电工与电子技术 课件 第5、6章 异步电动机、直流稳压电源

2026/5/141第5章异步电动机2026/5/1425.1

三相异步电动机的机构和工作原理第5章异步电动机5.2

三相异步电动机的电磁转矩与机械特性5.3

三相异步电动机的使用5.4

三相异步电动机的选择5.5

单相异步电动机1.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。本章要求：2.理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的基本方法,了解调速和制动的方法。3.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。第5章异步电动机电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容：

基本结构、工作原理、机械特性、控制方法

电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机2026/5/1451.定子5.1三相异步电动机的结构与工作原理铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁5.1.1三相异步电动机的结构2026/5/146

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)

鼠笼式转子

铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)

绕线式转子

同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式2026/5/147鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。5.1.2旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生oo规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出(

)电流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。动画任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0

to3.旋转磁场的极对数P

当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC2026/5/1415极对数动画旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.旋转磁场的转速工频：

旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ2026/5/1417p=2时02026/5/1418旋转磁场转速n0与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:5.1.3电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。

由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流

转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。2.转差率异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s

例1：一台三相异步电动机，其额定转速

n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为5.2三相异步电动机转矩与机械特性5.2.1电磁转矩

转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数由此得电磁转矩公式由前面分析知：由公式可知电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1

T

2.当电源电压U1一定时，T是

s的函数。3.R2

的大小对

T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转距。5.2.2机械特性OTS根据转矩公式得特性曲线：OT动画1动画电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN三个重要转矩OT额定转矩(N•m)

如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为2.最大转矩Tmax

转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax

，否则将造成堵转(停车)。电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率OTTmax将sm代入转矩公式，可得当U1

一定时，Tmax为定值过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使T2

<Tmax

，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。(2)sm与R2有关，R2

sm

n。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。

3.起动转矩Tst电动机起动时的转矩。起动时n=0时，s=1(2)Tst与R2有关，适当使

R2

Tst

。对绕线式电机改变转子附加电阻

R´2,可使Tst=Tmax

。Tst体现了电动机带载起动的能力。

若

Tst

>T2电机能起动，否则不能起动。OTTst起动能力4.电动机的运行分析

电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。此过程中，n

、s

E2,I2

I1

电源提供的功率自动增加。T2

s

T2>TT=T2n

T

T´2达到新的平衡T2常用特性段TO5.U1和R2变化对机械特性的影响(1)

U1变化对机械特性的影响U

Tm

Tst

T2TO(2)R2变化对机械特性的影响TOR2

Tst

n

硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。TOR2

Tst

n

硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

5.3.1三相异步电动机的起动

起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：起动：

n=0，s=1,接通电源。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

5.3三相异步电动机的使用(1)直接起动

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。(2)降压起动：星形-三角形(Y－

)

换接起动自耦降压起动（适用于鼠笼式电动机）(3)转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）以下介绍降压起动和转子串电阻起动。2026/5/1436设：电机每相阻抗为1.降压起动(1)Y－

换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V1W1W2

+－正常运行U1U2V1V2W1W2Y－

起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点Y－

起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－

起动器接线简图

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2

正常运行Ul+＿U1V1V2W1W22026/5/1440(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－

起动Y－

换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-

换接起动应注意的问题

正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降压起动L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦变压器，降压起动。Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－

起动的鼠笼式异步电动机。2026/5/1442RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

2.绕线式电动机转子电路串电阻起动•2026/5/1443

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点2026/5/1444

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~例1:1)解:

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1450r/min，UN=350V，

N=92.3%，cos

N=0.55，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN

。

2）由nN=1450r/min，可知p=2（四极电动机）3）解：

在上例中(1)如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-

换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的50%和50%时，电动机能否起动？(1)在U=UN时

Tst=551.5N•m>510.2N.m不能起动(2)Ist

=7IN=754.2=559.4A

在U´=0.9UN时能起动例2:在50%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动(3)2026/5/1449例3:

