任务3、最简易的充电器.doc

任务3、最简易的充电器教学目标l 掌握二极管的概念及相关应用（整流、钳位、限幅及保护电路）。l 认识充电电路的结构和原理。l 熟练掌握各类二极管的参数、作用及测量。l 了解发光二极管、光电二极管、变容二极管、肖特基二极管的基本应用。l 初步学会示波器的用法，并测量二极管的伏安特性。l 掌握简单充电器的制作方法。 教学重点：l 二极管一、任务根据充电器实物，绘制电路原理图。分析充电器的工作原理。根据给定的元器件和电路要求，制作一个简易充电器。二、所用元件及介绍1、二极管（或整流全桥）二极管应该算是半导体器件家族中的元老了。很久以前，人们热衷于装配一种矿石收音机来收听无线电广播，这种矿石后来就被做成了晶体二极管。利用二极管单向导电的特性，常用二极管作整流器，把交流电变为直流电，即只让交流电的正半周(或负半周)通过，再用电容器滤波形成平滑的直流。事实上好多电器的电源部分都是这样的。二极管也用来做检波器，把高频信号中的有用信号“检出来”，老式收音机中会有一个“检波二极管”，一般用2AP9型锗管。常见的几种二极管中有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等几种。像它的名字，二极管有两个电极，并且分为正负极，一般把极性标示在二极管的外壳上。大多数用一个不同颜色的环来表示负极，有的直接标上“”号。大功率二极管多采用金属封装，并且有个螺母以便固定在散热器上。通常小功率锗二极管的正向电阻值为300500，硅管为1k或更大些。锗管反向电阻为几十千欧，硅管反向电阻在500k以上(大功率二极管的数值要大得多)。正反向电阻差值越大越好。点接触二极管的工作频率高，不能承受较高的电压和通过较大的电流，多用于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大，但适用的频率较低，多用于整流、稳压、低频开关电路等方面。选用整流二极管时，既要考虑正向电压，也要考虑反向饱和电流和最大反向电压。选用检波二极管时，要求工作频率高，正向电阻小，以保证较高的工作效率，特性曲线要好，避免引起过大的失真。国产半导体分立器件型号命名法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示器件电极的数目用汉语拼音字母表示器件的材料和极性用汉语拼音字母表示器件的类型 用数字表示器件序号用汉语拼音表示规格的区别代号符号意义符号意义符号意义符号意义23二极管三极管ABCDABCDE N型，锗材料P型，锗材料N型，硅材料P型，硅材料PNP型，锗材料NPN型，锗材料PNP型，硅材料NPN型，硅材料化合物材料PVWCZLSNUKXG普通管微波管稳压管参量管整流管整流堆隧道管阻尼管光电器件开关管低频小功率管（3MHz,PC1W）高频小功率管（3MHzPC1W）DATYBJCSBTFHPINJG低频大功率管（3MHz,PC1W)高频大功率管（3MHzPC1W）半导体闸流管(可控硅整流器)体效应器件雪崩管阶跃恢复管场效应器件半导体特殊器件复合管PIN型管激光器件国际电子联合会半导体器件型号命名法第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示使用的材料用字母表示类型及主要特性用数字或字母加数字表示登记号用字母对同一型号者分档符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义A锗材料A检波、开关和混频二极管M封闭磁路中的霍尔元件三位数字 通用半导体器件的登记序号（同一类型器件使用同一登记号）ABCDEL 同一型号器件按某一参数进行分档的标志B变容二极管P光敏元件B硅材料C低频小功率三极管Q发光器件D低频大功率三极管R小功率可控硅C砷化镓E隧道二极管S小功率开关管F高频小功率三极管T大功率可控硅一个字母加两位数字 专用半导体器件的登记序号（同一类型器件使用同一登记号）D锑化铟G复合器件及其它器件U大功率开关管H磁敏二极管X倍增二极管R复合材料K开放磁路中的霍尔元件Y整流二极管L高频大功率三极管Z稳压二极管即齐纳二极管美国电子工业协会半导体器件型号命名法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用符号表示用途的类型用数字表示PN结的数目美国电子工业协会(EIA)注册标志美国电子工业协会(EIA)登记顺序号用字母表示器件分档符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义JAN或J军用品1二极管N 该器件已在美国电子工业协会注册登记多位数字 该器件在美国电子工业协会登记的顺序号ABCDL 同一型号的不同档别2三极管无非军用品3三个PN结器件nn个PN结器件日本半导体器件型号命名法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用数字表示类型或有效电极数S表示日本电子工业协会（EIAJ）的注册产品用字母表示器件的极性及类型用数字表示在日本电子工业协会登记的顺序号用字母表示对原来型号的改进产品符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义0光电(即光敏)二极管、晶体管及其组合管S 