低压电器和低压开关柜（实 用电工丛书）

低压电器和低压开关柜《实用电工从书》前言电广泛应用在社会生活的各个领域。在广大城乡、在各行各业，形成了庞大的电工人员队伍。为了普及电工知识，帮助广大电工人员，特别是初级电工人员学习电工的基本理论知识，掌握科学、规范的电气操作技术，提高操作技能水平，我们组织编写了这套《实用电工丛书》。参加编写工作的都是长期从事电气技术工作和培训工作的专业人员，实践经验丰富。这套书有的针对某一行业、某一项电气操作技术，有的针对某一种常用电气设备，详细介绍了有关的电工知识，电气操作技能和要求，以及大量实际经验和线路等。内容力求切合实际，突出实用性，并采用深人浅出、图文并茂的叙述方迅速应用到实际工作中去，达到立竿见影的效果。本从书适合初中以上文化程度的工矿企业和农村电工阅读，也可作各类电工培训班的教材使用。衷心希望广大从事电气工作的专家、学者、工作人员对丛书提出宝贵意见，以便于我们改进出版工作，更好地为读者服务。《实用电工丛书》编委会本书是一本电工实用技术的曾及读物。主要内容包括：电工与电子技术基础知识概要；电力系统的基本知识；低压电器和电子电器；低压开关柜的主电路和辅助电路；无功功率补偿装置和低压开关柜；低压开关柜的检验、使用和维护等。全书内容紧密联系实际，取材新颖、插图丰富，文字通俗易懂。适合工矿企业的广大电器工人阅读，也可作为电工培训的专业教材。我国的电力工业，经过50年的建设，有了很大的发展。目前，我国发电厂的装机容量和年发电量，均居世界第二位。但是，我国人均年用电量还不到发达国家人均年用电量的十分之--;各类电器元件和成套开关设备，也和国外先进水平有很大的差距。就是现有的发电能力，也因输电设施、配电网络的落后等不到充分利用。为此，国家决定在最近几年，投巨资改造城乡电网。这就需要新增和改造大量输电线路，新建和改建大批变电所、配电站，新增大量变压器和开关柜，其中各类低压开关柜用量最大。这对整个电器行业是一个进一步发展的极好机遇。低压开关柜是将很多电器元件按一定的电路方案组合装配在一个个金属柜中的成套开关设备。利用它控制电源的通断，由于低压开关柜中应用了多种电器元件和电子电器，本书用了约四分之一的篇幅介绍有关电工和电子技术基础知识。在第四章中，用了约占全书三分之一的篇幅，详细介绍低压开关柜中所用的各种电器元件和电子电器、测量仪表，并着重介绍了智能化电器，这是本书的主要特色之一。第三章和第五至第七章，介绍电力系统和低压开关柜。其中第三章介绍电力网的基本知识。第五章分析低压开关柜的主电路和辅助电路。第六章介绍比较复杂的无功功率补偿原理及常见的几种开关柜。第七章介绍了低压开关柜的调试、使用和维护，其中有较多篇幅分析无功功率补偿装置的故障。有关无功功率补偿的介绍，也是本书的主要特色。笔者曾长期在高校从事电子技术、通信技术的教学工作，到电器广工作时间还不长，知识和经验都还比较缺乏，所以书中错误在所难免，敬请读者批评、指教。本书文字内容由曹金根高工编写，全部插图由金佩琪高工绘制。编写本书时，参考了有关书籍、科技杂志和产品样本，特向有关作者致谢。第一章电工基础知识概要 1第一节电路与电路的基本物理量 7第三节电阻的串联与并联 第四节电功和电功率 第五节电磁与电磁感应 第七节三相交流电路 第八节变压器 第二章电子技术基础知识概要 第一节半导体的导电机构 第三节半导体三极管 第六节整流电路与稳压电路 第七节晶闸管及其应用 第八节数字集成电路 第三章电力系统的基本知识 第二节工厂供电的有关知识 —2—第三节高层建筑供电 第四章低压电器和电子电器 第一节概述 第二节刀开关、熔断器组合电器和组合开关 第六节接触器 第八节断路器中的智能型控制器 第九节互感器 第十一节测量仪表 第五章低压开关柜中的主电路和辅助电路 第六章无功功率补偿装置和低压开关柜 第一节无功功率补偿装置 第三节几种低压开关柜介绍 第四节动力配电箱、照明箱 第五节预装式变电站简介 第七章低压开关柜的检验、使用和维护 第二节出厂试验 第三节低压开关柜的使用 第四节低压开关柜的维护和故障简析 参考文献 一、电路的组成与电路图电气工作者经常要和各种各样的电路打交道。