電子線路—陳其純主編—第一章教案

1、電子線路配套多媒體CAI課件 電子教案第1章 晶體二極管和二極管整流電路教學(xué)重點(diǎn)1了解半導(dǎo)體的基本知識(shí)：本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體；掌握PN結(jié)的基本特性。2理解半導(dǎo)體二極管的伏安特性和主要參數(shù)。3了解幾種常用的二極管：硅穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、光電二極管等。4掌握單相半波、橋式全波整流電路的電路組成、工作原理與性能特點(diǎn)；了解電容濾波電路的工作原理。5了解硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性及穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。教學(xué)難點(diǎn)1PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴?整流電路和濾波電路的工作原理。3硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程。學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi) 容學(xué) 時(shí)11.1晶體二極管221.2晶體二極管整流電路231.3濾波器和穩(wěn)壓器34實(shí)驗(yàn)

2、二 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的測(cè)繪25本章小結(jié)與習(xí)題6本章總學(xué)時(shí)91.1 晶體二極管1.1.1 晶體二極管的單向?qū)щ娞匦?晶體二極管(1) 外形如圖1.1.1(a)所示，晶體二極管由密封的管體和兩條正、負(fù)電極引線所組成。管體外殼的標(biāo)記通常表示正極。圖1.1.1 晶體二極管的外形和符號(hào)(2) 圖形、文字符號(hào)如圖1.1.1(b)所示，晶體二極管的圖形由三角形和豎杠所組成。其中，三角形表示正極，豎杠表示負(fù)極。V為晶體二極管的文字符號(hào)。2晶體二極管的單向?qū)щ娦詣?dòng)畫 晶體二極管的單向?qū)щ娦?1) 正極電位負(fù)極電位，二極管導(dǎo)通；圖1.1.3 例1.1.1電路圖(2) 正極電位負(fù)極電位，二極管截止。即二極管正

3、偏導(dǎo)通，反偏截止。這一導(dǎo)電特性稱為二極管的單向?qū)щ娦?。?.1.1 圖1.1.3所示電路中，當(dāng)開關(guān)S閉合后，H1、H2兩個(gè)指示燈，哪一個(gè)可能發(fā)光？解 由電路圖可知，開關(guān)S閉合后，只有二極管V1正極電位高于負(fù)極電位，即處于正向?qū)顟B(tài)，所以H1指示燈發(fā)光。1.1.2 PN結(jié)二極管由半導(dǎo)體材料制成。動(dòng)畫 PN結(jié)1半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種物質(zhì)。如硅(Si)或鍺(Ge)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中，能夠運(yùn)載電荷的的粒子有兩種：圖1.1.4 半導(dǎo)體的兩種載流子載流子：在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)的自由電子和空穴，統(tǒng)稱載流子。如圖1.1.4所示。2本征半導(dǎo)體不加雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體晶體。如本征硅或本征鍺。本征半

4、導(dǎo)體電導(dǎo)率低，為提高導(dǎo)電性能，需摻雜，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。3雜質(zhì)半導(dǎo)體為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，在本征半導(dǎo)體(4價(jià))中摻入硼或磷等雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜的物質(zhì)不同，可分兩種：(1) P型半導(dǎo)體：本征硅(或鍺)中摻入少量硼元素(3價(jià))所形成的半導(dǎo)體，如P型硅。其中，多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子。圖1.1.5 PN結(jié)(2) N型半導(dǎo)體：本征硅(或鍺)中摻入少量磷元素(5價(jià))所形成的半導(dǎo)體，如N型硅。其中，多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體使用特殊工藝連在一起，形成PN結(jié)。4PN結(jié)N型和P型半導(dǎo)體之間的特殊薄層叫做PN結(jié)。PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的核心。如圖1.1.5

