电气专业中级职称考试复习提纲

电气专业基础与实务 中级 电气专业基础与实务 中级 考试大纲考试大纲 前 言 根据原北京市人事局 北京市人事局关于工程技术等系列中 初级职称试行专业 技术资格制度有关问题的通知 京人发 2005 26 号 及 关于北京市中 初级专业技 术资格考试 评审工作有关问题的通知 京人发 2005 34 号 文件的要求 从 2005 年起 我市工程技术系列中级专业技术资格试行考评结合的评价方式 为了做好考试 工作 我们编写了本大纲 本大纲既是申报人参加考试的复习备考依据 也是专业技 术资格考试命题的依据 在考试知识体系及知识点的知晓程度上 本大纲从对电气专业中级专业技术资格 人员应具备的学识和技能要求出发 提出了 掌握 熟悉 和 了解 共 3 个层次 的要求 这 3 个层次的具体涵义为 掌握系指在理解准确 透彻的基础上 能熟练自 如地运用并分析解决实际问题 熟悉系指能说明其要点 并解决实际问题 了解系指 概略知道其原理及应用范畴 在考试内容的安排上 本大纲从对电气专业中级专业技术资格人员的工作需要和 综合素质要求出发 主要考核申报人的专业基础知识 专业知识和相关专业知识 以 及解决实际问题的能力 命题内容在本大纲所规定的范围内 考试采取笔试 闭卷的方式 电气专业基础与实务 中级 考试大纲编写组 二 一四年一月 1 第一部分第一部分 专业基础知识专业基础知识 一 电工技术专业基础知识一 电工技术专业基础知识 一 电阻的串 并联 1 掌握电阻串 并联电阻阻值的计算 2 掌握电阻串 并联电阻每只电阻电压 电流和功率的计算 二 电阻的混联 1 掌握电阻混联总电阻阻值的计算 2 熟悉电阻混联每只电阻电压 电流和功率的计算 三 电容的串 并联 1 掌握电容的串 并联总电容量的计算 2 熟悉电容的串 并联每只电容上的电压 电量计算 四 电容的容抗 掌握电容的容抗计算 五 电感的感抗 掌握电感的感抗计算 六 阻抗的概念 1 掌握阻抗的计算 2 掌握阻抗的幅值与相位角的计算 七 交流电 1 了解交流电的定义与交流送 配电的意义 2 了解交流送 配电的实现与需注意的问题 八 变压器的工作原理 1 掌握变压器的变压比 变流比和阻抗变换原理 2 熟悉变压器的磁路与磁路间隙 3 熟悉磁路与磁阻的概念 九 电桥的工作原理 1 掌握直流电桥的工作原理 2 熟悉交流电桥的工作原理 常用交流电桥的种类 十 磁性材料与磁性元件 1 掌握磁性材料的主要种类与有关技术指标 2 熟悉常用磁性元件的种类与特点 二 常用半导体器件与工作原理二 常用半导体器件与工作原理 一 掌握半导体二极管 三极管 场效应晶体管的主要技术参数 二 熟悉半导体二极管 三极管 场效应晶体管的典型应用电路与特点 三 常用模拟电路的工作原理三 常用模拟电路的工作原理 2 一 掌握常用模拟电路的主要技术参数 二 掌握常用模拟电路的典型应用电路 1 运算放大器的放大倍数 输入 输出阻抗的计算 2 开环 闭环运算放大器的放大倍数的计算 3 运算放大器的单位增益带宽 4 振荡电路的基本工作原理 5 整形电路的基本工作原理 四 常用数字电路的工作原理四 常用数字电路的工作原理 一 掌握各种触发器电路的工作原理 二 掌握各种数字编码的工作原理与特点 第二部分第二部分 专业理论知识专业理论知识 一 各种常用典型电路的工作原理与应用一 各种常用典型电路的工作原理与应用 一 掌握常用二极管整流 滤波电路的特点 二 掌握常用由半导体分立元件组成的放大电路的特点 三 掌握常用振荡电路的特点 四 掌握放大器与比较器的各自特点 五 熟悉 PLC 的特点 二 常用数字编码与数据处理技术的工作原理二 常用数字编码与数据处理技术的工作原理 一 掌握 BCD 码 余 3 码 格雷码等数字码的特点 二 掌握奈奎斯特取样定理与在有噪声环境下的数字取样的工作原理 三 掌握奇 偶较验 行列式奇 偶较验的工作原理 三 电动机的工作原理三 电动机的工作原理 一 掌握电动机的工作原理 二 掌握电动机的结构与分类 三 掌握电动机的常用调速方法 特点与应用 四 掌握电动机的变频调速的工作原理与主要特点 五 熟悉常用电动机的重要技术参数与含义 四 常用传感器的工作原理四 常用传感器的工作原理 一 熟悉常用传感器主要的种类与它们各自的工作原理 二 熟悉常用传感器主要的主要技术指标有那些 三 熟悉在使用传感器时应注意那些问题 五 建筑电气相关特点与要求五 建筑电气相关特点与要求 一 掌握常用照明电气的主要技术特点与技术指标 3 二 掌握建筑配电的主要要求 三 掌握建筑接地 第三部分第三部分 新理论知识新理论知识 一 了解本专业常用的一些计算机辅助设计工具 二 了解交 直流电机的常用调速方法与特点 以及变频调速技术的工作原理 常用变频调速电路与控制方法 三 了解有关电源管理新技术 四 了解对一些嵌入式操作系统 单板机 单片机 PLC 技术 总线技术 现场总 线技术和 DSP 技术等 第四部分第四部分 行业法规行业法规 一 熟悉有关安全生产的法律和法规 电子电路设计的有关安全要求 电气设备 设计 生产过程中的有关安全要求 二 熟悉在电子电路 电子控制电路 通信电路和有关电气设备的设计 生产和 加工制造过程中的标准化要求 第五部分第五部分 知识产权相关知识知识产权相关知识 一 了解知识产权的基本概念 二 了解知识产权的分类 三 了解知识产权法 四 了解专利权的定义与分类 五 了解商标的定义 六 了解著作权与版权的定义 七 了解专利权和商标的申报程序 八 了解专利权和商标保护的时效 4 二 二 