什么是电路呢?广义地说，电路就是电流流通的路径，也是电能传输的路径。大家熟悉的手电筒电路(图1-1-1)就是一个最简单的电路，它是由干电池、开关、导线和小灯泡组成的。当就形成了电流的通路，小灯泡就会发光。尽管电路的形式和功能多种多样，任何一个电路都离不开以下几个基本组成电源是电路中的能源。干电池、蓄电池、发电机和硅光电池等，都是最常用的开关开关小灯泡电源，它们把其他各种形式的能量(如化学能、机械能、光能等)转换成电能。2.负载负载是消耗电能或把电能转换成其他能量的设备。图1-1-1中的灯泡就是负载，它把电能转换成光能或热能。常用的负载还有电动机(电能转换成机械能)、电炉(电能转换成热能)等。导线用来把电源和负载连接成一个闭合回路，用以传导电流输送电能。图1-1-1所示的实物电路图虽然直观易懂，但画起来太麻烦，又没有突出电路的本质，因此，在工程上都采用通用的图形符号代替实物图中的各种电路元件绘制电路图。这样，图1-1-1就可画成图1-1~2的形式。常用的电路符号列举于图1-1-3中。图1-1-2最简单的电路要有电源供电，二是电路必须是一个闭合回路。由于金属导体中含有大量的自由电子，当金属导体和电源接成闭合回路时，导体中的自由电子(负电荷》就会受到电源负极的排斥和正极的吸引，驱使它们作有规则的运动，这种电荷有规则的运动就称为电流。习惯上人们把正电荷移动的方向定为电流的方向，它与电子移动的方向相反。电流用字母1表示。显然，在图1-1-2所示的电路中，电流是从电源的正极经过外电路流向电源的负1元件名称符号说明直流电源短线表示负极开关按钮开关(不闭锁)电阻电位器电容器电感器灯泡保险丝电流的大小是根据每单位时间里导体横截面上有多少电荷量来衡量的，称为电流强度，简称电流。电流的单位是安培，它是这样规定的：在1秒钟内通过导体任一横截面上的电荷量为1库仑(注：1库仑相当于6.24×10⁸个电子所带的电量),电流强度就是1安培，即式可写成在实际工作中，还常使用较大的单位千安(kA)及较小的单位毫大小和方向都不随时间变化的电流称为直流，如图1-1-4(a)所示；方向始终不变，而大小随时间作周期性变化的电流叫脉动电流，如图1-1-4(b)所示；大小和方向均随时间作周期性变化的电流称为交流，如图1-1-4(c)所示。三、电动势和电压在一个闭合电路中，电流总是从电源的正极经过负载流向电源的负极。于是，人们就认为，电源的正极对负极具有高电位，而负极对正极具有低电位。电源正极与负极之间的电位差，就是电源两端的电压。电源是如何建立并维持正极与负极之间的电位差呢?实际上任何一种电源都是一个能量转换装置。在电源内部能量转换过程中，产生一种非静电力(又称局外力或电源力),它能把正电荷从负极不断地移动到正极，建立并维持电源两极间的电位差，使电流在电路里持续地流通。电源内部这种能把正电荷从低电位推动到高电位的本领，我们称之为电动势，用符号E表示。电源的电动势在数值上等于非静电力把单位正电荷从电源的负极经电源内部移动到正极所做的功，用公式表达为式中E——电动势(V)W—非静电力所做的功(J)Q——被移动的正电荷量(C)在国际单位制中，电动势的单位是伏特(用符号V表示)。当非静电力把1C(库仑)的电荷量从电源的负极移动到正极所做的功为1(焦耳)时，电动势定为1V(伏特)。电压U的单位和电动势的单位一样，也是伏特。但电压却是指在任一段电路上，把电荷从电路的一端推向另一端时，电场力所做的功。所以电动势的方向是从负极到正极，即电位升高的方向；电压的方向却是从正极到负极，即电位降低的方向。电动势与电压在概念上不可混淆。电动势和电压的基本单位都是伏特(V),在实际工作中也常使用较大和较小的单位，它们分别是自由电子在金属导体中作有规则的运动时，不可避免地会遇到阻力，这种阻力是自由电子与导体中的原子发生碰撞而形成的，我们称之为导体的电阻，用字母R或r表示。各种材料的电阻是不同的。