模拟电子电路分析与应用

书名：模拟电子电路分析与应用作者：潘春月ISBN：978-7-111-42701-8定价：24.00出版社：机械工业出版社层次：高职高专,项目1简易充电器的制作与调试,1.1项目导入1.2项目实施条件1.3相关知识与技能1.4项目制作与调试1.5项目总结与评价1.6习题,1.1项目导入,图1-1简易充电器电路图,1.知识目标,1.1项目导入,1)了解简易充电器的基本组成及其主要性能指标。2)熟悉二极管的结构、符号、分类及性能。3)熟悉二极管在实际电路中的应用。4)掌握二极管构成的桥式整流电路及电容滤波电路的参数测试方法。5)了解电容滤波电路的工作原理。6)熟悉发光二极管的应用。2.能力目标1)学会查阅整流二极管、电容及发光二极管等元器件的相关资料。2)能够对电阻、电容、二极管及小型电源变压器等元器件进行检测及质量判别。,1.1项目导入,3)学会简易充电器的安装与调试。4)了解简易充电器指标的测量方法，能对简易充电器故障进行检修。,1.2项目实施条件,表1-1元器件清单,1.3相关知识与技能,1.3.1PN结的基本知识1.半导体的导电性能2.半导体的本征激发与复合现象3.N型半导体和P型半导体,图1-2N型半导体,1.3相关知识与技能,图1-3P型半导体,4.PN结的形成及其单向导电性,1.3相关知识与技能,图1-4PN结的形成,1.3相关知识与技能,图1-5PN结的单向导电性,5.PN结的伏安特性6.PN结的温度特性7.PN结的电容效应,1.3相关知识与技能,图1-6二极管结构原理图与图形符号,1.3相关知识与技能,1.3.2半导体二极管1.半导体二极管的结构和类型,图1-7二极管的结构,2.二极管的伏安特性,1.3相关知识与技能,图1-8二极管的伏安特性曲线,(1)正向特性当UD0时，处于正向特性区域。,1.3相关知识与技能,1)当0UDUon时，正向电流很小(几乎为零)，这个区称为死区，Uon称为死区电压或开启电压，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的约为0.1V，参见图1-8中的OA(OA)段。2)当UDUon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，这个区称为导通区。(2)反向特性当UD0时，即处于反向特性区域。1)当UBRUD0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流称为反向饱和电流，用IS表示。2)当UDUBR时，反向电流急剧增加，这个区域称为击穿区，UBR称为反向击穿电压。3.温度对二极管伏安特性的影响,1.3相关知识与技能,图1-9温度对二极管特性曲线的影响,1.3相关知识与技能,4.二极管的主要参数1)最大整流电流IFM：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。2)最高反向工作电压URM：二极管工作时允许外加的最大反向电压值(峰值)。3)反向电流IR：在室温下，二极管未击穿时的反向电流。4)最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率。,1.3相关知识与技能,表1-2几种常见普通整流二极管和检波管,5.二极管使用常识(1)二极管的型号国家标准(GB/T2491989)规定，国产半导体器件的型号由5部分组成。,1.3相关知识与技能,图1-10国产二极管的命名方法,1.3相关知识与技能,表1-3半导体器件型号组成部分的符号及其意义,(2)二极管极性判别及质量检测二极管的阳、阴极一般在二极管,1.3相关知识与技能,管壳上有识别标志，有的印有二极管的电路符号；对于1N系列的塑料、玻璃封装的二极管，靠近色环(通常为白色)的引脚为阴极；对于变容二极管、发光二极管等，管脚引线较长的为阳极；对于极性不明的二极管，可用万用表检测判断。1)用指针式万用表检测。,图1-11指针式万用表测二极管正、反向电阻,1.3相关知识与技能,2)用数字式万用表检测。6.