电阻计算电阻计算 1 1 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1 基尔霍夫电流丁璐 KCL 任一瞬间 通过电路中任一节点的各支路电流的代 数和恒等于零 2 基尔霍夫电压定律 KVL 任一瞬间 作用于电路中任一回路各支路电压的代 数和恒等于零 2 2 叠加定理叠加定理 在线性电路中 有多个激励 电压源或电流源 共同作用时 在任一支路中所产 生的响应 电压或电流 等于这些激励分别单独作用时 在该支路中所产生响应的代 数和 在应用叠加定理时 应保持电路的结构不变 在考虑某一激励单独作用时 要假 设其他激励都不存在 即理想电压源被短路 电动势为零 理想电流源开路 电流为 零 但是如果电源有内阻 则都应保留在原处 3 3 戴维南定理戴维南定理 任何线性有源二端网络都可以变换为一个等效电压源 该等效电压源的电动势 Us 等于有源二端网络的开路电压 等效电压源的内阻 R0等于相应的无源二端网络的等效 电阻 三 三 电容和容抗 电感和感抗 阻抗电容和容抗 电感和感抗 阻抗 1 1 电容和容抗电容和容抗 1 电容 电容的单位是 F 电容是绝缘导体储存电荷的能力 即 C 流过电容的电流超前其上电压 90 电容有储存电能 电场能 的能力 所储存能量为 WC CU2 1 2 2 电容串联 电容串联时 U U1 U2 Q1 Q2 1 1 1 1 2 3 电容并联 电容并联时 Q Q1 Q2 C C1 C2 U1 U2 4 容抗 容抗是电容在正弦交流电路中 其上电压有效值 或最大值 与电流有效值 或 最大值 的比值 Xc 1 1 2 2 2 电感和感抗电感和感抗 1 电感 电容的单位是 H 流过电感的电流落后其上电压 90 电感有储存电能 磁场能 的能力 所储存能量为 WL LI2 1 2 2 感抗 感抗是电感在正弦交流电路中 其上电压有效值 或最大值 与电流有效值 或 5 最大值 的比值 XL L 2 fL 3 3 阻抗阻抗 1 RLC 串联电路 Z R jX R j XL XC 所以 Z 2 2 2 2 arctg arctg 2 RL 与 C 并联电路 3 串联谐振 在 RLC 串联电路中 当电感上的电压与电容上的电压相等时 它们正好相互抵消 电路中的电压与电流同相位 这时就称电路发生了谐振 在一般情况下 RLC 串联电路中的电流与电压相位是不同的 但是可以用调节电路 参数 L C 或改变外加电压频率的方法 使电抗等于零 X XL XC 0 即 L 0 求得 0 得 f0 1 1 1 2 串联谐振有一下特征 电流与电压同相位 电路呈电阻性 阻抗最小 电流最大 电感端电压与电容端电压大小相等 相位相反 电感和电容的端电压有可能大大超过外加电压 四 四 三相交流电路三相交流电路 三相交流电可以节约导电材料和导磁材料 且三相旋转设备有较好的运行性能 对称三相交流电指三个频率相同 幅值相同 相位互差 1 3 周期的正弦交流电 三相电源和三相负载都有星形接法和三角形接法 星形接法是将各相负载的尾端 连接在一起的接法 三角形接法是依次将一相负载的尾端与下一相负载的首端连接在 一起的接法 三相电路有相电压和线电压之分 相电压是每相负载或每相电源的首尾端之间的 电压 线电压是每两条相线之间的电压 三相电路有相电流和线电流之分 相电流是流经每相负载或每相电源的电流 线 电流是流经相线的电流 在对称的星形连接的电路中 线电压超前相应的相电压 30 在对称的星形连接的电路中 线电流落后相应的相电流 30 五 五 供配电供配电 6 六 六 磁性材料和磁性元件磁性材料和磁性元件 1 磁路的主要物理量 1 1 磁感应强度磁感应强度 B B 磁感应强度 B 是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量 其方向与该点磁力 线切线方向一致 与产生该磁场的电流之间的方向关系符合右手螺旋法则 其大小为 单位长度的单位直线电流在均匀磁场中所受到的作用力 磁感应强度的单位是特斯拉 T 若磁场内各点的磁感应强度大小相等 方向相同 则为均匀磁场 2 2 磁通磁通 在均匀磁场中 磁感应强度 B 与垂直于磁场方向的面积 S 的乘积 称为通过该面 积的磁通 即 BS 或 B 磁感应强度 B 在数值上等于与磁场方向垂直的单位面积上通过的磁通 故 B 又称 为磁通密度 磁通的单位是韦伯 Wb 3 3 磁导率磁导率 和磁阻和磁阻 RmRm 磁导率 是表示物质导磁性能的物理量 单位是亨 米 H m 真空磁导率 0 4 10 7Hm 任意一种物质的磁导率与真空磁导率之比称为相对磁 导率 用 r表示 即 r 0 磁阻是磁路中磁通遇到的阻力 磁阻的表达式是 Rm 单位是 1 亨 1 H 和 S 分别为导磁体的长度和截面积 亨利亨利 如果电路中电流每秒变化 1 安培 则会产生 1 伏特的感应电动势 此时电路 的电感定义为 1 亨利 4 4 磁场强度磁场强度 H H 磁场强度 H 是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量 为了从磁感应强度 B 中除 去磁介质的因素 故定义为 H 或 B H 单位是安 米 A m 磁场强度是矢量 只与产生磁场的电流以及这些电流的分布情况有关 而与磁介 质的磁导率无关 2 2 磁性材料磁性材料 1 磁性能的主要表现为高导磁性 磁饱和性和磁滞性 在一定强度的外磁场作用下 磁性材料内部的磁畴将顺这外磁场的方向趋向规则 排列 产生一个附加磁场 