对例5.5.1中的电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist´´和电动机的起动转矩Tst´。解：设电动机的起动电压为U'，电动机的起动电流为Ist

依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流Ist´´。2026/5/14502026/5/1451

采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的

电压与额定电压之比为

x，则线路起动电流Ist"

为电动机的起动转距Tst´为结论：2026/5/14521.变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变频调速方法恒转距调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法5.3.2三相异步电动机的调速2026/5/14532.变极调速

(有级调速)

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSS2026/5/1454A1X1A2X2ii••P=1

采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SN2026/5/1455To3.变转差率调速

(无级调速)

变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nn'••TLTLs

´s••Tso2026/5/14561.能耗制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。5.3.3三相异步电动机的制动2026/5/1457nF转子T

n0=02.反接制动

停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

M3~+-运转制动•RP2026/5/1458M3~运转制动•nF转子T

n05.7.3

发电反馈制动

当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制2026/5/1459动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。nF转子T

n0n>n01.型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机5.4.1三相异步电动机的铭牌数据5.4

三相异步电动机的选择2026/5/1461异步电动机产品名称代号产品名称异步电动机绕线式异步电动机防爆型异步电动机高起动转矩异步电动机新代号汉字意义老代号Y异异绕异爆异起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2

联结2026/5/14633.电压例如：350/220V、Y/

是指线电压为350V时采用Y联结；线电压为220V时采用

联结。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。

三相异步电动机的额定电压有350V，3000V,

及6000V等多种。4.电流例如：Y/

6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。

5.功率与效率鼠笼电机

=72~93％电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。6.功率因数PN

三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9。空载时功率因数很低，只有

0.2~0.3。额定负载时，功率因数最高。7.额定转速电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cos

O2026/5/1466如：n

N=1440转/分

sN=0.048.绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最高(150ºC)。2026/5/14671.功率的选择

功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1.

对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。5.4.2三相异步电动机的选用2026/5/14682.种类和型式的选择1)种类的选择

一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。2.)结构型式的选择

根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。3.电压和转速的选择

根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列鼠笼电动机的额定电压只有350V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。2026/5/1469单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。定子绕组中通入单相交流电后,形成脉动磁场，若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。定子定子绕组转子AA'

NS5.5

单相异步电动机2026/5/1470

定子绕组产生的脉动磁场

，可用正、反两个旋转磁场合成来等效。即

+

-

m=

+

-=t

O2026/5/1471脉动磁场的分解④⑥⑧⑧

③⑦⑦⑨⑨⑥⑤②①

+

-

①

-

+

+

-

②③④⑤

2026/5/1472正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩(正向)起动转矩为零(反向)正转转反2026/5/1473

....F鼠笼式转子导条及电流

当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。AA'2026/5/1474

为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不同。5.5.1电容分相式异步电动机

电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组A–A'，另一个是起动绕组B–B',两个绕组在空间相隔90º。起动时，B–B'绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90º，即可获得所需的旋转磁场。2026/5/1475电容分相式异步电动机iAS••ABB'•••A

~iB设两相电流为两相电流正弦波形如图所示。工作绕组iBiAO起动绕组2026/5/1476ABB'A'ABB'A'ABB'A'两相旋转磁场动画450900iBiAO2026/5/1477S•••ABB'•••iAiBA

