第二讲二极管及应用

第二讲二极管及应用电压源与电流源电压源：无论接什么负载，端电压不能变。1.电压源本质上要能提供极大的电流。2.当负载阻抗很小时，也能通过加大电流来维持电压不变。电流源：无论接什么负载，电流不能变。1.电流源本质上要能产生极高的电压。2.当负载电阻很大（甚至断开）时，电流源产生极高的电压即使击穿空气，也要维持电流不变。2电压源与电流源电子器件的本质1.我们如果“强加”一个电压在某个器件上，那么器件上“被迫”流过的电流就是不可控的，电流具体是多少，则是该器件的性质。2.同理，我们如果“强行”让一个电流流过某器件，那么该器件两端“反抗”电压是不可控的，电压具体是多少，则是该器件的性质。3重新认识电阻1.电阻：对电流起阻碍作用的元件。uRRiR2.电阻依靠改变其端电压来限制电流。4电容1.电容：维持电压不变的元件2.电容依靠吸收或释放足量的电流，来维持电压不变。5duCdtiCC电感1.电感：维持电流不变的元件2.电感依靠产生足够的高压，来维持电流不变。6diLdtuLLD二极管1.二极管：只能流过正向电流，反向阻断如果流过正向电流，那么uD0.7V2.凭什么二极管增加电流却不增加“阻碍”电流增长的电压？7什么是PN结的电导调制效应？1.电流好比是车辆，电压好比是通行时间。2.车流越大，必然通行时间越长。3.由于车道数太多，导体不可控！！891.半导体好比是受交通管制的1-100车道高速公路，先天牺牲了车道数，但是换来了可控。2.当车流很小，只开1条车道，通行所花时间为0.7V。车流很大时，多开车道，反正保证通行花的时间是0.7V。3.即使考虑电导调制，半导体的导电能力也远不及导体，半导体是牺牲了导流性能换来了可控性！稳压二极管1.稳压二极管：正向特性等同普通二极管，导通后端电压0.7V。反向可被击穿导电，击穿后，端电压维持标定。DZ2.稳压二极管依靠改变流过自身的电流来达到端电压稳定。10Vo0VSiD1SiD2(1)E=10V(0)R1K二极管的应用正逻辑或门121112正逻辑与门VoSiD1SiD2(1)R1KE1=10V(0)E2=0V12+E10V正弦波输入、半波整流vitT2T0Vm一个周期viVmsint++vivo+RVmvi0tvoTT0VmVdc0.318Vmt2半波整流电路的输入电压和输出电压波形131.半波整流是利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。2.半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。3.这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整流是以“牺牲”一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。Vdc0.318Vm14154.峰值反偏电压PIV(峰值倒转电压PRV)VmPIV额定值viT2T0Vm一个周期全波整流（桥电路）+vi+voRD1D2D3D4VmT2T0ttvivoT2Tt0VmVdc0.636Vm全波整流电路的输入电压和输出电压波形16171.2.因电源的整个周期的电压都得到使用，使得转换效率获得了大幅度的提高。峰值反偏电压PIV(峰值倒转电压PRV)VmPIV额定值TT0t全波整流（中心抽头变压器）viVm2峰值反偏电压PIV(峰值倒转电压PRV)2VmPIV额定值1819限幅电路1.2.3.限幅电路是采用二极管去掉输入信号的一部分波形而对剩余部分波形不做任何改变的电路串联型限幅电路中，二极管同负载是串联的关系并联型限幅电路中，允许多个二极管与负载并联+20限幅电路（串联型）2TT0tvi20VV=5Vvivo++R2TTtvi20V-5V-5Vt2TT0vo5Vvi5V20V5V25Vvo0V5V5V21限幅电路（并联型）23vi++R+Vvo4VT2T0tvi16V4V转换电压vo16V4V0T2Tt钳位电路1.2.3.4.充电或放电22钳位电路：由一个二极管、一个电阻和一个电容组成的电路，它能使输入波形发生某个数值的偏移，但是其形状并不发生改变。如果在基本结构中引入直流电源，可产生附加偏移。