使磁性材料内的磁感应强度大大增强 这种现象称为磁化 在磁性材料的磁化过程中 随着励磁电流的增大 外磁场和附加磁场都将增大 但当励磁电流增大到一定值时 几乎所有磁畴都与外磁场的方向一致 附加磁场就不 再随励磁电流的增大而继续增强 这种现象称为磁饱和现象 如果励磁电流是大小和方向都随时间变化的交变电流 则磁性材料将受到交变磁 化 在磁性材料反复磁化的过程中 磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化 这种现象称为磁滞现象 其封闭曲线称为磁滞回线 2 磁性材料的分类 磁性材料按其磁性能又可分为软磁材料 硬磁材料和矩磁材料三类 7 软磁材料的剩磁和矫顽力较小 磁滞回线形状较窄 但磁化曲线较陡 即磁导率 较高 所包围的面积较小 它既容易磁化 又容易退磁 一般用于又交变磁场的场合 如用来制造镇流器 变压器 电动机以及各种中 高频电磁元件的铁心等 常见的软 磁材料有纯铁 硅钢以及非金属软磁铁氧体等 硬磁材料的剩磁和矫顽力较大 磁滞回线形状较宽 所包围的面积较大 适用于 制作永久磁铁 如扬声器 耳机 电话机 录音机以及仪表的永久磁铁都是硬磁材料 制成的 常见的硬磁材料有碳钢 钴钢及铁镍铝钴合金等 矩磁材料的磁滞回线近似于矩形 剩磁很大 接近饱和磁感应强度 但矫顽力较 小 易于翻转 常在计算机和控制系统中用作记忆元件和开关元件 矩磁材料有镁锰 铁氧体及某些铁镍合金等 矫顽力矫顽力是指磁性材料在饱和磁化后 当外磁场退回到零时其磁感应强度 B 并不退到 零 只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零 该磁 场称为矫顽磁场 又称矫顽力 当外磁场退回导零 剩磁剩磁是剩下多少 矫顽力是要加多大反向磁场才能退磁 七 七 变压器的工作原理变压器的工作原理 1 1 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路 1 电磁关系 直流铁心线圈由直流电来励磁 产生的磁通是恒定的 线圈中的电流由外加电压 和线圈本身的电阻 R 来决定 功率损耗也只有线圈电阻 R 上的损耗 分析比较简单 交流铁心线圈电路 由于线圈电阻上的电压降 iR 和漏磁电动势 e 都很小 可与主 磁通电动势 e 比较 均可忽略不计 所以 U iR e e 可写成 u e 线圈的匝数为 N 主磁通 msin t 则主磁通电动势 e N N N mcos t 2 fN msin t 90 Em sin t sin t 90 式中 Em 2 fN m Em是主磁通电动势的最大值 而有效值则为 E 4 44fN m 所以 u e Em sin t 90 2 2 fN 2 外加电压的相位比铁心中磁通超前 90 而外加电压的有效值为 U E 4 44fN m 2 功率损耗 磁滞损耗和涡流损耗 2 2 变压器的工作原理变压器的工作原理 1 空载运行 变压器的一次绕组叫上交流电压 u1 矢量 二次开路 这种运行状态称为空载运 行 这时二次绕组中的电流为 0 电压为开路电压 u20 一次绕组通过的电流为空载电 流 N1为一次绕组的匝数 N2为二次绕组的匝数 若略去漏磁通的影响 不考虑绕组上电阻的压降 则可认为一 二次绕组上电动 8 势有效值近似等于一 二次绕组上电压的有效值有效值 标量 所以 K 1 20 1 2 2 负载运行 因为二次绕组有了电流 i2时 二次磁动势 i2N2也要在铁心中产生磁通 即这时变 压器铁心中的主磁通由一 二磁绕组的磁动势共同产生 在一次绕组的外加电压 电 源电压 不变时 由 U E 4 44fN m式可知 主磁通基本保持不变 F Rm 作用 在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量 与磁阻 Rm 的乘积 也就是说 变压器负 载时的总磁动势应与空载时的磁动势基本相等 因而一次绕组的电流将由 i10增大为 i1 使得一次绕组的磁动势由 i10N1变成 i1N1 以抵消二次绕组磁动势 i2N2的作用 这 也符合楞次定律 1N1 2N2 10N1 这一关系称为变压器的磁动势平衡方程式 由于空载电流较小 一般不到额定电流的 10 因此当变压器额定运行时 若忽 略空载电流 则 1N1 2N2 于是得到变压器一 二次电流有效值的关系为 1 2 2 1 1 3 阻抗变换作用 变压器除了有变压和变流的作用外 还有变阻抗的作用 变压器一次侧接电源 U1 二次侧接负载阻抗 ZL 对于电源来说电源后部电路可用另一个阻抗 ZL 来 等效代替 所谓等效 就是它们从电源吸取的电流和功率相等 当忽略变压器的漏磁 和损耗时 等效阻抗可由下式求得 ZL N1 N2 2 ZL K2 ZL 1 1 1 2 2 2 1 2 式中 ZL 为变压器二次负载阻抗 ZL U2 I2 上式说明 在电压比为 K 的变压器二次侧接阻抗为 ZL 的负载时 相当于在电 源上直接接一个阻抗为 ZL K2 ZL 的负载 也可以说 变压器把负载阻抗 ZL变 换为 ZL 通过选择合适的电压比 K 可把实际负载阻抗变换为 is 偶徐德数值 楞次定律楞次定律 感应电流具有这样的方向 即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的 磁通量的变化 楞次定律是一条电磁学的定律 可以用来判断由电磁感应而产生的电动势的方向 右手螺旋定则右手螺旋定则 也叫安培定则 