电工电子技术5.ppt

电工电子教学基地制作 电工电子学 一 性质及任务 1 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课 是研究各种半导体器件 电子线路及应用的一门学科 2 学生通过本课程的学习 掌握一些有关电子技术的基本理论 基本知识和基本技能 培养学生分析问题 解决有关电子电路问题的能力 为今后进一步学习打下一定的基础 二研究对象1 电子器件的特性 参数 2 电子线路分析的方法 即模拟电路和数字电路的分析方法 3 有关应用 三研究方法电子技术的研究方法与电路不同 它具有更强的工程性质 在分析中常用工程近似法突出主要问题 使分析过程得以简化 讲授内容 第五章半导体二极管及基本电路第六章晶体管及基本放大电路第七章集成运算放大器及应用第八章数字逻辑电路基础知识第九章逻辑代数与逻辑函数第十章组合逻辑电路第十一章时序逻辑电路 5 1基础知识 5 2二极管及基本电路的分析方法 5 3直流电源 教学基本要求 理解PN结的单向导电性 理解二极管 稳压管伏安特性 掌握二极管基本应用电路及分析方法 理解单相整流 滤波 稳压电路的工作原理 掌握单相整流电路元器件参数的计算 了解集成稳压器的应用 第五章半导体二极管及基本电路 5 1半导体的基础知识 按物体的导电性能 可将物体分为导体 绝缘体和半导体三类 1 导体 电阻率很低 电流易通过 导电性强的物体 2 绝缘体 电阻率很高 电流不通过 无导电能力的物体 3 半导体 它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体 半导体是如何导电的 怎样提高其导电能力 1 表述 半导体经高度提纯并制成晶体后 原子间组成某种形式的晶体点阵 这种半导体称为本征半导体 也就是完全纯净的 具有晶体结构的半导体 2 本征半导体导电方式以硅 Si 元素为例讨论 分析 一 本征半导体 a 锗Ge的原子结构 b 硅Si的原子结构 硅单晶中的共价键结构 1 自由电子和空穴的形成 在外界的影响下 如热 光 电场 磁场等 使得其共价键中的价电子获得一定能量后 电子受到激发脱离共价键 成为自由电子 带负电 共价键中留下一个空位 称为 空穴 价电子 空穴自由电子 价电子填补空穴 就好像空穴在运动 而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反 因此空穴运动相当于正电荷的运动 当加上一定方向的电场后 就会不断有激发 复合过程 出现两部分的电流 即电子电流 自由电子作定向运动所形成的电流 空穴电流 被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流 2 载流子的形成 二 杂质半导体 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 而形成的半导体 N型半导体 P型半导体 在硅 或锗 的晶体中掺人少量的五价元素 如磷元素 如图所示 多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子 1 N型半导体 磷原子的结构 硅晶体中掺磷出现自由电子 半导体中的自由电子数目大量增加 于是有 自由电子数 空穴数多数载流子少数载流子因此以自由电子导电作为主要导电方式的半导体 称为电子半导体或N型半导体 N typesemiconductor N型半导体示意图 2 P型半导体 自由电子数 空穴数少数载流子多数载流子因此以空穴导电作为主要导电方式的半导体 称为空穴半导体或P型半导体 P typesemiconductor 硅晶体掺硼出现空穴 硼原子的结构 N型半导体P型半导体 杂质半导体中多数载流子浓度取决于 掺杂浓度 少数载流子浓度取决于 温度 N型 P型半导体示意图 三PN结 1 PN结的形成一块晶片两边分别形成P型和N型半导体 一PN结的形成 二PN结的单向导电性 三PN结的结电容 四二极管 五稳压管 六应用 1 多数载流子 P区的空穴和N区的自由电子 要从浓度大的区域扩散到浓度小的区域 形成空间电荷区 PN结 产生电场 称为内电场Ed 2 内电场对多数载的扩散运动起阻挡作用 对少数载流子又起推动作用 这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 PN结形成过程 1 空间电荷区的正负离子虽带电 但它们不能移动 不参与导电 因区域内的载流子极少 所以空间电荷区的电阻率很高 2 内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用 所以空间电荷区 PN结又称为阻挡层或耗尽层 注意 2 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 1 PN结加正向电压 2 