5、所示。PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴＜矗篜區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，PN結(jié)導(dǎo)通；反之，PN結(jié)截止。圖1.1.6 測(cè)試二極管伏安特性電路晶體二極管之所以具有單向?qū)щ娦?，其原因是?nèi)部具有PN結(jié)。其正、負(fù)極對(duì)應(yīng)于PN結(jié)的P型和N型半導(dǎo)體，如圖1.1.5所示。1.1.3 二極管的伏安特性動(dòng)畫 二極管的伏安特性1定義二極管兩端的電壓和流過的電流之間的關(guān)系曲線叫作二極管的伏安特性。2測(cè)試電路：如圖1.1.6所示。3伏安特性曲線：如圖1.1.7所示。4特點(diǎn)(1) 正向特性 正向電壓VF小于門坎電壓VT時(shí)，二極管V截止，正向電流IF =0；圖1.1.7 二極管伏安特性曲線其中，門檻電壓 VF > VT時(shí)，

6、V導(dǎo)通，IF急劇增大。導(dǎo)通后V兩端電壓基本恒定：結(jié)論：正偏時(shí)電阻小，具有非線性。(2) 反向特性反向電壓VR < VRM(反向擊穿電壓)時(shí)，反向電流IR很小，且近似為常數(shù)，稱為反向飽和電流。VR > VRM時(shí)，IR劇增，此現(xiàn)象稱為反向電擊穿。對(duì)應(yīng)的電壓VRM稱為反向擊穿電壓。結(jié)論：反偏電阻大，存在電擊穿現(xiàn)象。1.1.4 二極管的簡(jiǎn)單測(cè)試用萬用表檢測(cè)二極管如圖1.1.8所示。圖1.1.8 萬用表檢測(cè)二極管1判別正負(fù)極性萬用表測(cè)試條件：R ´ 100 W 或R ´ 1 kW；將紅、黑表筆分別接二極管兩端。所測(cè)電阻小時(shí)，黑表筆接觸處為正極，紅表筆接觸處為負(fù)極。2判別好

7、壞萬用表測(cè)試條件：R ´ 1 kW。(1) 若正反向電阻均為零，二極管短路；(2) 若正反向電阻非常大，二極管開路。(3) 若正向電阻約幾千歐姆，反向電阻非常大，二極管正常。1.1.5 二極管的分類、型號(hào)和參數(shù)1分類(1) 按材料分：硅管、鍺管；(2) 按PN結(jié)面積：點(diǎn)接觸型(電流小，高頻應(yīng)用)、面接觸型(電流大，用于整流)；(3) 按用途：如圖1.1.9所示，圖1.1.9 二極管圖形符號(hào)例如利用單向?qū)щ娦园呀涣麟娮兂芍绷麟姷恼鞫O管；利用反向擊穿特性進(jìn)行穩(wěn)壓的穩(wěn)壓二極管；利用反向偏壓改變PN結(jié)電容量的變?nèi)荻O管；利用磷化鎵把電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光二極管；將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電二

8、極管。2型號(hào)舉例如下整流二極管2CZ82B穩(wěn)壓二極管2CW50變?nèi)荻O管2AC1等等。3主要參數(shù)(1) 普通整流二極管 最大整流電流IFM：二極管允許通過的最大正向工作電流平均值。 最高反向工作電壓VRM：二極管允許承受的反向工作電壓峰值。 反向漏電流IR：規(guī)定的反向電壓和環(huán)境溫度下，二極管反向電流值。(2) 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓VZ、穩(wěn)定電流IZ、最大工作電流IZM、最大耗散功率PZM、動(dòng)態(tài)電阻rZ等。1.2 晶體二極管整流電路整流：把交流電變成直流電的過程。二極管單相整流電路：把單相交流電變成直流電的電路。整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將交流電變成脈動(dòng)的直流電。圖1.2.1

9、單相半波整流電路1.2.1 單相半波整流電路動(dòng)畫 單相半波整流電路 1 電路如圖1.2.1(a)所示。V：整流二極管，把交流電變成脈動(dòng)直流電；T：電源變壓器，把v1變成整流電路所需的電壓v2。2 工作原理設(shè)v2為正弦波，波形如圖1.2.1(b)所示。(1) v2正半周時(shí)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管V正偏導(dǎo)通，則vL » v2；(2) v2負(fù)半周時(shí)，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，二極管V反偏截止，則vL » 0。圖1.2.2 變壓器中心抽頭式全波整流電路由波形可見，v2一周期內(nèi)，負(fù)載只有單方向的半個(gè)波形，這種大小波動(dòng)、方向不變的電壓或電流稱為脈動(dòng)直流電。上述過程說明，利用二極管單向