是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定 则 通电直导线中的安培定则 安培定则一 用右手握住通电直导线 让大拇指指 向电流的方向 那么四指指向就是磁感线的环绕方向 通电螺线管中的安培定则 安培定则二 用右手握住通电螺线管 让四指指向电流 的方向 那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的 N 极 左手定则左手定则是判断通电导线处于磁场中时 所受安培力 F 或运动 的方向 磁感应强度 B 的方向以及通电导体棒的电流 I 三者方向之间的关系的定律 判断安培力 导线在磁场中力的方向 根据左手定则 伸开左手 使拇指与其他四指 垂直且在一个平面内 让磁感线从手心流入 四指指向电流方向 大拇指指向的就是 安培力方向 即导体受力方向 9 判断洛伦兹力 将左手掌摊平 让磁感线穿过手掌心 四指表示电流方向 则和四指 垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向 注意 运动电荷是正的 大拇指的指向 即为洛伦兹力的方向 反之 如果运动电荷是负的 仍用四指表示电荷运动方向 那 么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向 磁动势磁动势是电流流过导体所产生磁通量的势力 force 是用来度量磁场或电磁场的一种 量 类似于电场中的电动势或电压 它被描述为线圈所能产生磁通量的势力 公式一 F Rm 作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量 与磁阻 Rm 的乘积 其中 B S S 为与磁场方向垂直的平面的面积 Rm L A L 表示磁路长度 A 表 示磁路横截面积 公式二 F N I 其中 N 表示线圈匝数 I 表示线圈中的电流大小 通电线圈产生的磁动势 F 等于线圈的匝数 N 和线圈中所通过的电流 I 的乘积 也叫磁 通势 磁动势 F 的单位是安培 A 公式三 F H L H 为磁场强度 与磁密度 B 和磁路材料等有关 L 表示磁路长度 F 是磁场强度 H 在磁路 L 上的积分 3 3 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成 这是一个简单的双绕组变压器 在一个 闭合的铁心上套有两个绕组 绕组和绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘 一个绕 组与电源相连 称为一次绕组 另一个绕组与负载相连 称为二次绕组 为了减少铁心中的磁滞损耗和涡流损耗 变压器的铁心大多用 0 35 0 5mm 厚的硅 钢片叠成 为了降低磁路的磁阻 一般采用交错叠装方式 即将每层硅钢片的接缝错 开 4 4 电力变压器的联结组电力变压器的联结组 Y yn0 联结组表示 高压绕组星形接法 低压绕组中性点直接接地并接出中性线 的星形接法 yn11 联结组表示 高压绕组三角形接法 低压绕组中性点直接接地并接出中 性线的星形接法 这接法能适应较大零序电流和三次谐波电流的需要 八 八 电桥电桥 1 电工仪表种类 按测量机构 电工仪表分为磁电系 电磁系 电动系 感应系等仪表 按精确度等级 电工仪表分为 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 七级 仪表 精确度用引用误差 K 表示 即 K 100 式中 m和 Am分别为最大绝对误差和仪表量程 按测量方法 电工仪表主要分为直读式仪表和比较式仪表 电桥属于比较式仪表 按整体结构 分为指针式 数字式等仪表 2 直流电桥 10 直流电桥分为直流单臂电桥和直流双臂电桥 直流单臂电桥只能用来测量 1 以 上的电阻 直流双臂电桥可用来测量 1 以下的电阻 用直流单臂电桥测中值电阻时 可以忽略连接导线的电阻 约为 0 1 和接点的 接触电阻的影响 但用它测低电阻时就不能忽略了 测量 1 以下的电阻宜应用直流 双臂电桥 直流双臂电桥能在很大程度上消除连接线电阻和接触电阻带来的测量误差 电桥的精度决定了桥臂元件的精度 1 直流单臂电桥 惠斯登电桥 2 直流双臂电桥 开尔文电桥 当双臂电桥平衡时 VB VC 所以存在下列关系 Rx和 RN虽然很小 但由于存在 rb rc 也很小的支路 所以 Ix很大 Rx和 RN的压降不能忽略 I1R1 IxRx I3R3 I1R2 IxRN I3R4 Ix I3 rb rc I3 R3 R4 解得 RX RN 1 2 4 3 4 1 2 3 4 只要满足 的条件 双臂电桥的平衡条件就转为 RX RN 注意 R1是靠近 Rx 侧 1 2 3 4 1 2 11 的电阻 所以最大限度保持 和减小 r 将能控制平衡电桥的误差在允许范围捏 1 2 3 4 因为RX和RN的接触电阻 连接线电阻在桥路意外 不影响测量结果 以及可以采用同轴 调节 使 R1 R2和R3 R4分别构成双臂电桥的两个桥臂 它们的阻值在几百欧以 1 2 3 4 上 所以它们连接线电阻和内部接触电阻可以忽略不计 在普通双臂电桥的基础上 配上交流扼流圈和控制开关 可制成带电测温电桥 3 交流电桥 1 交流电桥的平衡条件 Uac Uad 且 Ucb Udb 且 I1 I2且 I3 I4 所以 I1Z1 I4Z4 且 I2Z2 I3Z3 且 I1 I2且 I3 I4 所以 得到 Z1Z3 Z2Z4 这就是交流电桥的平衡条件 1 2 4 3 Z1Z3 Z2Z4 