12~实现正反转的电路

改变电容C的串联位置，可使单相异步电动机反转。

将开关S合在位置1，电容C与B绕组串联，电流iB较iA超前近90

；当将S切换到位置2，电容C与A绕组串联，电流iA

较iB

超前近90

。这样就改变了旋转磁场的转向，从而实现电动机的反转。

电动机转子转动起来后，利用离心力将开关S断开(S是离心开关)，使起动绕组B–B´断电。M~2026/5/14785.5.2罩极式单相异步电机~~i

1

2定子绕组鼠笼式转子短路环极掌(极靴)2026/5/1479

当电流i流过定子绕组时，产生了一部分磁通

1，同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通

2。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得

2在相位上滞后

1，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。

罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，故常用于洗衣机等电器中。2026/5/1480

三相异步电动机在运行过程中，若其中一相与电源断开，就成为单相电动机运行。此时电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流，时间一长，会使电动机烧坏。这种情况往往不易察觉，在使用电动机时必须注意。如果三相异步电动机在起动前就断了一线，则不能起动，此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大，时间长了，也会使电动机烧坏。2026/5/1481第6章直流稳压电源第10章直流稳压电源10.2滤波器10.3直流稳压电源10.1整流电路6.1半导体的基础知识6.1.1半导体的基础知识物质按导电能力分：导体，半导体，绝缘体。导电能力的衡量：电阻率ρ按定义式中，l是材料的长度，S是截面积。导体：半导体：绝缘体：图6-1对于常用的半导体材料：锗（ze）：硅（Si）：砷化镓（GaAs）：（也可用电导率

来衡量材料的导电性，它与电阻率ρ的关系是：）冷却加热（热敏特性）遮光光照（光敏特性）提纯掺杂（掺杂特性）半导体的特点：导电能力随外界条件的改变有较大变化。类似绝缘体半导体类似导体半导体二极管，三极管，就是利用掺杂特性来制造的。物质要导电，其内部必须有运载电荷的粒子，这种粒子称为载流子。导电能力最终决定于：

1.载流子的多少；2.载流子的性质；3.载流子的运动速度。一.本征半导体它是指“纯净”的半导体单晶体。在常温下，它有微弱的导电能力，其中载流子是由本征热激发产生的。1.

本征激发图6-2是半导体Si及Ge的原子结构。四价元素硅和锗的原子结构图6-2第(1)页图6-3表示半导体单晶体内原子与原子之间的结合力，称为共价键。价电子最有可能成为载流子，但它束缚于共价键之中，只有热运动使价电子获得能量，足以冲破共价键的束缚时它才可能成为自由电子，参加运载电荷。我们把这一过程称为本征激发。自由电子是带负电的载流子。图6-3共价键同时，根据图6-4，当价电子变为自由电子时，必然留下一个空位，使其它价电子也有可能参加导电。我们称空位为空穴，空穴也是一种载流子，但带正电荷。总之，本征半导体的热激发将产生两种类型的载流子，即自由电子与空穴。常称为“电子——空穴对”。图6-4本征热激发由图6-5可见，空穴的导电过程，实际上是价电子在电场作用下，不断递补空位的过程。图6-5表示在外电场作用下，空穴的导电过程。图中小圆圈表示空穴，实心小黑圆点表示价电子。E是外电场方向，Ip就是空穴电流方向。图6-5空穴导电过程激发使“电子——空穴对”增加，复合使“电子——空穴对”减少，一定温度下，这两种过程最终将达到动态平衡，在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因复合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化，该浓度统称为“本征载流子浓度”ni。2.复合自由电子与空穴在运动过程中相遇，自由电子填补空位导致“电子——空穴对”消失，这一过程称为复合。可见，复合是激发的反过程。3.

本征载流子浓度nini=n0=ρ0所以温度对半导体器件性能的影响很大。最终造成晶体管热稳定性的恶化。式中，n0表示热平衡状态下的电子浓度，ρ0表示热平衡状态下的空穴浓度，在T=300K时，Si的ni=1.5×1010/cm3,Ge的ni=2.4×1013/cm3在同样温度下，由于锗的Eg小于硅的Eg