表示已在日本电子工业协会(EIAJ)注册登记的半导体分立器件APNP型高频管四位以上的数字 从11开始，表示在日本电子工业协会注册登记的顺序号，不同公司性能相同的器件可以使用同一顺序号，其数字越大越是近期产品ABCDEFLL 用字母表示对原来型号的改进产品BPNP型低频管CNPN型高频管DNPN型低频管1二极管FP控制极可控硅2三极管、具有两个以上PN结的其他晶体管GN控制极可控硅HN基极单结晶体管JP沟道场效应管KN沟道场效应管3LL具有四个有效电极或具有三个PN结的晶体管M双向可控硅n-1具有n个有效电极或具有n-1个PN结的晶体管部分半导体二极管的参数类型参 数型 号最大整流电流/mA正向电流/mA正向压降(在左栏电流值下)/V反向击穿电压/V最高反向工作电压/V反向电流/mA零偏压电容/pF反向恢复时间/ns普通检波二极管2AP9162.5140202501fH(MHz)1502AP751501002AP1125101102501fH(MHz)402AP171510100锗开关二极管2AK11501301032002AK240202AK52000.9604021502AK1010170502 1502AK132500.760402AK147050硅开关二极管2CK70AE100.8A30B45C60D75E90A20B30C40D50E601.532CK71AE2042CK72AE30152CK73AE5012CK74AD1002CK75AD1502CK76AD200整流二极管2CZ52B L H20.1125L 600同2AP普通二极管2CZ53B L M60.3150L 10002CZ54B L M100.5150L 10002CZ55B L M201150L 10002CZ56BL B6530.825L 10001N4001L 40073011.150L 100051N5391L 5399501.51.450L 1000101N5400L 540820031.250L 100010几种单相桥式整流器的参数参数型号不重复正向浪涌电流/A整流电流/A正向电压降/V反向漏电/mA反向工作电压/V最高工作结温/oCQL110.051.210常见的分档为：25，50，100，200，400，500，600，700，800，900，1000130QL220.1QL460.3QL5100.5QL6201QL740215QL8603部分稳压二极管的主要参数 测试条件 参型 数 号工作电流为稳定电流稳定电压下环境温度50oC稳定电流下稳定电流下环境温度10oC稳定电压/V稳定电流/mA最大稳定电流/mA反向漏电流动态电阻/W电压温度系数/10-4/oC最大耗散功率/W2CW512.53.51071560-90.252CW523.24.555270-82CW5345.841150-642CW545.56.5380.530-352CW5678.8271572CW578.59.8262082CW591011.85203092CW6011.512.5194092CW10345.850165120-6412CW11011.512.520760.52092CW113161910520.540112CW1A5302402012CW6C153070812CW7C6.06.51030100.050.2二极管的类型也有好几种，用于稳压的稳压二极管，用于数字电路的开关二极管，用于调谐的变容二极管，以及光电二极管等，最常看见的是发光二极管。2、电容3、限流电阻、变压器4、可选件主要有LM317、7812（在任务九知识库的稳压电路中详细介绍）等。LM317是电压范围 由 1.25V 至 37V 连续可调的三端集成稳压器。.（+/）+。管脚分别为调节，输出，输入，如图。三、任务分析、最简单的充电电路发光二极管和作充电指示灯也起单相整流作用。注意一只发光二极管只能对应充一节电池。不可串联数节电池充电。充电电流不超过为最好。这样可使被充电池电压体质在新电池。左右。据此可计算限流电阻。如充一节电池时为欧，并联同时充两节电池时为欧。依此类推。变压器根据充电功率而设计。这种充电器的充电电流在20-70mA不等。致命弱点就是电流是脉冲电流,大小会受市电电压及电池状态影响,即不是恒流充电。虽然可以充电，但电池在这种条件下充电,寿命可能大为缩短。为此，我们将斗波整流改为全波整流，加上一个1000到2000的滤波电容，情况会大大改善。、改进为恒流的充电电路这个充电电路增加了一个三端稳压器7812,充电电流基本上就是恒流了。它的弱点是应用范围窄。输出电压不可随意调整。本电路实际上是一个恒流源。核心器件是集成三端可调稳压器LM317T。LM317T在电源电压足够的情况下可以保持其+Vout端比其ADJ端电压高1.25V。请看图中的接法,ADJ端直接与待充电池相连。