即 Z1 Z3 Z2 Z4 且 1 3 2 4 2 交流电桥的用途 海氏电桥 测量 R C L 九 九 半导体半导体 本征半导体本征半导体是由单一元素组成的半导体 硅和锗都是本征半导体 当原子最外层由 8 各电子时 就处于相对稳定的状态 硅原子和锗原子的最外层 都是只有 4 各电子 为了保持稳定 相邻原子公用最外层电子形成共价键结构 一旦受到某种能量的激发 共价键中的电子挣脱出来形成自由电子 并在原来的 共价键结构中留下空穴 自由电子带负电 带有空穴的原子带正电 带正电的原子称 为正离子 但不是所有带有空穴的原子都带正电 在半导体材料加上电压时 自由电子挤走邻近原子中的电子形成电子电流 空穴 吸引邻近原子中的电子来填补空穴形成空穴电流 自由电子和空穴称为载流子 本征半导体的导电能力很差 如在本征半导体中掺入微量其他元素 则其导电能 力将大大提高 N N 型半导体型半导体 在硅或锗中掺入少量 5 价的磷 则在稳定的共价键外多出一个电子 12 这样电子很容易受到激发称为自由电子 并在原地留下一个正离子 这种半导体中自 由电子占多数 称之为电子半导体或 N 型半导体 P P 型半导体型半导体 在硅和锗中掺入少量 3 价的硼 则在稳定的共价键中缺少一个电子 这样很容易吸引邻近原子的外层电子而构成负离子 并使邻近的原子带有空穴 这种 半导体空穴占多数 称之为空穴半导体或 P 型半导体 1 1 PNPN 结结 1 PN 结的形成 多数载流子扩散 产生扩散电流 正向电流 形成空间电荷区 并产生内电场 内电场使电荷回流并组织扩散 平衡时形成耗尽层 内电场使少子漂移 少子漂移的方向与多子扩散的方向刚好相反 扩散使空间电 荷区变宽 内电场增强 对多数载流子扩散的阻力增大 使少数载流子的漂移运动增 强 而漂移却使空间电荷区变窄 电场减弱 又使扩散容易进行 2 PN 结单向导电性 正向偏置 内电场减弱 扩散电流增大 在外加电场作用下 PN 结内部扩散与漂移的平衡被打破 P 区的多数载流子空穴 和 N 区的多数载流子电子都要向 PN 结移动 P 区的空穴进入 PN 结厚 将和原来 PN 结 中的一部分负离子中和 使 P 区的空间爱你电荷减少 同样 N 区的电子进入 PN 结厚 将和 PN 结中的一部分正离子中和 使 N 区的空间电荷量减少 最终结果是使 PN 结空 间电荷区变窄了 内电场被减弱 13 反向偏置 内电场增强 只有极小的漂移电流 漂移电流受温度的影响很大 在这一外电场作用下 P 区中的多子空穴与 N 区中的多子电子都将进一步离开 PN 结 使阻挡层的空间电荷量增加 空间电荷区的变宽 意味着阻挡层厚度加宽 使 P 区和 N 区的多数载流子很难越过 PN 结 不能再形成扩散电流 另外 由于外电场增强 了内电场 将使少数载流子的漂移运动能容易进行 由于少子的浓度低 漂移的数量 小 这个反向漂移电流也是很小的 一般为微安数量级 2 2 半导体二极管半导体二极管 1 结构 二极管的结构主要分为点接触型 多外锗管 和面接触型 多为硅管 两类 点接触型的 PN 结的面积小 极间电容小 不能承受高的反向电压和大电流 它的 高频性能好 适用于高频检波和数字电路中的开关元件及小电流整流 面接触型的 PN 结的面积大 可承受较大的电流 但极间电容也大 工作频率不能 太高 适用于低频电路和大功率整流 2 伏安特性 14 正向特性 起始部分电流几乎为零 当正向电压升高导超过死区电压 锗管约 0 1V 硅管约 0 5V 时 二极管开始导通 电流急剧增加 且电流与电压近似成正比 伏安特性近似为直线 导通区域称线性区 是二极管正常工作的区域 正常情况下 锗管的正向导通压降为 0 2 0 3V 硅管的正向导通压降为 0 6 0 7 幅 反向特性 在击穿范围内 反向电流极小 而且基本不变 此反向电流称为反向 饱和电流 当反向电压超过击穿电压时 PN 结被反向击穿 形成很大的反向电流 3 主要技术参数 最大整流电流 IF 二极管在长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 是受发 热限制的电流 电流过大时 有时会出现热击穿 而使管子烧毁 最高反向工作电压 URM 二极管运行时允许承受的最高反向电压 为了避免二极管 被反向击穿 一般规定其最高反向工作电压为其反向击穿电压的 1 2 或 2 3 一般点接触型二极管的最高反向工作电压为几十伏 面接触型二极管的最高反向 电压可达数百伏 最大反向电流 IRM 二极管在加上最高反向工作电压时的反向电流值 该值越大 说明管子的单向导电性越差 而且受温度的影响大 硅管的反向电流较小 一般在零点几各微安 锗管反向电流较大 为数十至数百 微安 最高工作频率 fM 此参数主要有 PN 结的结电容决定 使用时 如果信号频率超过 该频率 二极管的单向导电性将变差 甚至失去单向导电性 4 其他 半导体二极管可用作整流 检波 限幅 稳压 开关元件 3 3 半导体三极管半导体三极管 1 结构 平面型多为硅管 合金型多为锗管 NPN 型多为硅管 PNP 型多为锗管 15 三极管的三个电极分为称为发射极 E 极 基极 B 极 集电极 C 极 发射极 与基极之间的 PN 结称为发射结 基极与集电极之间的 PN 结称为集电结 三极管属于双极性半导体器件 2 特性 输入特性输入特性是集电极 发射极电压一定 UCE 常数 时 输入回路中电流 IB与基极 发射极电压 UBE 之间的关系曲线 IB f UBE 三极管的输入特性与二极管的正向特性相似 三极管也有死区电压 