，使锗的ni远大于硅，故本征锗的导电率大于硅。同时，温度愈高，本征激发产生的载流子数目愈多，ni愈大，导电性能也就愈好。注意：ni的绝对数值似乎很大，但与原子密度相比，本征载流子浓度仍然极小，所以本征半导体的导电能力是很差的。二.杂质半导体在本征半导体中，掺入即使是极微量的其他元素（统称为杂质），其导电性能将大大增强。例如掺入0.0001%杂质，半导体导电能力将提高106倍！在纯净半导体单晶中用人工的方法掺入少量特种元素，就获得杂质半导体，晶体管就是由杂质半导体制成的。我们发现，除了本征激发能产生载流子，掺杂质也能产生载流子，但并不成对出现。1.两种类型的杂质目前掺入半导体材料中的常用杂质分两类：五价元素磷（P）锑（Sb）砷（As）三价元素硼（B）铝（Al）铟（In）镓（Ga）三价元素称为受主杂质（意即“接受价电子”）掺入五价元素，能获得大量电子；掺入三价元素，能获得大量空穴。所以五价元素称为施主杂质（意即“给出电子”）本征半导体+五价元素=N型半导体本征半导体+三价元素=P型半导体参阅图6-6，本征半导体掺入五价元素后，四价的半导体原子被杂质原子代替。2.N型半导体为什么在本征半导体中掺入五价元素，会产生大量自由电子？图6-6施主杂质可见，每掺入一个五价的杂质原子，就会释放一个自由电子。故称五价杂质为“施主型杂质”。五价元素最外层有5个价电子，其中4个用来与周围原子结合成共价键，多余的一个，因不在共价键中，所受束缚很小，常温下，即可脱离原子束搏成为自由电子。需要指出：②施主原子失去一个价电子后，自己成为带正电荷的离子，这称为“杂质电离”。杂质离子束缚于共价键之中不能自由移动，故不参加导电。①施主杂质仅施放电子，不产生空穴。因为4个共价键中所有8个位子被价电子填满没有空位。3.P型半导体掺入三价元素时，因为三价元素最外层只有三个价电子，要结合成四对共价键时，少一个价电子，必然出现一个空位，使半导体具备空穴导电的条件。需要指出：①受主杂质仅产生空穴，不释放自由电子。图6-7受主杂质4.杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子包括杂质电离产生的大量载流子和因热激发产生的少量“电子——空穴对”。必须指出：在同样的温度下，杂质半导体中“电子——空穴对”的浓度比本征载流子浓度还要低。这是因为杂质释放的载流子浓度很大，使复合机会大大增加。②由于出现了一个空位，使其他价电子很容易转移到这个空位上，杂质原子接受一个价电子之后，自己成为带负电荷的离子。由于没有离开共价键，所以从能量角度看，转移要比冲破共价键束缚所需能量小得多，以致只要有微小热振动便可实现这种转移。总之，N型半导体中的载流子=杂质电离产生的电子+热激发产生的“电子——空穴对”P型半导体中的载流子=杂质电离产生的空穴+热激发产生的“电子——空穴对”P型半导体中，自由电子数目大大增加，其浓度远大于空穴浓度，故把电子称为多数载流子，空穴是少数载流子。P型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度，把空穴称为多数载流子，而电子是少数载流子。杂质半导体主要依靠多数载流子导电。最后说明几点：①本征半导体是电中性的，宏观上讲不带电荷，杂质本身也③在常温下，杂质电离产生的载流子远多于热激发产生的载是电中性的，所以整快杂质半导体也是电中性的，不带电荷。②若施主杂质与受主杂质同时掺入一块半导体，其材料性质将由浓度大的那种杂质决定，这一原理称为杂质补偿。流子，材料的性质由杂质决定。但当温度很高时，热激发大大加剧，“电子——空穴对”大大增加，一旦“电子——空穴对”浓度超过杂质浓度，杂质半导体中某种载流子占绝对优势的情况就会改变，于是半导体的性质变得与本征半导体一样，晶体管便会失效。5.载流子的运动载流子的运动形式有两种：漂移运动与扩散运动。①漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动，由此引起的电流称为漂移电流。§6.2PN结PN结是用杂质补偿的原理制造的。如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素，其杂质浓度如图6-8（b）所示，在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等，该中性边界便是PN结所在位置。PN结最重要的特性是单向导电性。图6-8PN结图7-10PN结把PN结与外电源连接起来，P接电源正端，N接电源负端，如图7-10（c）所示，便有较大电流通过，PN结处于导通状态。若外电源反接，如图7-10（d）所示，电流几乎为零，PN结处于截止状态。可见，PN结只允许电流由P区流向N区，这就是PN结的单向导电性。这一特性使它具有开关作用。一.空间电荷区的形成P型半导体中空穴浓度很大，N型半导体中空穴浓度很小，由于浓度差，空穴将从P区扩散到N区，同理电子将从N区扩散到P区，如图6-9（a）所示。1.PN结边界上多数载流子的扩散图6-9空间电荷区的形成空穴扩散到N区时会在原P区留下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，而电子扩散会在原N区留下不能移动的施主杂质离子，结果在边界两边便形成空间电荷区，如图7-11(b)所示。2.PN结内建电场PN结边界两边既然分布有数量相等的正负空间电荷，必定形成一个电场，称为内建电场E。内建电场的出现，引起两个后果：①阻止多数载流子的继续扩散（故空间电荷区又称为阻层）②引起少数载流子的漂移。3.流过PN结的电流①多数载流子形成的扩散电流。②少数载流子形成的漂移电流。这两种电流方向相反，如图6-10（a）所示，流过PN结的净电流图6-10扩散运动与漂移运动达到平衡：1—多数载流子扩散运动的方向；2—少数载流子漂移运动的方向起初，内建电场较弱，随着内建电场逐渐增强，I扩减小，而I漂增加，直至扩散运动与漂移运动达到动态平衡，如图7-12（b）所示。动态平衡情况下流过PN结的净电流为零，即I=04.PN结边界载流子分布动态平衡状态下，PN结边界两边载流子分布如图6-11所示。