但ADJ端的内阻很大(正常情况下ADJ端的电流不会超过50A),可近似看作开路,但它可以对电压进行取样。LM317T将+Vout端的电压提高到比ADJ端高1.25V,那么跨接在+Vout端与ADJ端的电阻上将有1.25V/25.5=0.05A=50mA的电流流过(25.5为开关打开时,R1与R2并联后的总阻值)。这个电流便流过电池,对电池进行了恒流充电。按图中的参数,开关打开时,充电电流约为50mA;闭合时约为160mA。这适合于普通的容量为500mA的镍镉电池。进一步的改进是，你可以通过改变接在LM317T的+Vout端与ADJ端的电阻阻值来改变充电电流的大小。比如接一个变阻器等。 即便如此，它们还是要人工掌握充电时间。几种常见充电电池参数超霸1300mA容量镍氢电池常规充电130mA 14-16小时快速充电325mA 5小时普通500mA容量镍镉电池常规充电50mA 14-16小时快速充电160mA 4小时*、自动充电电路这个电路用到的可控硅，在下一个模块介绍。这也是一个简单的镍镉电池充电器电路，实现了自动充电的功能。电路开始充电时，由于可控硅的触发端的电压（取决于充电电池两端的电压）不足以触发导通，所以，5、4、或2组成恒流源，经过向镍镉电池恒流充电，电流值为./1（或24），其中.为的输出电压最低值。经过一定时间后，电池电压上升到允许最大值（一般每节电池不超过.）时，触发导通（触发电压值由决定），这时电路就变成恒压电源，输出电压由确定。.（+/）+，.（+/）伏。其中为导通时阴阳极之间的压降。为上的压降。此时亮，表示电池快充满。当电池电压逐渐上升与输出电压接近，充电电流越来越小，最后接近于零。电池充电结束。电路若要重新启动，只要关闭电源开关，待灭后即可再启动。四、知识库、半导体与结（PN Junction）将导电能力介于导体和绝缘体之间、 电阻率在10-3109cm范围内的物质， 称为半导体。 常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。 半导体的基本特征是热敏性、光敏性、杂敏性。热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。 通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。 半导体中有两种载流子： 一种是带负电荷的自由电子， 一种是带正电荷的空穴。 它们在外加电场的作用下都会出现定向移动。 微观上载流子的定向运动， 在宏观上就形成了电流。 自由电子逆电场方向移动形成电子电流IN， 空穴顺电场方向移动形成空穴电流IP， 如图1-5所示。 所以半导体在外加电场作用下， 电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和， 即 I=IN+IP 本征半导体导电能力很弱，但是经过掺杂，导电能力明显增强。杂质半导体分为两种：N型半导体和P型半导体。二者结合形成PN结，这是制造各种半导体器件的基础。型半导体是在四价的本征硅（或锗）中， 掺入微量的五价元素磷（P）。掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度，电子浓度约等于掺杂的杂质浓度， 远远高于空穴的浓度。称贷电子为多子，空穴为少子。所以当外加电场时，流过N型半导体的电流应为 I=IN+IPIN 。 型半导体是在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼（B）。硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴，一方面自己成为了带负电的离子，即掺入一个硼原子就相当于掺入了一个能接受电子的空穴，所以称三价元素硼为受主杂质，此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度，远远大于自由电子浓度，称空穴为多子、自由电子为少子。这种杂质半导体叫做P型（空穴型）半导体。在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺，使其形成N型区和P型区两部分后， 在它们的交界处就形成了一个特殊薄层，这就是PN结。 几乎所有的半导体器件都是由不同数量和结构的PN结构成的。（a） 多子的扩散运动; （b） PN结中的内电场与少子漂移 多子的扩散运动建立内电场 如图（a）所示，和分别代表P区和N区的受主和施主离子（为了简便起见，硅原子未画出）， 由于 P区的多子是空穴， N区的多子是自由电子， 因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。 这种载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。 多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子因复合而耗尽，所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子，N区形成正离子区，P区形成负离子区，形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区，这个电场称为内建电场，简称内电场，如图（b）所示。