硅管的死区 电压约为 0 5V 锗管的死区电压不超过 0 2V 正常工作时 NPN 型硅管的发射结正向 压降 UBE 为 0 6 0 7 PNP 型锗管的 UBE 为 0 2 0 3V 当 UCE 0 时 相当于集电极和发射极之间短路 可视为集电结 发射结两个 PN 结并联 即两个正向偏置的二极管并联 此时 IB和 UBE之间的关系曲线与两个正向偏 置的二极管的伏安特性曲线相同 当 UCE 1V 时 输入特性曲线右移 这是因为当 UCE 1V 后 UBE一般都小于 0 8V 集 电结已被反向偏置 内电场被加强 可以把从发射区注入基区的电子绝大部分拉入集 电区 对应于相同的 UBE 流向基极的电流 IB比原来 UCE 0 时减小 从而使得特性曲线 右移 一旦有 UCE 1V UBE要小于 UCE 由于此时集电结已经反向偏置 内电场已足够大 而基区又很薄 可以把发射区注入基区的大部分电子拉入集电区 只要 UBE保持不变 发射区发射到基区的电子数目一定 即使 UCE再增加 IB也不会明显减小 因此 UCE 1V 后的特性曲线基本重合 输出特性输出特性是指当电路输入回路电流 IB一定 IB 常数 时 输出回路中电流 IC与 集电极 发射极电压 UCE之间的关系曲线 IC f UCE 三极管的输出特性的三个区 截止区截止区 在特性曲线 IB 0 以下的区域为截止区 由图可知 当 IB 0 时 IC却 并不为零 这时管子中由一个很小的反向漂移电流 截止区的偏置特征是 发射结反向偏置 集电结亦为反向偏置 放大区放大区 IB 0 且 UCE UBE 特性曲线接近水平 即 IC几乎与 UCE无关 IC与 IB 几乎保持线性关系 IC IB 放大区的偏置特征是 发射结正向偏置 集电结反向偏置 饱和区饱和区 UCE UBE IB失去对 IC的控制 集电极电流 IC受集电极 发射极电压 UCE控制 饱和区的偏置特征是 发射结正向偏置 集电结正向偏置 当 UCE从 1V 开始减小时 由于 UCE的减小 加在集电结上的反向偏置电压减小 16 使其收集电子的能力减弱 这时 它无力将基区中靠近集电结一侧的电子大部 分都拉入集电区 而只能拉过一小部分 在这种情况下 即使 IB再增大 IC也 不会增大了 注入基区的电子再增多 内电场却再也拉不过去其他的电子了 即集电结吸引来自发射区电子的能力 饱和 了 3 主要技术参数 电流放大系数电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 直流 与交流 在意义上是不同的 但是 当输出曲线的间隔比较均匀时 两者数 值相差不大 可以认为 极间反向电流极间反向电流 集电极 基极反向饱和电流 ICBO 发射极开路 ICBO是少子的漂移电流 它与温度关系极大 这是一个可以表征集电 结质量好坏 衡量管子稳定性能优劣的参数 一个好管子 ICBO应当很小 在管子发射极开路时 集电结处于反向偏置时 集电区和基区的少子会进行漂移 运动而形成反向电流 又由于基区本来载流子数目就少 其少子数目更少 可将基区 少子自由电子忽略 而只考虑集电区的少子空穴 集电极 发射极反向饱和电流 ICEO 穿透电流 基极开路 ICEO 1 ICBO 基极开路 集电极电源 EC加在管子集电极与发射极之间 而使发射结受到正向偏 置 集电结受到反向偏置 几个极限参数几个极限参数 集电极最大允许电流 ICM 当集电极的电流 IC太大时 三极管的 值要下降 因此给出一个集电极最大允许 电流 ICM 其数值一般为 值下降导其正常值的 2 3 时 所对应的集电极电流值 集电极最大允许击穿电压 U BR CEO 基极开路时 允许加在集电极 发射极之间的最高反向电压 当加在集电极 发射 极之间电压 UCE超过此数值时 三极管将被击穿 17 集电极最大允许耗散功率 PCM 指集电结允许损耗功率的最大值 PCM 主要受结温的限制 PCM ICUCE 一般的说 锗管的允许结温在 70 90 硅管的允许结温可达 150 左右 4 4 结型场效应管结型场效应管 1 结构 栅极 G 代表控制电子流通数量的机构 源极 S 和漏极 D 代表了电子由发源处流 到泄漏处的途径 场效应管属于单极性半导体器件 符号中的箭头方向都是由 P 区指向 N 区的 由此可以区分其沟道类型 2 特性 以 N 沟道结型场效应管为例 输出特性输出特性 场效应管的输出特性 又称为场效应管的漏极特性 是指在栅源电压 UGS一定的情况下 UGS 常数 漏极电流 ID与漏源电压 UDS之间的关系 ID f UDS 场效应管的输出特性的三个区 可变电阻区可变电阻区 电压 UDS UGS off 的区域 漏极电流 ID随 UDS的升高几乎成正 比的增大 该区域的特性曲线亦呈线性上升 工作在该区域的场效应管可看成是一个受栅源电压 UGS控制的可变电阻 UGS越 18 负 等效电阻越大 饱和区饱和区 当 UDS在增大的过程中 达到某一数值 使栅漏间的电压 UGD等于夹断 电压 UGS off 时 沟道在 A 点给夹断 称为预夹断 随着 UDS上升 夹断长度 会略有增加 并自 A 点向源极方向延伸 高阻区变长 增加的 UDS基本上全 部都降在了增长的夹断区上 因此在从源极导夹断处的沟道上 沟道内电位梯 度基本上不随 UDS的改变而改变 这样 漏极电流 ID也就基本不随 UDS的增加 而增加 漏极电流趋于饱和 由于在此区内 ID基本上为只受 UGS控制的某一个恒定值 故该趋于又称恒流区 击穿区击穿区 将 UDS进一步增加 当反向偏置的 