按照导电性能的好坏，可以把物质划分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体是能够顺利传是能够可靠隔绝电流的物质，例如橡皮等都是绝缘体；导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半电阻的单位是欧姆，用符号Ω表示。如果导体两端的电压是1V,通过的电流是1A,则该导体的电阻就是1Ω。常用的电阻单位还有千欧(kΩ)和兆欧(MΩ),它们的关系是2.导体电阻的计算导体电阻的大小主要取决于导体的尺寸和导体的材料。对均匀截面积的导体(图1-1-5),电阻值可由下式算出为米(m)S-——导体的截面积，单位为平方毫米(mm²)显然，导体的电阻R与导体的长度!成正比，与导体的横截面积成反比，并与导体材料的导电性质有关。上式中的p称为导体材料的电阻率，它是取长度为1m,截1-1-1列出了几种常用金属材料的电阻率。材料名称铝黄铜锰铜大家已经知道，在导体的两端加上电压，就能产生电流，电流流过导体，又不可避免地会遇到电阻。那么,电压、电流和电阻这三个基本电学物理量之间的关系是什么呢?一、部分电路的欧姆定律德国物理学家欧姆，经过大量的实验，于1827年确定了电路中的电流I、电压U和电阻R三者之间的关系，总结出一条最基本的电路定律——欧姆定律。欧姆定律指出：在一段电路中(图1-2-1),流过该段电路的电流1与这段电路两端的电压U成正比，与该根据欧姆定律，可以得出以下两项重要的比例关系：(1)一段电路两端的电压，在数值上等于该段电路的电流上式的物理意义是：电路的电阻具有阻碍电流流动的性质，电流流过电阻，就必然要消耗能量。因此，沿电流流动的方向就必然会产生电压降，其值为电流和电阻的乘积。(2)一段电路的电阻，在数值上等于该段电路的电流除电这个式子的物理意义是：在任何一段电路两端加上一定的电压，可以测出流过这段电路的电流，这时，我们可以把这段电路等效为一个电阻，如图1-2-2所示，称为无源二端网络定理。二、全电路欧姆定律框中的E代表电源电动势，r。代表电源的内阻。通常把电源内部的电路称作内电路，电源外部的电路称作外电路。全电路欧姆定律的内容是：全电路中的电流强度I与电源电动势E成正比，与整个电路(即内电路和外电路)的电阻(R+由全电路欧姆定律可以得出式中，IR为外电路的电压降，它在数值上等于电源的端电压，即1r。为电源内部电压降，于是或写成上式表明，电源的端电压在数值上等于其电动势减去电源内部电压降。通常，电动势E和电源内阻r。可以看作基本不变，当负载电流I变化时，电源端电压U也将发生波动。电源的端电压U与负载电流I之间的关系U=f(1)称为电源的外特性，其函数图像示于图1-2-4。显然，UI电流越大，则电源端电压下降得越多。E如果电源内阻r。很小，即rR,则U≈E,此时负载变动时，电源的端电压变动不大，即电源的外特性好，电源内阻的大小决定着电源的带负载能力。图1-2-4电源的外特性〔例题〕某配电变压器低压侧的10mm²的铜线送到用户，线路电流为15A,求用户的端电压。解：用户的端电压等于电源(变压器)端电压减去导线上的电压降。为此，先计算导线电阻导线上的电压降为用户的端电压为〔例题〕设干电池的电动势为1.5V,它的内阻r。为0.3Ω,电池接在2.7Ω的电阻上，试计算电路中的电流。解：根据全电路欧姆定律一、电阻的串联若千个负载电阻一个跟着一个成串地联接起来，中间没有分岔，使电流只有一条通路，如图1-3-1所示，称为电阻的串联。在电源电压U的作用下，电路里产生了电流I。显然，流过各个电阻的电流都相同。电流I从电源的正极出发，经过电阻R₁和R₂,回到电源的负极。电流流过每个电阻时，都要在电阻上产生U=IR₁串联电路上的总电压等于各串联电阻上的电压降之和，即可得上式表明，电阻串联电路的等效电阻R,等于各个串联电阻之仪器中的电阻分压器，试求输出电压U₁。解：流过电阻分压器的电流为电阻R₁上分得的电压为式中表明R₁上分得的电压U₁在总电压U中占有多大的比例，称为电阻串联电路的分压比。于是两个或两个以上的电阻接在电路相同的两个端点之间，这种联接方式叫作电阻的并联。