二极管的电路模型(1)理想模型当二极管的正向压降远小于外接电路的等效电压，相比可忽略时，常用与坐标轴重合的折线近似代替二极管的伏安特性，如图1-12a所示，这样的二极管称为理想二极管。(2)恒压降模型当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略时，可采用图1-12b所示的伏安特性曲线和模型来近似代替实际二极管，该模型由理想二极管与接近实际工作电压的电压源UF串联构成，UF不随电流而变。,1.3相关知识与技能,图1-12理想模型和恒压降模型,1.3相关知识与技能,图1-13小信号模型的伏安特性,1.3相关知识与技能,图1-14例1-1图,(3)小信号电路模型在微小变化范围内可将二极管近似看成线性,1.3相关知识与技能,器件，即可将它等效为一个动态电阻rd。(1)用理想模型(2)用恒压降模型1.3.3特殊二极管1.稳压管(1)稳压管的结构及特性稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。,图1-15稳压管的伏安特性及图形符号,1.3相关知识与技能,(2)稳压管的主要参数1)稳定电压UZ：指稳压管通过规定的测试电流时，稳压管两端的电压值。2)最大稳定工作电流IZM和最小稳定工作电流IZmin：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZM=UZIZM,而IZmin对应UZmin。3)额定功耗PZM：PZM=UZIZM，超过此值，稳压管会因结温升太高而烧坏。4)动态电阻rZ：稳压管两端电压变化量与相应电流变化量的比值，即rZ=UZIZ，rZ越小，则稳压管的击穿特性越陡，稳压效果越好。5)电压温度系数CTV：温度的变化将使UZ改变，CTV表示温度每增加1时UZ改变的百分数，即CTV=/T100%。,1.3相关知识与技能,(3)稳压管稳压电路稳压管在工作时应反接，并串入一只限流电阻。,图1-16稳压管应用电路,1.3相关知识与技能,1)输入电压变化时如何稳压？根据图1-16可知,1Z2.TIF,2)负载电流变化时如何稳压？负载电流Io的增加，必然引起IR的增加，即UR增加，从而使UZ=Uo减小，IZ减小。,1Z3.TIF,(4)限流电阻的计算稳压管稳压电路的稳压性能与稳压管击穿特性的动态电阻有关，与限流电阻R的阻值大小有关。1)当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压管的电流最小。,1.3相关知识与技能,2)当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压管的电流最大。2.光敏二极管,图1-17光敏二极管的图形符号,3.发光二极管,1.3相关知识与技能,(1)发光二极管的特性与种类普通发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快及寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。,图1-18发光二极管常见外形及图形符号,1.3相关知识与技能,(2)发光二极管的主要参数常用的型号有BT101、BT20l、BT301(红色)、BT104、BT204、BT304(黄色)、BT103、BT203及BT303(绿色)等。1)电学参数主要有工作电流、最大工作电流、正向压降及反向耐压。2)光学参数包括发光波长及发光亮度等。(3)发光二极管驱动电路发光二极管可以用直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。,图1-19电源驱动电路,1.3相关知识与技能,1.3.4半导体二极管的应用1.单相半波整流电路(1)单相半波整流电路,图1-20单相半波整流电路,1.3相关知识与技能,图1-21单相半波整流波形,(2)工作原理分析设二极管为理想二极管，,1.3相关知识与技能,即正向导通压降和正向电阻为零，反向电阻为无穷大；并且忽略变压器的内阻。(3)单相半波整流电路参数计算1)输出电压平均值Uo：2)输出电流平均值Io：3)二极管的平均电流ID：4)二极管所承受的最大反向电压UDRM：2.