电阻和电容必须满足时间常量RC足够大，保证二极管截止时，电容器不会急剧放电。在整个分析过程中，假设电容在5个时间常量内完成23vivo++RCvivoVtTT2T22VTt0V054CVV+++CVRvo++V+voR+vo24vitT2T0Vmvi+vi+vo+vo+RRvitT2T0Vm+vi+vi+vo+vo+vo+voRRRRVVVV++vi++vi++2526tT2T0viVm+vi+viRR+vo+vo27vitT2T0Vmvi+vi+vi+vi+vo+vo+vo+vo+RRRRV++++VVV28tT2T0viVmvi+vo+V2++V1R31齐纳二极管1.确定二极管的工作状态2.用一个合适的模型代替原来的电路3.求出其他未知量下图为二极管在不同区域的等效电路这些模型在转折点采用直线近似0.7VVZVZ0V设计：当输入为正值时，其输出电压的极限为20V，当输入电压为负值时，其输出电压为0V研究电路的工作过程，并画出对应于输入电压的系统输出电压波形假设系统有很高的输入电阻，不会影响到电路工作060Vt－60Vvi系统viRSiVZ20Vvi20.7VRRVZ0.7V20Vvo20Vvi20.7Vvdvivo0VID0mA060Vt－60Vvi系统viRSiVZ20V60V20V0vivoVi和R固定基本的齐纳二极管稳压器1.通过移除电路中的齐纳二极管来判断其工作状态以及计算剩余电路的输出电压VVLRLViRRL如果VVz如果VVz齐纳二极管导通，可以使用合适的齐纳二极管等效模型齐纳二极管将关闭，齐纳二极管等效为开路VRVV2.VLRLILIZIRIL用合适的等效电路或值替代相关的未知量VLVZ通过齐纳二极管的电流由基尔霍夫电流定律决定，即IRIZIL其中IRiLRR齐纳二极管的功耗PZVZIZ注：必须远小于器件手册中所指定的PZM注意：在继续下面的分析之前，必须要认清一个问题：进行第1步只是为了确定齐纳二极管的工作状态如果齐纳二极管处于导通状态，则齐纳二极管两端的电压并不是V伏特当系统开始工作，一旦齐纳二极管两端的电压为VZ，齐纳二极管将马上导通随后将其固定在这个电压上而永远不会到达最高的V伏特例题：如图所示的齐纳二极管电路中a.计算VL,VR,IZ和PZb.令RL3k，再计算（a）8.73VVRLVi1.2k(16V)RRL1k1.2kVLV8.73VVRViVL16V-8.73V=7.27VIZ0APZVZIZVZ(0A)0Wa.12V3.33mA6mAVRLViRRL3k(16V)1k3kVLVz10VVRViVL16V-10V=6VIZIRIL=6mA3.33mA=2.67mAPZVZIZ(10V)(2.67mA)26.7mWb.VRRIR6V1kVLRLIL10V3kRLLminVi固定，RL可变的情况VLVZRLViRLRRLminRVZViVZILmaxVLVZRVRViVZVRRIRIZIRILILminIRIZMVZILminRLmax例题：b.计算齐纳二极管的最大功耗时，RL和IL的取值范围a.计算如图所示电路中使得电阻VRL两端电压保持10V25040mA=RLminRVZViVZ(1k)(10V)10k50V10V40VRViVZ50V10V=40VVRRIR40V1kILminIRIZM40mA-32mA=8mA10V8mARLmaxVZILmin=1.25ka.b.PmaxVZIZM(10V)(32mA)320mWV因为IL固定在VZL，而IZ的最大值为Vi变化，RL固定的情况最小的导通输入电压由下式决定：ViiminVLVZRLViRLRVimin(RLR)VZRLVi的最大值由齐纳二极管的最大电流决定IZMIRILIRmaxIZMILIZMR所以Vi的最大值由下式决定：iVmaxVRmaxVZiVmaxIRmaxRVZ23.67V16.67mA例题：计算Vi值的范围，使图中的齐纳二极管处于导通状态(RLR)VZRLVimin(1200220)(20V)1200VLVZ20VILRLRL1.2kiIRmaxIZMIL60mA+16.67mA76.67mAVmaxIRmaxRVZ(76.67mA)(0.22k)20V=16.87V+20V=36.78V结论：输入电压在23.67V和36.87V之间变化，输出将稳定在20V