图1-3-3绘出了两个电阻的并联电路。显然，各个参与并联的电阻两端的电压都相等。根据欧姆定律，可以分别计算出流过每个电阻的电流，即各并联支路中电流的总和应等于各电阻并联以后，对电源来说可以看成是一个等效电阻R,于是上式可以写成上式表明，多个电阻并联后的等效电阻R的倒数，等于各支路电阻的倒数和。头，满度电流I;为100gA,表头内阻R;=1kΩ,现拟改成量程为10mA的电流图1-3-4例题附图解：根据表头支路的满度电流I;和表头内阻R;,可以计算出并联电路两端电压，即流过分流电阻R的电流为运用欧姆定律可以算出分流电阻即即或各种各样的电气设备接通电源后都在做功，把电能转换成其他形式的能量(热能、光能、机械能等)。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功。电流在一段电路上所做的功，与这段电路两端的电压U、流过电路的电流I以及通电时间t成正电流在单位时间内所做的功称为电功率，用符号P表示，在上式中，若电功W的单位为焦耳(J),时间的单位为秒，则电功率P的单位为瓦特，用符号W表示。在实际工作中，电功率的常用单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等，它们的关系是1三、负载耗电量的计算在计量负载耗电量时，功率P的单位常用千瓦(kW),时间的单位用小时，这样，电能的单位就是千瓦小时，用kWh表示。1千瓦小时(kWh)就是俗说的1度电。计量负载耗电量的仪表——电度表，就是以千瓦小时为计量单位的。四、电流的热效应电流通过导体时使导体发热的现象，称为电流的热效应。白炽灯、电炉等都是利用电流的热效应进行工作的。电流的热效应就是把电能转换成热能的效应，那么,热和功的关系是什么呢?1844年英国物理学家焦耳和俄国物理学家楞次，各自独立地研究确定了一个有关电能与热能转换关系的焦耳-楞次定律说明，电流流过导体时产生的热量，与电流的平方、导体本身的电阻以及电流通过的时间成正比，其数学表达式为由于电流的热效应，电气元件和设备在工作时会发热。为保证负载能长期安全可靠地工作，要对不同的电气设备规定相应的最高工作温度。显然，工作温度取决于发热量，发热量又取决于电流、电压或电功率。为此，我们把电气设备安全工作时所允许的最大电流、电压和电功率，分别称为额定电流、额定电压和额定功率。电气设备的使用功率高于其额定功率时，称为过载或超载，很容易造成电气设备的过热而损坏。〔例题〕一台水泵电动机，运行时取用的电功率为2.8kW,每天运行6小时，问一个月(以30天计)消耗多少电能?〔例题〕有一电热器具，热态电阻为25Ω,通过它的电流为5A,问在15分钟内产生的热量是多少?解：根据焦耳一楞次定律第五节电磁与电磁感应一、电流的磁效应1819年丹麦物理学家奥斯特发现，将小磁针移近通有电流的导线，小磁针会发生偏转(图1-5-1);切断电源，小磁针又恢复南北指向。这个实验说明，通有电流的导体周围有磁场存在。法国物理学家安培通过实验证明，磁场的方向完全取决于导体中电流的方向，并从中总结出电流方向与磁力线方向之间关系的右手螺旋定则(图1-5-2):把右手的大拇指伸直，四指弯曲围绕导线，当大拇指指向电流的方向时，其余四指所指的方向就是环状磁力线的方向。在电气设备中，广泛使用着通电线圈产生的磁场(图1-5~3)。线圈磁场的磁力线方向也可用右手螺旋定则判定：用右手握住线圈，弯曲的四指指着线圈中电流的方向，则伸直的拇指所指的方向就是磁力线的方向，如图1-5-4所示。图1-5-2右手螺旋定则图1-5-4线圈右手螺旋定则二、磁场对载流导体的作用磁场是物质的一种形式，在磁场中分布着能量。我们按图1-5-5取一段直导体放人磁场中，并使导体与磁力线方向垂直，当导体中没有电流通过时，导体静止不动，当电流流过导体时，导体就会在磁场中运动。通电导体在磁场中运动的原因是受到了磁场的作用力，这种作用力叫电磁力。磁场对通电导体的作用力F的方向可用左手定则确定，如图1-5-6所示。