单相桥式整流电路,图1-22单相桥式整流电路,1.3相关知识与技能,(1)单相桥式整流电路组成单相桥式整流电路如图1-22所示。,图1-23单相桥式整流波形,1.3相关知识与技能,(2)工作原理分析设二极管为理想二极管，即正向导通压降和正向电阻为零，反向电阻为无穷大；并且忽略变压器的内阻。(3)单相桥式整流电路参数计算1)输出电压平均值Uo：2)输出电流平均值Io：3)二极管的平均电流ID：4)二极管所承受的最大反向电压UDRM：3.滤波电路(1)电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路如图1-24所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。,1.3相关知识与技能,图1-24单相桥式整流电容滤波电路,1.3相关知识与技能,图1-25电容滤波电路输出电压波形,1)滤波原理。2)电容滤波电路参数的计算。,1.3相关知识与技能,输出电压Uo。为了获得良好的滤波效果，工程上一般要求放电时间常数满足滤波电容的选择。为了获得较好的滤波效果，滤波电容的容量要选择大些，通常按照式(1-18)和式(1-19)来选滤波电容。二极管的选择。当滤波电容进入稳态工作时，电路的充电电流平均值等于放电电流的平均值，因此二极管的最大整流电流应大于正向整流电流平均值：3)外特性。,图1-26桥式整流电容滤波电路的输出特性,1.3相关知识与技能,(2)电感滤波电路电感滤波主要利用电感中的电流不能突变的特点，使输出电流波形比较平滑，从而使输出电压的波形也比较平滑，故把电感与整流电路的负载L相串联，可以起到滤波的作用。(3)复式滤波电路为了进一步提高滤波效果，可将电感和电容组成复式滤波电路，常用的有RC-形、LC-形和LC-形复式滤波电路，如图1-29a、b、c所示。,图1-27电感滤波电路,1.3相关知识与技能,图1-28电感滤波波形图,1.3相关知识与技能,图1-29复式滤波电路,表1-4各种滤波电路的性能比较,4.半导体二极管限幅电路,1.3相关知识与技能,(1)单向限幅,图1-30单向限幅电路,1.3相关知识与技能,(2)双向限幅电路图1-32所示的双向限幅电路中，交流输入电压ui和直流电压E1都对二极管VD1起作用；相应的VD2也同时受ui和E2的控制。,图1-31二极管单向限幅电路输出波形,1.3相关知识与技能,图1-32二极管双向限幅电路,1.3相关知识与技能,图1-33二极管双向限幅电路输出波形,1.4项目制作与调试,1.4.1项目原理分析1.4.2元器件检测1.电源变压器的检测,表1-5直流电阻测试值(单位：),表1-6绝缘电阻测试值(单位：),2.整流二极管的检测,1.4项目制作与调试,表1-7二极管测试数据(单位：),3.电容的检测,表1-8电容检测,4.电阻的检测,表1-9电阻检测,1.4.3电路安装与调试1.电路组装的基本步骤,1.4项目制作与调试,1)电路的组装一般按照信号的流程进行，本充电器可以按电源进线熔座整流电电容滤波电路发光二极管指示电路限流电阻输出的顺序来组装元器件。2)电路板中各元器件的装配按照“先低后高、先内后外”的原则，先焊整流二极管，再焊电阻、电容、发光二极管，最后焊变压器、熔断器等，谨记电路所有元器件应正确装入通用电路板适当位置，焊接时无错焊、漏焊、虚焊现象发生即可。2.电路组装的工艺要求1)组装之前，应对元器件进行整形等工艺处理。2)电阻的组装可采用贴紧组装(无间隙组装方式)，电容器均采用直立组装方式，而对大容量的电容器，则应在其引脚处加衬垫以防止其歪斜。,1.4项目制作与调试,3)对于整流二极管的组装：本项目所用二极管为1N4007，采用卧式有间隙组装方式，使二极管离开电路板0.51cm，以利于二极管工作过程中的散热。4)电源变压器的组装：将电源变压器放在支架上，并用螺钉将其固定。3.电路测试1)仔细检查、核对电路与元器件，确认无误后加入规定市电电压。2)用示波器观测变压器二次侧输出电压波形，看输出信号幅值是否符合要求，此时输出应是幅值为12V左右的交流电压。