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压 2 PN结加反向电压 结论 PN结具有单向导电性 加正向电压 PN结导通 正向电流较大 结电阻很低 加反向电压 PN结截止 反向电流很小 结电阻很高 PN结两端加上电压 PN结内的就有电荷的变化 说明PN结具有电容的效应 PN结的结电容Cj CT 势垒电容 CD 扩散电容 正偏时 Cj CD反偏时 Cj CT 3 PN结的结电容 5 2半导体二极管一 普通二极管 点接触式半导体二极管的结构 面接触式半导体二极管的结构 1 正向特性 OA段 当UF UT 0 5V 死区电压 时外电场不足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力 故正向电流IF很小 IF 0 D处于截止状态 1 伏安特性 V A特性 D导通时的正向压降约为 0 6 0 7 V 硅二极管的伏安特性 2 反向特性 OC段 当UR UBR 击穿电压 时 Ed CD段 当UR UBR后 PN结被击穿 硅二极管的伏安特性 硅二极管与锗二极管的伏安特性比较 硅二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性 死区电压 硅UT 0 5V 锗UT 0 1V 正向压降 硅0 6 0 7V 锗0 2 0 3V 反向电流 一般情况下 锗IR 硅IR 综述 1 二极管的V A特性为非线性 它将二极管分为三种状态 截止 导通和击穿 2 当时 且UF UT 则D导通 3 当UT UD UBR 有IR 0 则D截止 4 当时 且UR UBR 则反向击穿烧坏 2 主要参数 1 最大整流电流IFM表述 二极管长时间可靠工作时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压URM表述 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 URM 击穿电压 23 最大反向电流IRM表述 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流 IRM越小 单向导电性好 二 稳压二极管 DZ 稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性 1 V A特性及符号 1 稳压管的正向特性与二极管相同 2 稳压管的反向特性 OA段 当0 U UZ 反向击穿电压 数值较小 时 IZ很小 稳压管截止 AB段 当U UZ时 稳压管反向击穿 IZ很大 虽 IZ变化范围很大 但DZ稳压管两端的电压 UZ变化很小 体现了稳压特性 由此得知 1 稳压管的V A特性为非线性 且反向特性很陡 2 稳压管工作于反向击穿区 2 主要参数 1 稳定电压UZ表述 DZ在正常工作下管子两端的电压 也就是它的反向击穿电压 2 稳定电流IZ表述 DZ在稳定电压工作管子中的工作电流 3 动态电阻rZ表述 DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值 即 动态电阻愈小 稳压性能愈好 二极管的应用很广 其基本电路有整流电路 开关电路 限幅电路等 由于二极管是非线性器件 分析电路时常采用模型分析法 理想模型恒压模型反向恒压模型 三 二极管 稳压管的基本应用及分析方法 例1 当输入电压为ui 试绘出输出电压uo的波形 设Uc 0 0 tp RC D为理想二极管 例1 电路波形图 解 例2 箝位作用电路如图所示 当输入端VA 3V VB 0V 试求输出端Y的电位VY 解 VA 3V VB 0V DA优先导通 则DB截止 即VY VA UD 3 0 7 0 3 2 3 2 7 V 例2图 VAVBY02 3032 3332 300 0 7 101011111000 电路的逻辑关系为或逻辑 例3 限幅 削波 作用电路如图所示 设ui 1 41Usin tV D为理想二极管 求uo及画出波形 解 1 当ui E时 D导通 uo UD E E2 当ui E时 D截止 uo ui 例3图 电路如图 ui 5sin tV D1 D2为理想二极管 试画出uo波形 例4图 解 UD1 ui 1 0 则ui 1 D1导通 uo 1 ui0 则ui 2 D2截止 uo ui 例4 例5 设稳压管DZ1和DZ2的稳定电压分别为4V和10V 求输出电压UO 已知正向压降为0 7V 解 DZ1击穿 DZ2截止 UO 4v 5 3直流电源 半导体直流电源的原理方框图 基本要求 理解单相整流 滤波 稳压电路的工作原理 掌握设计全波整流 电容滤波电路的方法 二整流电路 三滤波电路 四稳压电路 一变压 图中各环节的功能如下 1 变压 将交流电源电压变换为符合整流需要的电压 2 整流电路 将交流电压变换为单向脉动的直流电压 3 滤波电路 