将左手平伸，大拇指和四指垂直，让手心迎接磁力线，四指指向电流的方向，则大拇指就指着电磁力的两根平行的直导线中都通以电流时，相互间也会产生作用力。图1-5-7中，两根平行的直导线A与B中分别流过同方向的电流I₁◆线方向是离开纸面指向我们的，符号◆“×”表示磁力线方向是进人纸面的。通电导线B处于导线A产生的磁场方向可用左手定则判定是向左的。同理，也可以单独绘出导线B的电流I₂产生的磁场方向，并由此判定通电导图1-5-7两通电平行直线A所受电磁力FA的方向是向右的，如图1-5-7所示。三、电磁感应现象大家已经知道，电流能够产生磁场，磁场对电流有作用力。但是，电与磁的关系还不仅于此，1831年英国物理学家法拉弟发现，当导体在磁场中作切割磁力线的运动时，导体中就会产生感应电动势，若导体接成闭合回路，回路中就会流过感应电流，这种现象叫做电磁感应。在图1-5~8中，直导线在磁场中作切割磁力线运动时，灵敏检流计的指针发生偏转，表示有感应电动势产生。实验还会表明，导线在磁场中运动速度越快，检流计偏转角度越大；导线运动方向不同，感应电动势的方向也不同。感应电动势的方向可用右手定则判定，如图1-5-9所示。右手平伸，手心迎接磁力线，并使与四指垂直的拇指指示导线运动的方向，那么伸直的四指就指向感应电动势和感应电流的方向。上述直导体在磁场中作切割磁力线的运动产生感应电动势的现象，仅是电磁感应的一个特例。法拉弟总结了大量电磁感图1-5-9右手定则应实验后指出：只要使穿过导体回路的磁力线发生变化，导体回路中就会产生感应电动势。磁力线变化速率越大，感应电动势是两个靠得很近的线圈，线圈A通过开关S接到电源上，线圈B则与一个灵敏检流计接成闭合回路。这时，如果把开关突然闭合，则在线圈A通电的瞬间，与线圈B连接的灵敏检流计的指针就会向一侧偏转一图I-5-10线图中的电磁感应开关突然断开，线圈图I-5-10线图中的电磁感应电，我们又会看到，检流计的指针向另一侧偏转一下。上述现象说明，线圈A中的电流发生从无到有或从有到无的急剧变化时，穿过线圈的磁力线也会随之发生急剧的变动，使处于变化磁场中的线圈B中产生感应电动势。感应实验图1-5-11中，把一根条形永久磁铁以较快的速度插入一个空心线圈，在磁铁与线圈之间有相对运动时，感应实验动势的必要条件。四、楞次定律通过上述电磁感应的实验可以看到，穿过导体或线圈的磁力线增加或减少时，感应电动势的方向是不同的。显然，磁力线增减的变化与由它所产生的感应电动势的方向之间是遵循一定的规律的。我们在做图1-5-12的实验时，请根据检流计指针的偏转方向记下线圈中感应电流的方向，然后运用右手螺旋定则判定感应电流所产生的磁力线Φ₂的方向。通过实验会发现这样一个规律：感应电流所产生的磁力线Φ₂,总是反对原磁场磁力线时，穿过线圈的磁力线Φ,增加，感应电流所产生的磁力线增加；当磁铁从线圈中抽出时，图1-5-12楞次应电动势总是力图保持磁场现状。德国物理学家楞次，通过大量实验，于1833年总结出了确定感应电动势方向的普遍规律——楞次定律。楞次定律指出：当穿过导体回路的磁力线发生变化时，回路中的感应电流产生的磁场，总是要阻碍原磁场的任何变化。楞次定律说明了磁场的一个重要性质，即电流的磁场是不可能突变的，它总要经历一个过渡过程，这个过程是由感应电动势的反抗作用所形成的。五、自感应现象与电感当线圈中通过电流的时候，电流的周围就出现了磁场，就会有磁力线穿链着线圈。值得注意的是，当电流发生变化时，穿链线圈的磁力线也会随着发生变化。根据法拉弟电磁感应定律，只要穿过线图回路的磁力线发生变化，都会不可避免地在回路中引起感应电动势。这种由于线圈自身电流的变化，在线圈自身引起感应电动势的现象，是电磁感应的又一种表现形式，称为自感应现象。由自感应产生的电动势叫自感电动势，用符号eL表示。自感电动势eL是电流变化的必然反映。显然，线圈中电流变化率越大，自感电动势越强。需要着重说明的是，对于结构不同的线圈，即使电流变化率相同，所引起的自感电动势也可能很不相同。这就意味着电流的变化只是产生自感电动势的外因，线圈自身的结构决定着它产生自感电动势的固有能力，是产生自感电动势的内因。