10、導(dǎo)電性可把交流電v2變成脈動(dòng)直流電vL。由于電路僅利用v2的半個(gè)波形，故稱為半波整流電路。3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負(fù)載電壓 VL = 0.45V2 (1.2.1)(2) 負(fù)載電流 (1.2.2)(3) 二極管正向電流和負(fù)載電流 (1.2.3)(4) 二極管反向峰值電壓 (1.2.4)選管條件：(1) 二極管允許的最大反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓；(2) 二極管允許的最大整流電流應(yīng)大于流過二極管的實(shí)際工作電流。電路缺點(diǎn)：電源利用率低，紋波成分大。解決辦法：全波整流。1.2.2 單相全波整流電路一、變壓器中心抽頭式單相全波整流電路1電路圖變壓器中心抽頭式單相全波整流電路如圖1.

11、2.2所示。V1、V2為性能相同的整流二極管；T為電源變壓器，作用是產(chǎn)生大小相等而相位相反的v2a和v2b。2工作原理圖1.2.3 橋式整流電路(1) v1正半周時(shí)，T次級(jí)A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，在v2a作用下，V1導(dǎo)通(V2截止)，iV1自上而下流過RL；(2) v1負(fù)半周時(shí)，T次級(jí)A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，在v2b的作用下，V2導(dǎo)通(V1截止)，iV2自上而下流過RL；可見，在v1一周期內(nèi)，流過二極管的電流iV1、iV2疊加形成全波脈動(dòng)直流電流iL，于是RL兩端產(chǎn)生全波脈動(dòng)直流電壓vL。故電路稱為全波整流電路。圖1.2.4 橋式整流電路工作過程3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負(fù)載電壓 (

12、1.2.5)(2) 負(fù)載電流 (1.2.6)圖1.2.5 橋式整流電路工作波形圖(3) 二極管的平均電流 (1.2.7)(4) 二極管承受反向峰值電壓 (1.2.8)缺點(diǎn)：?jiǎn)喂艹惺艿姆聪蚍逯祲罕劝氩ㄕ鞲咭槐?，變壓器T需中心抽頭。二、單相橋式全波整流電路動(dòng)畫 橋式全波整流電路1電路圖單相橋式全波整流電路如圖1.2.3所示。V1 V4為整流二極管，電路為橋式結(jié)構(gòu)。2工作原理(1) v2正半周時(shí)，如圖1.2.4(a)所示，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，則V1、V3導(dǎo)通(V2、V4截止)，i1自上而下流過負(fù)載RL；(2) v2負(fù)半周時(shí)，如圖1.2.4(b)所示，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，則V2、V4導(dǎo)通(V1、

13、V3截止)，i2自上而下流過負(fù)載RL；由波形圖1.2.5可見，v2一周期內(nèi)，兩組整流二極管輪流導(dǎo)通產(chǎn)生的單方向電流i1和i2疊加形成了iL。于是負(fù)載得到全波脈動(dòng)直流電壓vL。3負(fù)載和整流二極管上的電壓和電流(1) 負(fù)載電壓 (1.2.9)(2) 負(fù)載電流 (1.2.10)(3) 二極管的平均電流 (1.2.11)(4) 如圖1.2.6所示，二極管承受反向峰值電壓為 (1.2.12)優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高，紋波小，VRM較低，應(yīng)用廣泛。橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法如圖1.2.7所示。 圖1.2.6 橋式整流二極管承受的反向峰值電壓 圖1.2.7 橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法例1.2.1 有一直流負(fù)載，需要直流電壓VL

14、 = 60 V，直流電流IL = 4 A。若采用橋式整流電路，求電源變壓器次級(jí)電壓V2，并選擇整流二極管。解 因?yàn)?所以流過二極管的平均電流圖1.2.8 半橋和全橋整流堆二極管承受的反向峰值電壓查晶體管手冊(cè)，可選用整流電流為3A，額定反向工作電壓為100 V的整流二極管2CZ12A(3A/100V)四只。整流元件組合件稱為整流堆，常見的有半橋2CQ型，如圖1.2.8(a)所示；全橋QL型，如圖1.2.8(b)所示。優(yōu)點(diǎn)：電路組成簡(jiǎn)單、可靠。1.3 濾波器和穩(wěn)壓器1.3.1 濾波器圖1.3.1 電容濾波電路作用：濾除脈動(dòng)直流電中脈動(dòng)成分。種類：電容濾波器、電感濾波器、復(fù)式濾波器一、電容濾波器動(dòng)畫

