作原理u2的正半周，u2的負半周，1．半波整流電路5.3.2.小功率整流濾波電路A→VD→RL→B，uO=u2

。D導通，D截止，承受反向電壓，為u2；uO=0。43(2)UO（AV）和IO（AV）的估算

已知變壓器副邊電壓有效值為U25.3.2.小功率整流濾波電路44考慮到電網電壓波動范圍為±10％，二極管的極限參數應滿足：(3)二極管的選擇5.3.2.小功率整流濾波電路45u2的正半周

A→D1→RL→D3→B，uO=u2u2的負半周

B→D2→RL→D4→A，uO=?u2四只管子如何接？集成的橋式整流電路稱為整流堆。(1)工作原理若接反了呢？2、單相橋式整流電路46(2)輸出電壓和電流平均值的估算2、單相橋式整流電路47(3)

二極管的選擇2、單相橋式整流電路48考慮到電網電壓波動范圍為±10％，二極管的極限參數應滿足：與半波整流電路對二極管的要求相同(3)

二極管的選擇2、單相橋式整流電路493.電容濾波電路(1)工作原理充電放電速度與正弦波下降速度相似按指數規律下降濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動變小。當|u2|>|uC|時，有一對二極管導通，對電容充電，τ充電非常小當|u2|<|uC|時，所有二極管均截止，電容通過RL放電，τ放電=RLC。2、單相橋式整流電路50考慮整流電路的內阻

C

越大，RL越大，τ越大，放電越慢，曲線越平滑，脈動越小。2、單相橋式整流電路51(2)

二極管的導通角導通角無濾波電容時θ＝π。

有濾波電容時θ<π，且二極管平均電流增大，故其峰值很大！θ小到一定程度，難于選擇二極管！2、單相橋式整流電路52簡單易行，UO（AV）高，C

足夠大時交流分量較小；不適于大電流負載。(3)電容的選擇及UO（AV）的估算優缺點整流橋的簡化畫法2、單相橋式整流電路53討論已知變壓器副邊電壓有效值為10V，電容足夠大，判斷下列情況下輸出電壓平均值UO（AV）≈？

1.正常工作；

2.

C開路；

3.RL開路；

4.D1和C同時開路；

5.D1開路。2、單相橋式整流電路541.

穩壓管的伏安特性和主要參數進入穩壓區的最小電流不至于損壞的最大電流由一個PN結組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內端電壓基本不變，為穩定電壓。5.3.3穩壓管穩壓電路伏安特性電路符號等效電路551.

穩壓管的伏安特性和主要參數穩定電壓UZ：穩壓管的擊穿電壓穩定電流

IZ：使穩壓管工作在穩壓狀態的最小電流最大耗散功率PZM：允許的最大功率，PZM=IZMUZ動態電阻

rz：工作在穩壓狀態時，rz＝ΔU/ΔI5.3.3穩壓管穩壓電路562.基本電路的組成若穩壓管的電流太小則不穩壓，若穩壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩壓管電路中必需有限制穩壓管電流的限流電阻！限流電阻必不可少！R的作用限流電阻調整電阻5.3.3穩壓管穩壓電路573.工作原理電網電壓↑→UI↑→UO(UDZ)↑→IDZ↑→IR↑→UR↑→UO↓若ΔUI≈ΔUR，則UO基本變。利用R上的電壓變化補償UI的波動583.工作原理RL↓→IO↑→IR↑→UR↑→UO(UDZ)↓→IDZ↓→IR↓→UR↓→UO↑若ΔIDZ≈?ΔIO，則UR基本變，UO也就基本不變。利用IDZ變化補償IL的變化59（1）UI的選擇UI＝（2～3）UZ（2）穩壓管的選擇UZ＝UOIZM－IZ>ILmax－ILmin（3）限流電阻的選擇保證穩壓管既穩壓又不損壞。4.穩壓管穩壓電路的設計60【例5.3.1】硅穩壓管電路如圖所示。其中待穩定的直流電壓UI=18V，R=1kΩ，RL=2kΩ，硅穩壓管VDZ的穩定電壓UZ=10V，動態電阻及未被擊穿時的反向電流均可忽略。

（1）試求UO、IO、IR和IZ的值。

（2）試求RL值降低到多大時，電路的輸出電壓將不再穩定。解：（1）5.3.3穩壓管穩壓電路61（2）當5.3.3穩壓管穩壓電路625.3.3穩壓管穩壓電路【例】：設UI足夠大，UZ1=8V，UZ2=7.5V，UD(on)=0.7V，判斷VDZ1，VDZ2的導通情況，并求輸出電壓UO。63輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V輸出電流：1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）、0.1A（W78L00）1.固定輸出的三端穩壓器—W7800系列

（1）簡介5.3.4三端集成穩壓器64使Co不通過穩壓器放電抵銷長線電感效應，消除自激振蕩將輸入端接整流濾波電路的輸出，將輸出端接負載電阻。（2）基本應用消除高頻噪聲65（3）具有正、負兩路輸出的穩壓電路

66IW為幾mA(常可忽略)，U'O與三端穩壓器參數有關。調節R2，則能調節輸出電壓UO。（4）輸出電壓擴展電路67隔離作用（4）輸出電壓擴展電路682.基準電壓源三端可調式穩壓器W117