为此，需要引出一个能够体现线圈自身产生自感电动势固有能力的物理量，这就是线圈的电感量，用L表示。电感量的单位是亨利，用符号H表示，它是这样规定的：若线圈中的电流在1s内变化了1A时，产生的自感电动势为1V,则线圈的电感量就定为1H。通过以上分析不难理解，自感电动势en与线圈的电感量L和通过线圈的电流变化率△I/△t成正比。对运行中的低压电器必须注意自感现象。含有大电感的电气设备，在接通和断开时，产生的自感电动势可能会比电源电动势高出许多倍。如果此时扳断刀形开关，闸刀与固定夹片间的空气隙将被高电压击穿而发生电弧，造成刀形开关的铜质部分熔蚀。若开关没有保护外罩，则可能灼伤人体。涡流就是变化的磁场在整块金属导体中产生的漩涡状感应电流，如图1-5-13所示。由于整块金属的电阻很小，涡流往往很大，这就不可避免地使金属块发热，温度升高，甚至破坏线圈的绝缘。为此，交流电器设备(电机、变压器、电磁铁等)的铁心不是用整块钢而是用很薄的硅钢片压叠起来构成磁路，以减小和限制涡的，但在许多方面又可以被我们利用。例如，工业感应加热炉、家用电磁灶、感应式电度表等，都是利用涡流进行工作的。第六节单相交流电路一、正弦交流电的特点大家已经知道，交流电是指大小和方向都随时间作周期性变化的电动势、电压和电流。发电厂供给的交流电都是正弦交流电，也就是电动势、电压和电流随时间按正弦规律变化，它的波形如图1-6-1所示。由波形图可见，正弦交流电的瞬时值每时每刻都在发生着变化。在交流电变化的过程中，由某一瞬时值经过一个循环后图1-6-1正弦交流电的波形图变化到同样方向和大小的瞬时值，叫做变化一周。为分析和计算方便，人们把交流电变化一周表示为360°或2π弧度，称之为电角度。交流电变化一周所经历的时间叫周期，用符号T表示，以秒(s)作单位。我国电力网供给的交流电，周期为0.02s。交流电在1s内变化的周期数叫做交流电的频率，用f表示。每秒钟变化一个周期，定为1赫兹，用Hz表示。我国电力网供给的交流电，频率为50Hz。显然，周期与频率的关系为在进行正弦交流电的计算时，常采用角频率w这一参数，角频率w与频率f的差别就是它不用每秒钟变化的周期数而是用每秒钟所经历的电角度来表示交流电变化的快慢。由于交流电变化一周为360°,也就是2π弧度，因此，角频率w与频率f、周期T的关系为@的单位为弧度/秒，常写成rad/s。50Hz相当于314rad/s。由于交流电动势、电压和电流都是正弦函数(图1-6-2),所以它的正弦函数表示式为二、正弦交流电的有效值由正弦交流电的波形图可见，交流电瞬时值的大小每时每刻都处于连续的变化之中，计量交流电的大小就是一个实际问题。为此，人们提出了交流电的有效值。交流电的有效值是这样确定的：在同样的两个电阻内，分别通人正弦交流电流i和直流电流I,如果在相同的时间内，它们产生的热量相等(即所做的功相等),我们就说这两个电流是等效的，这时的直流电流I值，就作为交流电的有效值。根据数学推导，正弦交流电的有效值(1、U、E)与最大值正弦交流电的有效值在电工计算和计量中被广泛采用。一般感应电动机、变压器、低压电器铭牌上所标的电压和电流都是有效值。用交流电表测量的电压和电流也都是有效值。在分析交流电路时，相位的概念是十分重要的，常说的单相1.相位和初相正弦交流电是随时间变化的，它在任一时刻：的瞬时值可由以下三角函数式确定在计时开始瞬间(t=0),at=0,e=0。所以，上式仅仅表示了正弦量初始值为0的特定情况。实际上，分析与计算交流电路时，往往需要同时研究几个同频率的正弦量之间的关系，这几个同频率正弦量的初始值不一定为零，如图1-6-3的波形所示。在计时开始t=0的瞬间，正弦电动势的初始值为经过时间t,交流电的瞬时值变为这就是正弦交流电瞬时值表示式的一般形式。式中，(cut+)是一个角度，它是随时间t而变化的。对应于一个确定的时间I,就有一个确定的角度(ut+Y),也就有一个确定的正弦量的瞬时值。所以，(at+W)标志着正弦量随时间：变化的进程，称为相位。相位的大小表明正弦量在变化过程中所达到的状态。