PN 结两端的电压超过了它所能承受 的电压极限时 会使栅漏间的 PN 结发生雪崩击穿 转移特性与转移特性方程转移特性与转移特性方程 当 UDS一定时 UDS 常数 栅源电压 UGS对漏极电流 ID 的控制作用 ID f UGS UGS 0 时的漏极电流称为饱和漏电流 记作 IDSS 显然 它是结型场效应管所能输 出的最大电流 使漏极电流 ID等于 0 的电压就是使夹断电压 UGS off 主要直流参数主要直流参数 夹断电压 UGS off 为了便于测量手册上规定 当 ID为一个微小的电流 例如 50 A 时 栅源之间 所加的电压即为夹断电压 对 N 沟道结型场效应管而言 该电压为负值 对 P 沟道的 器件 该电压为正值 从物理意义上说 夹断电压的数值就是使栅源之间耗尽层扩展 导沟道被夹断时所必须的栅源电压值 在 UGS 0 的输出特性曲线上 发生预夹断时的漏 源电压 UDS在数值上也等于夹断电压 UGS off 饱和漏电流 IDSS 在 UGS 0 时 漏源电压 UDS UGS off 时的漏极电流 称为饱和漏电流 IDSS 对结型场效应管而言 饱和漏电流实际上也就是管子所能输出的最大电流 直流输入电阻 RGS DC 19 在漏源两极短路即 UDS 0 时 栅源电压 UGS 一般取 UGS 10V 与栅极电流的比 值 即为 RGS DC 由于输入端为反向偏置的 PN 结 该电阻值很大 结型场效应管的 RGS DC 可大于 107 主要交流参数主要交流参数 低频跨到 gm 在 UDS 常数时 漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压 UGS的微变量值比 gm的物理意义就是栅极电压 UGS每变化 1V 看看漏极电流 ID变化几个 mA gm 跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力 即放大能力 它相当于转移特性 曲线上工作点处的斜率 单位为毫西门子 交流输出电阻 rds 指输出特性曲线上某一点斜率的倒数 它的大小反映了 uDS对 iD的影响 极限参数极限参数 漏源击穿电压 U BR DS 栅源击穿电压 U BR GS 最大耗散功率 PDM PDM UDSID 5 增强型 N 沟道 MOS 管 6 耗尽型 N 沟道 MOS 管 20 十 十 放大电路基础放大电路基础 三极管放大电路的组成原则就是利用三极管的电流放大作用 再配合上适当的外 电路 使小信号能输入 被放大了的信号能输出 这样就可以组成电压放大电路 1 基本放大电路 21 图中 EB Rb2 ECC就是用来给管子发射结提供正向偏置 集电结提供反向偏置的 为了使信号能够加到放大电路上来 则将输入信号经大电容 C1加到管子的发射 结上 这样的变化将导致管子发射结电压 UBE的变化 从而引起 IB的变化 由于管子 的电流放大作用 IC随之而变化 如果不加电阻 RC 那么虽然 IC随 Ui变化 但管子 C E 两端的电压 UCE总等于 EC 因而信号无法输出 为了能使信号输出 电路中加了 负载电阻 RC RC的作用时将变化的电流 IC转换成变化的电压输出 此时 UCE EC ICRC 当 IC变化时 UCE将随之而变 为了将变化的信号输出 可将电压 UCE经大电容 C2加到 负载电阻 RL上 RL上得到的电压即为交流输出电压 这里电容 C1 C2称为耦合电容 其作用是将直流隔断而使交流信号可以通过 C1 C2一般容量为几十 一百 F 均为电解电容器 这是一种极性电容器 其代表符 号是电容符号旁加一个 号 在接入电路时 极性端应接在电路的高电位侧 如 C1 接 EB的正极性端 C2 接在 EC的正极性端 如果极性接反 则电容的漏 电大且击穿电压降低 容易被击穿而造成事故 由于 C1 C2容量较大 因此对一般的 交流信号 如几百 Hz 以上的信号 其容抗值很小 可以看作是短路 RB的作用有二 一是改变 RB可以改变静态 IB的值 因为发射结正向导通时 UBEQ约 等于 0 7V 硅管 考虑静态时的 IB时 即 IBQ 忽略管子内阻 则电流 IB EB 0 7 RB 故 RB变 IB随之而变 二是加 RB 大电阻 信号才能输入 否则输入信 号将被 EB短路 当加入交流信号以后 管子各点电压电流均为一个直流加一个交流 设为正 弦信号 其瞬时值的表达式为 ui UImsin t V 此时加在管子发射结上的电压 uBE 为电容 C1上的电压 UBEQ和输入信号之和 即 uBE UBEQ UImsin t 在 UBEQ作用下产生 直流电流 IBQ 在交流电压作用下产生交流电流 ib 则总的 iB为 iB IBQ ib IBQ IBMsin t 集电极电流 iC比 iB大 倍 即 iC iB IBQ IBMsin t ICQ ICMsin t 应当指出 此时流入管子集电极的这个电流 iC是由两路合成的 一路是由 EC经 RC 流入的 它包括直流电流 ICQ和交流电流 ICMsin t 的一部分 用 表示 另一路是电 22 容 C2上的电压 UCEQ经管子和 RL放电产生的电流 这一路只有交流电 ICMsin t 的其余 部分 用 表示 这一路电流产生的原理是由于 C2容量很大 充放电很慢 在信号 的一个周期内 C2两端电压基本不变 因此在正半周时 iB增加 iC增加 uCE下 降 即管压降 uCE减小 小于静态时 UCEQ的值 故引起经管子和 RL放电 产生电流 2 则此时的管压降 uCE EC ICQ RC EC