数字电子基础

数字电子基础第1页，共43页，2023年，2月20日，星期六

面接触性二极管，结面积大，电流大，结电容大，适用于低频整流电路。平面型二极管，结面积较大时可以通过较大电流，适用于大功率整流，结面积较小时，可作为数字电路中的开关管。开启电压Uon：使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon。反向电压：当二极管所加反向电压的数值足够大时，产生反向电流为IＳ。在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下。第2页，共43页，2023年，2月20日，星期六

温度每升高1°C，正向压降减小2~2.5mV；温度每升高10°C，反向电流约增大一倍。结论：二极管对温度很敏感。二极管的主要参数最大整流电流IF：指二极管长期工作，允许通过的最大直流电流。最高反向工作电压UR：指二极管正常使用允许加的最高反向电压。稳压管：稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则击穿。

第3页，共43页，2023年，2月20日，星期六稳压管的主要参数稳定电压UZ：UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳定电流IZ:IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。只要不超过稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。额定功耗PZM：PZM等于稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积。稳压管超过此值时，会因结温升高而损坏。动态电阻rZ：rZ为稳压管工作在稳压区时，稳压管电压的变化量与电流变化量之比，即。rZ愈小，电流变化时UZ的变化愈小，稳压性能愈好。温度系数：表示温度每变化1°C稳压值的变化量。

第4页，共43页，2023年，2月20日，星期六限流电阻：稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻。第5页，共43页，2023年，2月20日，星期六其它类型二极管

发光二极管发光二极管具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，正向电流愈大，发光愈强。光电二极管光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件。光电二极管的工作原理：它是利用PN结外加反向电压时，在光线照射下，改变反向电流和反向电阻，当没有光照射时，反向电流很小，反向电阻很大；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流加大。

第6页，共43页，2023年，2月20日，星期六暗电流：光电二极管在无光照射时的反向电流称为暗电流。明电流：有光照射时的电流称为明电流。

第7页，共43页，2023年，2月20日，星期六二极管参数符号解释

CT---势垒电容Cj---结（极间）电容，表示在二极管两端加规定偏压下，锗检波二极管的总电容Cjv---偏压结电容Co---零偏压电容Cjo---零偏压结电容Cjo/Cjn---结电容变化Cs---管壳电容或封装电容Ct---总电容第8页，共43页，2023年，2月20日，星期六

CTV---电压温度系数。在测试电流下，稳定电压的相对变化与环境温度的绝对变化之比CTC---电容温度系数Cvn---标称电容IF---正向直流电流（正向测试电流）。锗检波二极管在规定的正向电压VF下，通过极间的电流；硅整流管、硅堆在规定的使用条件下，在正弦半波中允许连续通过的最大工作电流（平均值），硅开关二极管在额定功率下允许通过的最大正向直流电流；测稳压二极管正向电参数时给定的电流IF（AV）---正向平均电流IFM（IM）---正向峰值电流（正向最大电流）。在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。发光二极管极限电流。第9页，共43页，2023年，2月20日，星期六

IH---恒定电流、维持电流。Ii---发光二极管起辉电流IFRM---正向重复峰值电流IFSM---正向不重复峰值电流（浪涌电流）Io---整流电流。在特定线路中规定频率和规定电压条件下所通过的工作电流IF(ov)---正向过载电流IL---光电流或稳流二极管极限电流ID---暗电流IB2---单结晶体管中的基极调制电流IEM---发射极峰值电流IEB10---双基极单结晶体管中发射极与第一基极间反向电流

第10页，共43页，2023年，2月20日，星期六IEB20---双基极单结晶体管中发射极向电流ICM---最大输出平均电流IFMP---正向脉冲电流IP---峰点电流IV---谷点电流IGT---晶闸管控制极触发电流IGD---晶闸管控制极不触发电流IGFM---控制极正向峰值电流IR（AV）---反向平均电流 IR（In）---反向直流电流（反向漏电流）。第11页，共43页，2023年，2月20日，星期六

IRM---反向峰值电流IRR---晶闸管反向重复平均电流IDR---晶闸管断态平均重复电流IRRM---反向重复峰值电流IRSM---反向不重复峰值电流（反向浪涌电流）Irp---反向恢复电流Iz---稳定电压电流（反向测试电流）。测试反向电参数时，给定的反向电流Izk---稳压管膝点电流IOM---最大正向（整流）电流。在规定条件下，能承受的正向最大瞬时电流；在电阻性负荷的正弦半波整流电路中允许连续通过锗检波二极管的最大工作电流第12页，共43页，2023年，2月20日，星期六

IZSM---稳压二极管浪涌电流IZM---最大稳压电流。在最大耗散功率下稳压二极管允许通过的电流iF---正向总瞬时电流iR---反向总瞬时电流ir---反向恢复电流Iop---工作电流Is---稳流二极管稳定电流f---频率n---电容变化指数；电容比Q---优值（品质因素）δvz---稳压管电压漂移di/dt---通态电流临界上升率dv/dt---通态电压临界上升率第13页，共43页，2023年，2月20日，星期六