3)如变压器输出正常，则用示波器观测整流电路的输出情况，此时输出应为脉动的直流信号。,1.4项目制作与调试,4)用示波器观测滤波电路输出是否为较为平滑的直流信号，用交流挡观察应为锯齿波。5)测试输出电压是否符合技术要求。1.4.4实训报告,1.5项目总结与评价,1.5.1项目总结1)半导体二极管是由PN结构成的，PN结具有单向导电性，即正向偏置导通，反向偏置截止。2)整流电路利用半导体二极管的单向导电特性，将交流电转换成单向脉动直流电。3)稳压管是一种特殊二极管，它的反向击穿特性较陡，通常工作在反向击穿区。4)发光二极管和光敏二极管也是特殊二极管，在使用时发光二极管必须正向偏置，而且必须串联限流电阻才能正常使用。1.5.2项目评价,1.5项目总结与评价,表1-10项目1评价表,1.6习题,1.填空题(1)理想二极管的正向电阻为，反向电阻为。(2)在N型半导体中，多子是，少子是；在P型半导体中，多子是，少子是。(3)半导体中有和两种载流子参与导电，其中带正电，而带负电。(4)普通硅二极管的正向导通压降范围大约为V，在工程估算中一般取V；锗二极管的正向导通压降范围大约为V，在工程估算中一般取V。(5)在相同温度下，硅二极管的反向饱和电流比锗二极管的。(6)如果将10V的直流电压源的正、负端直接接在发光二极管的正、负两极，则将使发光二极管。,1.6习题,(7)如用交流电压表测得变压器二次侧的交流电压为20V，经桥式整流后，则在纯电阻负载两端用直流电压表测出的电压值约为；经桥式整流电容滤波后，直流电压表测出的电压值约为。(8)利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点，可以组成电路。(9)在桥式整流电路中接入电容滤波后，输出电压较未加电容时，二极管的导通角较未加电容时。(10)稳压管通常工作在，当其正向导通时，相当于一只。2.判断题(1)硅二极管正向导通时，其两端的电压很小的变化，会引起电流较大的变化。(2)二极管在反向电压超过最高反向工作电压URM时会损坏。,1.6习题,(3)二极管在工作电流大于最大整流电流IF时会损坏。(4)在变压器二次电压和负载电阻相同的情况下，因为桥式整流电路的输出电流是半波整流电路输出电流的两倍，因此，它们的整流二极管的平均电流比值为21。(5)若电源变压器二次电压的有效值为U2，则半波整流电容滤波电路和桥式整流电容滤波电路在空载时的输出电压均为U2。(6)光敏二极管是受光器件，能将光信号转换成电信号。(7)发光二极管使用时必须反向偏置，光敏二极管则应该正向偏置。(8)二极管在工作频率大于最高工作频率fM时会损坏。(9)当二极管两端正向偏置电压大于死区电压时，二极管才能导通。,1.6习题,(10)在桥式整流电路中，如用交流电压表测出变压器二次侧的交流电压为40V，则在纯电阻负载两端用直流电压表测出的电压约为36V。3.选择题,图1-34选择题(3)图,1.6习题,(1)对2CZ型二极管，以下说法正确的是()。(2)二极管正向电压从0.7V增大15%时，流过的电流增大()。(3)如图1-34所示，电路中二极管是理想的，电阻R为6。(4)加在PN结上的反向电压数值增大时，空间电荷区()。(5)分别用万用表的R100挡和R1k挡测量同一PN结的正向电阻，前者的测量结果应()后者。(6)理想二极管的导通压降为()。(7)利用二极管的()组成整流电路。(8)稳压管工作于正常稳压状态时，其反向电流应满足()。(9)单相桥式整流电路输出电压的平均值为()。(10)在单相半波整流电路中，所用整流二极管的数量是()。4.分析计算题,1.6习题,(1)估算图1-35所示电路中流过二极管的电流ID和A点的电位，设二极管为2CP型，正向导通压降为0.7V。,图1-35计算题(1)图,1.6习题,(2)图1-36所示电路中的二极管均为理想二极管，判断它们是否导通，并求A、O两端电压UAO和流过电路中电阻的电流I。,图1-36计算题(2)图,(3)电路如图1-37所示，输入交流信号ui=10sintmV，电容C对交流信号可视为短路。,1.6习题,(4)二极管双向限幅电路如图1