ICQRC RC 其中 是交流电流 ICMsin t 的 一部分 可写成 iC ICMsin t ICMsin t ICMsin t 注 交流忽略电容 C2 直流源内阻近似于 0 将 的表达式和 UCEQ的表达式带入式 uCE EC ICQ RC EC ICQRC RC 得 uCE UCEQ ICMsin t RC UCEQ ICMsin t 如果令 则 uCE UCEQ iC 注 iC为纯交流 经电容 C2 隔直厚 输出电压的瞬时直表达式为 uO iC 改用正弦有效值表示 由于比大了 倍 则选取适当的电阻 就可使比大几十导几百倍 实现了 小信号的电压放大 式中的负号表示输出与输入相位相反 非线性失真与最大不失真输出幅度非线性失真与最大不失真输出幅度 U UoM oM 所谓不失真 就是输出信号与输入信号应时几何上的相似形 如果不相似 则产 生了失真 严格的讲 由于三极管特性曲线的非线性 即使输入信号较小 工作点选 择合适 输出信号也会有一定程度的失真 不过失真很小 可以忽略 但是 如果工 作点选择不当或输入信号过大 输出信号波形将会产生严重失真 这种失真是由于电 路的工作范围超出了三极管特性曲线的线性区而引起的 称为非线性失真 截止失真 因管子一段时间截止而引起的失真 称为截止失真 波形一端被削掉 饱和失真 因管子一段时间工作在饱和区引起的失真 称为饱和失真 波形另一 端被削掉 三极管的小信号线性模型三极管的小信号线性模型 23 对交流而言 三级管输入段 b 到 c 看 相当于一个电阻 rbe 当 ube的方向如图 所示时 ib的方向为从 b 流向 e 即 rbe 由于三极管的电流放大作用 集电极电流 ic将是 ib的 倍 ic方向为从 c 流到 e 故从三极管输出端看入 ie为受 ib控制的受控电流源 ib 但从三极管的输出特性 曲线上看 曲线在放大区中并不是与横轴平行的 当 IB不变 而 UCE有一个增量时 IC的值也略有增加 也就是说 从输出端看 ic除受 ib控制外 当 uce 变化时 ic 也 随之有微小的变化 即相当有一个电阻与受控电流源 ib并联 磁电阻为 c 到 e 的动 态电阻 记作 rec 这样就得到了三极管的小信号线性模型 微变等效模型 由于等效模型没有考虑管子的结电容 故只对低频适用 动态输入电阻 rbe rbe 300 1 26 电流放大系数 值在 20 200 之间 一般给出 如果未给 也可从输出特性上求出 当 UCE UCEQ时 动态输出电阻 rce rce的值很大 一般约为 100 200k 可由厄雷公式计算 rce 100 共射放大电路的直流通路及静态工作点参数的计算共射放大电路的直流通路及静态工作点参数的计算 计算静态工作点参数 IBQ ICQ和 UCEQ的目的有两个 一个是看静态工作点 Q 的位置 是否合适 即 UCEQ 1 3 2 3 UCC较为合适 Q 点过高过低都将使管子的动态工作范围 最大不失真输出幅度 UoM 减小 容易产生非线性失真 另一个目的则是用 ICQ计算 rbe 有了 rbe才能用三极管的微变等效模型画出放大电路的微变等效电路 通过计算的 方法求解放大电路的动态性能指标 ri ro等 计算静态工作点的方法 首先时画出放大电路的直流通路 即在输入信号 0 时 直流电流流通的道路 在静态 0 时 电容 C1 C2对直流相当于开路 然后把 UBE 当常数 列出该电路输入回路的直流方程 即可解出 IBQ 算出 ICQ和 UCEQ 因为三极管 在正常工作时 发射结正向导通压降即 UBEQ的值 对于 NPN 硅管 UBEQ约为 0 6 0 7V PNP 锗管约为 0 2 0 3V 可以把此值当做常数 用估算法近似求解 IBQ ICQ IBQ UCED UCC ICQRC 共射放大电路的交流通路及动态性能指标共射放大电路的交流通路及动态性能指标 r ri i r ro o的计算的计算 三极管的微变等效模型只对交流小信号等效 因此对与共射放大电路 去掉直流 只看交流时 可以画出交流电流流通的道路 由于 C1 C2这种容量较大的电容对交流 容抗很小 可以看成是短路 直流电源 EC对交流内阻可看成是零 即 UCC到地也是短 路的 24 有了交流通路后 只要用管子的微变等效模型去代替交流通路中的管子 如图 计算电压放大倍数 由于 rbe所以 r 输入电阻 ri ri Rb rbe 输出电阻 ro ro的定义是去掉负载 RL 因为 RL是外界的 不属于放大电路 而由输出端向放大 电路部看入的动态视在电阻 ro rce RC RC 由于 rce很大 约 100 200k RC约几千欧 故上式成立 源电压放大倍数 源电压放大倍数是指输出电压的有效值与信号源电压的有效值之比 2 分压偏置稳定共射放大电路 固定偏流电路工作点之所以不稳定 是因为 IBQ恒定 本电路在设计时 RB1 RB2取 值较小 使流过 RB1的电流 I1比 IBQ大得多 即 IBQ与 I1 相比可以忽略不计 则 B 点点位 UB基本稳定 由于 UB不变 而 UE随温度升高而加大 则发射结电压 UBE UB 25 UE将随温度升高而减小 UBE减小 导致 IB减小 IB减小又使 IC回路 即 ICQ的值 就不会有太大变化了 分压偏置稳定共射放大电路的静态分析分压偏置稳定共射放大电路的静态分析 IBQ 其中 EB UCC RB 1 2 1 2 1 2 ICQ IBQ UCED UCC ICQ RC RE 分压偏置稳定共射放大电路的动态分析分压偏置稳定共射放大电路的动态分析 计算电压放大倍数 r