图6-11PN结两边载流子浓度图中符号说明：—N型半导体热平衡状态下的电子浓度。—P型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—N型半导体热平衡状态下的空穴浓度。—P型半导体热平衡状态下的电子浓度。5.内建电位差内建电场E在PN结中产生的电位差称为内建电位差VB。该电位差实际上就是两种不同类型半导体材料之间的接触电位差。如图6-12所示，内建电位差的存在对多数载流子而言，相当于是一个“势垒”，阻止其扩散，故空间电荷区又称为势垒区。图6-12PN结内建电位差6.空间电荷区的宽度图6-13空间电荷区宽度图6-13中xn—PN结边界右边正离子宽度xP—PN结边界左边负离子宽度因而正离子空间电荷总量：式中q=电子电荷量（绝对值）S是截面积。负离子空间电荷总量：杂质浓度越大，空间电荷区宽度越小，对于不对称PN结，空间电荷区宽度如图6-14所示。图6-14空间电荷区宽度二.PN结的单向导电性1.正向连接即外电压V的正端接P，负端接N，如图6-15（a）所示。外电场部分抵消内电场，势垒高度降为（VB-V），空间电荷区宽度变窄，结果扩散电流大大增加，如图6-15所示。图6-15正向偏压结果电流平衡局面被打破，流过PN结的净电流F这就是加正向电压时，流过PN结的正向电流。它是在正向偏压作用下由多数载流子的扩散引起的，其中包括P区向N区的空穴扩散电流以及N区向P区的电子扩散电流：2.反向连接外电压V的负端接P，正端接N，如图6-16（a）所示。图6-16反向偏压外电场增强内电场，势垒高度提高到（VB+|V|），空间电荷区电流平衡被打破，多数载流子的扩散更加困难，扩散电流很快减少，在不大的反向电压下就使于是反向电流R由于漂移电流是少数载流子的漂移形成的，其值极小,决定于热激发产生的少数载流子浓度，在一定温度下它是一个常数，于是令此常数用符号（-IS）表示，即称为反向饱和电流。必须指出，环境温度愈高，少数载流子数量越多，所以温度对IS影响很大。