减小整流电压的脉动程度 以适合负载的需要 4 稳压环节 在交流电源电压波动或负载变动时 使直流输出电压稳定 一 变压 利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需要的电压 变压器结构 符号和参数 额定容量SN UN2IN2 二 整流电路 2 工作原理u1经Tru2 波形图 1 单相半波整流电路1 电路组成 3 主要参数 1 单相半波整流电压的平均值UO 2 单相半波整流电流的平均值IO 3 二极管中的平均电流ID 4 二极管承受的最大反向电压UDRM 4 整流元件的选择根据ID UDRM选择合适的整流元件D 1 电路组成 原理图如图所示 单相桥式整流电路图 2 单相桥式整流电路 2 工作过程 当u2 0 正半周 D1 D3导通 D2 D4截止 i2的通路是a D1 RL D3 b 当u2 0 负半周 D2 D4导通 D1 D3截止 i2的通路是b D2 RL D4 a 单相桥式整流电路波形图 3 主要参数 1 单相桥式整流电压的平均值UO 2 单相桥式整流电流的平均值IO 3 二极管中的平均电流ID 4 二极管承受的最大反向电压UDRM 4 整流元件及变压器的选择 1 根据ID UDRM选择整流电路元件D1 D4 2 根据负载RL的要求决定变压器副边的有效值 UO 0 9U2 IO 0 9I2 U2 1 11UO I2 1 11IO 3 根据U2 I2和电源电压U1选择变压器 变比 K U1 U2容量 S I2 U2 例1 已知负载电阻RL 80 负载电压Uo 110V 今采用单相桥式整流电路 交流电源电压为380V 1 如何选用二极管 2 求整流变压器的变比及容量 解 1 二极管 选择 IFM 0 69A URM 172 8V 2 整流变压器的变比和容量 变比 I2 1 11IO 1 53A 变压器的容量S I2 U2 1 53 122 21 187VA 选择变压器K 4S 187VA 三 滤波电路 1 电容低通滤波器1 电路组成 2 工作过程 分析 设uC 0 0 1 u2 0 正半周 a 当0 u2 U2m D1 D3导通 D2 D4截止 iD iC iO uC uO 电容充电 b 当u2 uC 且 2 t 时 D1 D3 D2 D4截止 iD 0 iC iO uC uO 电容向负载放电 2 u2 0 负半周 a 在 t 3 2 当uC u2 U2m时 D2 D4导通 D1 D3截止 有 iD iC iO uC uO 电容充电 b 在3 2 t 2 当 u2 uC时 D1 D4截止 有 iD 0 iC iO uC uO 电容放电 3 此后 电容周期性的充电 放电 3 参数估算 放电时间常数 RLC 若RL愈大 即 愈大 则uO愈平坦 脉动愈小 UO值愈高 因此 输出电压受负载变化的影响较大 电容滤波电路的外特性较差 为得到较好的滤波效果 一般取 1 C 3 5 T 2RL 2 在 1 条件下 有 UO 1 1 1 2 U2 一般取 UO 1 2U2 3 输出电流平均值 4 整流管中的平均电流值 在U2 0的瞬间加C 在U2最大瞬间加C 例2 有一单相桥式电容滤波整流电路 已知交流电源频率f 50HZ U1 220V 负载电阻RL 1000 要求直流输出电压uo 30V 选择整流二极管及滤波电容器 解 1 选择整流二极管 ID IO 30mA 取 UO 1 2U2 则 U2 UO 1 2 25V 故选用整流二极管为2CP11 其IF 100mA UDRM 50V 2 选择滤波电容器据式 RL C 3 5 T 2取RL C 5T 2且f 50HZT 1 f 0 02s 2 电感低通滤波器 1 电路组成 电感低通滤波电路 2 分析 1 XL L 随谐波f XL 可以减弱整流电压中的交流分量 在负载上可得到低频分量 2 当f 0时 XL 0 直流分量全部降在负载RL上 可见 XL滤去高次谐波 输出端得到较为平坦的输出电压 四 稳压电路 1 并联稳压电路1 电路组成 并联稳压电路 根据电路结构有 UO UZ Ui IR RIR IZ IO 2 稳压工作过程 2 Ui不变 负载RL变化的稳压过程 RLUO UZIZIR URUZ 使UO保持不变 稳压实质是利用 UZ变化 引起 IZ较大的变化 经调节电阻R的调整作用 达到保持输出电压基本不变 一般稳压电路包含以下四个基本环节1 基准电压 提供稳定电压UZ 2 采样电路 将输出电压一部分取出 3 比较放大电路 将采样电压与稳定电压比较后进行放大 4 调整管 将经过比较放大后的信号送入调整管 保证UO的稳定 2 集成稳压电源 单片集成稳压电源它具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 1 型号 1 W78系列 输出固定正电压 有5V 8V 12V 15V 18V等 型号有 W7805 W7808 W7812 W7815 W