不同的相位对应着正弦量不同的瞬时值。比如，当相位cef+=计时开始(t=0)瞬间的相位亚叫初相。由式e=Emsin(wt+)可知，当一个正弦量的最大值、角频率和初相都给定后，这个正弦量就完全确定了。最大值、角频率和初相，称为正弦量的三要素。2.相位差图1-6-4绘出了两个同频率的正弦量e及e₂的波形图。0,由此可以写出它们的三角函数表示式两个同频率的正弦量的相位之差称为相位差，用φ来表示。ll上例中e与e₂的相位差为两个同频率的正弦量的相位差φ=0,称为同相；两个同频率的正弦量的相位差φ=180°,称为反相。四、正弦交流电的矢量表示法在简单正弦交流电路的分析与计算时，常应用矢量图。矢量图直观地表示出了几个同频率正弦量的有效值(或最大值)和各自的初相。利用矢量图可以方便地进行正弦量的加减，并推导出计算正弦交流电路的重要公式。矢量图的画法很简单，在直角坐标上，以正弦量的有效值作为矢量的长度，以矢量与正横轴的夹角作为正弦量的初相，绘出的图形就是矢量图。例如，有两个同频率的正弦量;再与X轴正方向夹角为(-30°)处，作矢量7.长为,结果如图1-6-5所示。利用矢量图可以进行两个同频率正弦量的相加。例如，两个正弦电压的三角函数表示式为在直角坐标上分别绘出u、u₂的有效值矢量，如图1-6-6所线的长度就是U₁+U₂,对角线与正横轴的夹角就是两个正弦电压之和的初相。五、纯电阻负载的交流电路纯电阻交流电路如图1-6~7所示。设加在电阻R两端的电压为根据欧姆定律，流过电路的电流为电阻上电流电压的关系可用波形图表示，如图1-6-8所示。显而易见，在纯电阻交流电路上，电压与电流同相。电阻上电流与电压有效值的关系是六、纯电感负载的交流电路1.电感线圈对正弦交变电流所产生的作用在本章第四节中详细研究了自感现象。当通过一个电感图1-6-8电阻上电流和电压的波形图中将产生自感电动势e,其大小和方向为在正弦交流电路中，电流每时每刻都在变化，因而电感线圈中每时每刻都有自感电动势作用着。那么,自感电动势的大小与正弦电流的关系是什么呢?图1-6-9(a)绘出了纯电感交流电路，图1-6-9(b)是正弦电流的波形图。我们把正弦半波(半个周期)划分为许多细小的相等的时间段△t,不难看出，在各个相等的时间段△t内，电流的变化量△i是不相等的，也就是说，电流的变化率△i/△t不是常数。观察一周中电流变化情况，不难看出，电流变化到趋近于零值瞬间，其变化率达到最大；当电流变化到接近最大值时，电流的变化率趋近于零。这样，正应着自感电动势的最大值；而正弦电流变化到最大值瞬间，△i/△t为零，因此，电流的最大值对应着自感电动势的零值。图1-6-9电流变化率的分析下面再来分析自感电动势的方向与电流变化的关系。由于自感电动势具有对抗电流变化的性质，当电流从零值向正的或负的最大值增长阶段，自感电动势的方向与电流的方向相反；当电流由正的或负的最大值向零值减小阶段，自感电动势的方向与电流的方向相同。自感电动势e₁对正弦电流i的这种依附关系，可以绘成图1-6-10所示的波形图。显然，电流i在相位上超前e190°。由于在纯电感电路中，自感电动势e₁是唯一的对抗电流变化的因素，所以外加电压u与自感电动势e大小相等，方向相反。这样，电压u在相位上超前电流i90°。纯电感交流电路的矢量图绘于图1-6-11。图1-6-10纯电感电路的波形图流电路的矢量图2.纯电感电路的欧姆定律根据理论推导，自感电动势的有效值EL与电流的角频率w、线圈的电感量及电流的有效值I成正比，即又因电压U与EL大小相等，方向相反，故可以写成上式称为纯电感交流电路的欧姆定律。式中，L称为电感线圈的感抗，用XL表示，单位是欧姆(Ω)。I〔例题〕日光灯镇流器可近似看作是纯电感线圈，已知它的电感量L=1.64H,镇流器两端电压为180V,求通过镇流器的电流。解：镇流器的感抗为XL=2πfL=2×3.14×50×1.64=51根据纯电感电路的欧姆定律3.纯电感电路的电功率下面来分析纯电感交流电路中的电功率。