图6-17半导体二极管§6.2半导体二极管一.基本结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。点接触型二极管（一般为锗管）如图7-19(a)所示。它的PN结结面积很小（结电容小），因此不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型二极管（一般为硅管）如图7-19(b)所示。它的PN结结面积较大（结电容大），故可通过较大电流（可达上千安培），但其工作频率较低，一般用作整流。图7-19(c)

是二极管的表示符号。二.伏安特性二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图6-18所示。图6-18二极管伏安特性可以证明，二极管的理想伏安特性可由下式表示：根据式（7-11），当时，这是反向饱和电流，由少数载流子的漂移电流构成。这是流过二极管的正向电流，由多数载流子的扩散电流构成。当时，图6-192CP10硅二极管的伏安特性曲线而当U=0，I=0，I扩=I漂时，是动态平衡状态。三.实际二极管的伏安特性图6-19是一个实例。实际二极管伏安特性，有如下特点：1.正向电压较小时，存在死区电压（又称阀值电压，导通电压）由图可见，当外加正向电压很小时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压就是死区电压，硅管的死区电压约为0.6V，锗管约为0.2V。2.PN结的反向击穿

当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为PN结的击穿。击穿电压用U(BR)表示。我们注意到，击穿时，虽然反向电流急剧增加，但管压降几乎不变。利用反向击穿时二极管的恒压特性，可以作为稳压管，它的表示符号如图6-20（a）所示。图6-20稳压二极管例6-1已知图6-20（b）稳压管应用电路中，稳压管击穿电压（即稳定电压），负载电阻欧姆，限流电阻欧姆，外加电压10V。求I，IL，IZ。解：（1）（2）（3）四.二极管的电容特性PN结不仅具有非线性电阻特性，而且具有非线性电容特性。在正向偏压下，PN结呈现的电容称为扩散电容，而在反向偏压下，PN结呈现的电容称为势垒电容。这里，我们讨论势垒电容。图6-21势垒电容前已论述，在反向偏压时，反向电流几乎为零，PN结可以认为几乎截止，PN结反向电阻近似无穷大。从宏观看，PN结边界两边的基本结构类似于平板电容，这一电容称为势垒电容Cj。势垒电容与反向偏压大小有关，反向偏压越高，空间电荷越多，空间电荷区宽度ℓ越大，势垒电容越小。图6-22PN结势垒电容特性图6-23变容二极管符号图6-22是PN结势垒电容特性曲线。利用势垒电容可以制成变容二极管，它的电路符号为图6-23所示。直流稳压电源小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压6.3

整流电路121整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性uDO6.3.1单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuoubRLio动画u

tOuoO4.参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I5.整流二极管的选择

平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID

，URWM

UDRM

6.3.2单相桥式整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.电路结构

－uouDttRLuiouo1234ab+–+–

－动画u例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50

，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U

122V

可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。例2：

试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo128

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D36.4

滤波电路

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。

6.4.1电容滤波电路

1.电路结构2.工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3.工作波形二极管承受的最高反向电压为。动画uoutOtO4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大

电容器放电越慢

输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U

无电容滤波0.45UUooIO

结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大

ＵO

越高，IO

越大

整流二极管导通时间越短

iD

的峰值电流越大。iDtuotOO例：

有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200

，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200

，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5

T/2已知RL=50

uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250

F，耐压为50V的极性电容器2026/5/141356.4.2电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理

对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。

当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。2026/5/14136

形滤波器

形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1

形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。6.5

直流稳压电源

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。6.5.1稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR

设UI一定，负载RL变化UO

基本不变

IR

(IRR)基本不变

UO

(UZ

)

IZ

1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路6.5.1稳压管稳压电路2.工作原理UO

=UZ