在这个区域内， 多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽，所以又称耗尽层。在耗尽层以外的区域仍呈电中性。 内电场阻碍多子扩散、 帮助少子漂移运动，形成平衡PN结。由于内电场的方向是从N区指向P区， 因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反， 对多子的扩散起了一个阻碍的作用， 使多子扩散运动逐渐减弱。 内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。 由于P区的少子是自由电子， N区的少子是空穴， 因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。 这种少数载流子在电场力作用下的定向移动， 称为漂移运动， 如图（b）所示。 未加外部电压时， PN结内无宏观电流， 只有外加电压时， PN结才显示出单向导电性。 （）、外加正偏电压时PN结导通 PN结外加正偏电压 PN结外加反偏电压将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏， PN结正偏时，外加电场使PN结的平衡状态被打破，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移几乎减弱为0，因此， PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多，所以IF较大。为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加，当外加电压增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为正偏导通状态。 （）、外加反偏电压时PN结截止 将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极），N区接较高电位（比如电源的正极），称为给PN结加反向偏置电压，简称反偏。 PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，内电场增强，使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反，称为反向电流IR。 、二极管（Diode）上图是半导体二极管的结构、外形与电路符号。其中（a）是点接触型;（b）是面接触型;（c）是平面型;（d）是电路符号; （e）是常见二极管的外形。半导体二极管实质上就是一个PN结，其基本特性就是单向导电性。此外利用二极管的反向击穿特性，可做成稳压管。这是二极管的伏安特性曲线。二极管的主要参数为了正确选用及判断二极管的好坏，必须对其主要参数有所了解。（1）、最大整流电流IF 指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流，否则会使二极管因过热而损坏。另外，对于大功率二极管，必须加装散热装置。（2）、反向击穿电压UBR管子反向击穿时的电压值称为反向击穿电压UBR。 一般手册上给出的最高反向工作电压URM约为反向击穿电压的一半，以保证二极管正常工作的余量。（3）、反向电流IR（反向饱和电流IS）指在室温和规定的反向工作电压下（管子未击穿时）的反向电流。这个值越小， 则管子的单向导电性就越好。它随温度的增加而按指数上升。（4）、结电容与最高工作频率fMPN结加电压后，其空间电荷区会发生变化，这种变化造成的电容效应称为结电容。最高工作频率fM是二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定。点接触式二极管的fM值较高，在100MHz以上；整流二极管的fM较低，一般不高于几千赫，例如1N4000系列二极管的fM为3kHz。（5）、二极管的温度特性半导体具有热敏性，而电子电路又不可避免地要受到外界温度及电路本身发热的影响。对于同一电流，温度每升高1，二极管的正向压降将减小22.5 mV。即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左移。温度对二极管的反向特性影响更大：当温度每升高10，反向饱和电流IS将增加一倍。 二极管的反向击穿电压也受温度的影响。二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、钳位、开关、稳压、检波等方面，大多是利用其正偏导通、反偏截止的特点。整流示意图限幅示意图、发光二极管（Light Emitting Diode）光电二极管光敏二极管远距离光电传输发光二极管也具有单向导电性： 当外加反偏电压时， 二极管截止， 不发光； 当外加正偏