15、 電容濾波電路1電路特點(diǎn)：電容器與負(fù)載并聯(lián)。2工作原理利用電容器兩端電壓不能突變?cè)砥交敵鲭妷?。圖1.3.2 電容濾波輸出波形在0 t1期間，因v2的作用，V正偏導(dǎo)通，電容C充電，波形如圖1.3.1(b)中OA所示；在t1 t2期間，因v2 < vC，V反偏截止，電容C通過負(fù)載放電，波形如圖1.3.1(b)中AB所示；在t2 t3期間，因vC > v2，V正偏導(dǎo)通，電容再次充電，波形如圖1.3.1(b)中BC。圖1.3.3 帶電感濾波器的全波整流電路重復(fù)上述過程，可得近于平滑波形。這說明，通過電容的充放電，輸出直流電壓中的脈動(dòng)成分大為減小。全波整流電容濾波輸出波形如圖1.3.2所

16、示。工作原理與半波整流電路相同，不同點(diǎn)是：v2正、負(fù)半周內(nèi)，V1、V2輪流導(dǎo)通，對(duì)電容C充電兩次，縮短了電容C向負(fù)載的放電時(shí)間，從而使輸出電壓更加平滑。輸出電壓的估算公式為VL » 1.2V2應(yīng)用：小功率電源。二、電感濾波器1電路電感濾波器如圖1.3.3所示。特點(diǎn)：電感與負(fù)載串聯(lián)。2工作原理利用流過電感電流不能突變?cè)砥交敵鲭娏?。?dāng)電路電流增加時(shí)，電感存儲(chǔ)能量；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放能量。使負(fù)載電流比較平滑，從而得到比較平滑的直流電壓。應(yīng)用：較大功率電源。缺點(diǎn)：體積大、重量大。三、復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電容與負(fù)載并聯(lián)，電感與負(fù)載串聯(lián)。性能特點(diǎn)：濾波效果好。1L型濾波器(1) 電路如圖

17、1.3.4所示。(2) 原理：整流輸出的脈動(dòng)直流經(jīng)過電感L，交流成分被削弱，再經(jīng)過電容C濾波，就可在負(fù)載上獲得更加平滑的直流電壓。(3) 應(yīng)用：較大功率電源中。 圖1.3.4 帶L型濾波器的橋式整流電路 圖1.3.5 P 型濾波器橋式整流電路2P 型濾波器(1) 電路如圖1.3.5所示。(2) 原理：整流輸出的脈動(dòng)直流經(jīng)過電容C1濾波后，再經(jīng)電感L和電容C2濾波，使脈動(dòng)成分大大降低，在負(fù)載上可獲得平滑的直流電壓。(3) 應(yīng)用：小功率電源中。1.3.2 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)如圖1.3.6所示。濾波電路：將脈動(dòng)的直流電變成平滑的直流電。圖1.3.6 硅穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào)

18、穩(wěn)壓電路：抑制電網(wǎng)電壓和整流電路負(fù)載的變化引起的輸出電壓變化，將平滑的直流電變成穩(wěn)定的直流電。1硅穩(wěn)壓二極管的特性(1) 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。(2) 當(dāng)工作電流滿足條件時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎不變。2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓。(2) 穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓下的工作電流。(3) 最大穩(wěn)定電流IZmax穩(wěn)壓管允許長(zhǎng)期通過的最大反向電流。(4) 動(dòng)態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與電流變化量的比值，即rZ = DVZ/DIZ。此值越小，管子穩(wěn)壓性能越好。圖1.3.7 硅穩(wěn)壓管整流穩(wěn)壓電路3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理(1) 電路圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖1.3.7所示。V為穩(wěn)壓管，起電流調(diào)整作用；R為限流電阻，起電壓調(diào)整作用。(2) 電路的穩(wěn)壓過程：VOIZIRVRVO(3) 應(yīng)用：小功率場(chǎng)合。本章小結(jié)1半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴。N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子，P型半導(dǎo)體中