PB---承受脉冲烧毁功率PFT（AV）---正向导通平均耗散功率PFTM---正向峰值耗散功率PFT---正向导通总瞬时耗散功率Pd---耗散功率PG---门极平均功率PGM---门极峰值功率PC---控制极平均功率或集电极耗散功率第14页，共43页，2023年，2月20日，星期六半导体三极管

第15页，共43页，2023年，2月20日，星期六半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或N区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。1947年12月23日，巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士3位科学家在美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，发明了半导体三极管。第16页，共43页，2023年，2月20日，星期六工作原理

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点第17页，共43页，2023年，2月20日，星期六电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。

由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由第18页，共43页，2023年，2月20日，星期六基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β=△Ic/△Ib式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。三极管放大时管子内部的工作原理：

1、发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子第19页，共43页，2023年，2月20日，星期六也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。2、基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。3、集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）第20页，共43页，2023年，2月20日，星期六也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。第21页，共43页，2023年，2月20日，星期六逻辑代数

逻辑代数是分析和设计逻辑电路的数学基础。逻辑代数是由英国科学家乔治·布(George·Boole)创立的，故又称布尔代数。逻辑代数中的几个概念正、负逻辑规定：所有可能出现的数只有0和1两个。正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。逻辑函数：如果有若干个逻辑变量（如A、B、C、D）按与、或、非三种基本运算组合在一起，得到一个表达式L。对逻辑变量的任意一组取值第22页，共43页，2023年，2月20日，星期六（如0000、0001、0010）L有唯一的值与之对应，则称L为逻辑函数。逻辑变量A、B、C、D的逻辑函数记为：L=f(A、B、C、D)

逻辑代数的基本规则代入规则对偶规则反演规则逻辑代数的基本公式基本运算只有“与”、“或”、“非”三种。与运算（逻辑与、逻辑乘）定义为：0·0＝00·1＝01·0＝01·1＝1或运算（逻辑或、逻辑加）定义为：

第23页，共43页，2023年，2月20日，星期六0＋0＝00＋1＝11＋0＝11＋1＝1如果用字母来代替数（字母的取值非0即1），根据布尔定义的三种基本运算，我们马上可推出下列基本公式：A·A＝AA＋A=AA·0＝0A＋0=AA·1＝AA＋1=1第24页，共43页，2023年，2月20日，星期六变频器

变频器（变频调速器）的英文译名是VFD，是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

一、变频器的保护功能

保护功能可分为以下两类：1.检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。

第25页，共43页，2023年，2月20日，星期六2.检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。二、变频器使用中频率与电流关系

任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。由公式E=4.44*K*F*N*Φ可以看出，在变频调速时，电动机的磁路随着运行频率fX是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，

第26页，共43页，2023年，2月20日，星期六因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加。

三、运转时，电机起动电流、起动转矩的关系采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为额定电流6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为第27页，共43页，2023年，2月20日，星期六电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。

四、频率变速范围的意义

根据电机温升和起动转矩的大小等条件，在变速范围内的最低变速频率以上使用变频器，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。在变速范围内的最低变速频率以下使用变频器，此时电动机仍可输出额定转矩却会引起严重的发热问题。

五、开环第28页，共43页，2023年，2月20日，星期六

给所使用的电机装置装设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。无速度传感器闭环控制方式是根据建立的数学模型根据磁通推算电机的实际速度，相当于用一个虚拟的速度传感器形成闭环控制。

六、实际转速与给定速度的偏差

开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%～5%）变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。

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七、再生制动

电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。

八、变频器本身消耗的功率

与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大。第30页，共43页，2023年，2月20日，星期六

九、变频器控制电机运行时间

一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低（低频）则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。

十、变频器的组成

变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容存储转换后的电能。

逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子

第31页，共43页，2023年，2月20日，星期六将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

第32页，共43页，2023年，2月20日，星期六十一、变频器分类

1.按主电路工作方法电压型变频器、电流型变频器

2.按照开关方式分类可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；3.按照用途分类可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。第33页，共43页，2023年，2月20日，星期六

4.按变频器调压方法PAM变频器是一种通过改变电压源Ud或电流源Id的幅值进行输出控制的。PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。

5.按工作原理分U/f控制变频器（VVVF控制）、SF控制变频器（转差频率控制）、VC控制变频器（VectoryControl矢量控制)第34页，共43页，2023年，2月20日，星期六

6.按国际区域分类国产变频器；欧美变频器、日本变频器、韩国变频器、台湾变频器、香港变频器7.按电压等级分类高压变频器、中压变频器、低压变频器第35页，共43页，2023年，2月20日，星期六软启动器

第36页，共43页，2023年，2月20日，星期六启动器（又称软起动器，电机软起动器）软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。一、启动方式运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动。第37页，共43页，2023年，2月20日，星期六在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。

1.斜坡升压软起动这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。2.斜坡恒流软起动这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，第38页，共43页，2023年，2月20日，星期六则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。3.阶跃起动开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。4.脉冲冲击起动在起动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重