由于电功率p在数值上等于电压n与电流i的乘积，所以我们先绘出纯电感电路中电压u与电流i的波形见，当u与i的正负符号相同时线图从电源吸收功率，并把功率储存在磁场是负值，这时磁场释放功率，把功率退还给电源。由此在图1-6-12中绘出了功率p的瞬时值曲线。不难理解，纯电感电路并不消耗功率，功率只在电感线圈与电源之间交替往返，进行着周期性的能量交换，它的平均功率P=0。纯电感线圈虽然不消耗能量，但却占有着电源的一部分功I无功功率Q的单位用乏尔(var),较大的单位为千乏(kvar)。七、纯电容负载的交流电路1.电容和电容器广义地说，两个导体的中间用绝缘的物质隔开时，就形成了电容器。组成电容器的两个导体叫做极板，中间的绝缘物质叫介质。图1-6-13绘出了电容器的结构原理和电路符号。图1-6-13电容器结构原理和符号顾名思义，电容器是一种储存电荷的容器。在图1-6~14所示的电路中，把电容器和直流电源接通，在电场力的作用下，电源负极的自由电子将向与它相连的B极板上移动，使B极板带有负电荷；而另一极板A上的自由电子将向与它相连的电源正极移动，使A极板出现了等量的正电荷。这种电荷的移动直到极板间的电压n。与电源电压U相等时为止。由于两极板距离很近，异性电荷就要互相吸引而保持在极板上。我们把电容器储存电荷和电场能量的过程叫电容器的充电。在图1-6-15的电路中，把充好图1-6-14电容器的充电电的电容器与一电阻接成闭合回路，由于电容器两端有电压e,所以B极板上的电子就会通过电阻R跑向A极板与正电荷中和。这时，电容器上的电压μe逐渐降低，直到两极板上的电荷全部中和。这个过程叫电容器的放电。图1-6-15电容器的放电值得注意的是，电容器在充电和放电的过程中，电路中都有电荷的定向移动，形成充电电流和放电电流。为了比较和衡量电容器储存电荷的能力，用每伏电压作用下储存电荷量的多少来定义电容器的电容量，即Q——电容器每个极板上的电荷量(库仑，C)电容量的基本单位是法拉，用F表示。如果在IV电压作用下，电容器储存1C的电荷，电容量就是1F。在实际应用中，使用着比法拉小得多的单位，它们是2.交流电路中的电容器流电路。由于正弦电压的大小和方向不断变化，电容器将被从两个方向往复交替地充电和放电，回路中将出现正弦交变电流。电流的大小为显然，纯电容交流电路中的电流i的大小不是与电压u成正比，而是与电压的变化率△u/△t成正比。据此，可以画出纯电容交流电路中电压u与电流i的波形图，示于图1-6-17。可以看到电流在相位上超前电压90°。图1-6-18是电流与电压的矢量图。图1-6-17纯电容交流电路波形图3.纯电容电路的欧姆定律根据数学推导，纯电容交流电路中电流的有效值和电压的有效值之间的关系为式中，叫做电容器的容抗，用X。Xe的单位是欧姆。于是上式称为纯电容交流电路的欧姆定律。4.纯电容电路的电功率在图1-6-19所示纯电容电路电压u与电流i的波形图上，根据p=ui,可以绘出一条功率曲线。p图1-6-19纯电容电路的功率曲线当电压u的瞬时值由零值向正的或负的最大值增加时，电容器充电，从电源吸收能量并储存在电场中，瞬时功率为正值；当电压u从正的或负的最大值向零值减小时，电容器放电，把储存的电场能量退还给电源，瞬时功率为负值。显然，纯电容电路占有着无功功率八、电阻与电感串联的交流电路1.RL串联电路中电压与电流的关系图1-6-20是电阻与电感串联的交流电路。在电压U的作用下，电路中产生了电流I。电流I在电阻R上产生电阻电压降UR=IR,它与电流I同相；电流/在电感L上产生电感电压降UL=IXL,它在相位上超前电流/90°。我们以电流1作参考正弦量，把电流的矢量I画在正横轴方向，再根据M图1-6-20电阻与电感串联的UR与UL与I的相位关系画出矢量图如图1-6-21所示。由于u=uR+uL,所以为得到外加电压的矢量U,可以将UR与UL.进行矢量相加。由矢量图可以推导出计算电压u的有效值的公式由图1-6-21可见，在RL串联的交流电路中，电压u在相位上超前电流i一个锐角φ,其值为为便于记忆，可将图1-6-21中各个电压矢量摘出(图1-2.交流电路的阻抗根据RL串联交流电路的电压三角形进行展开和变换可以得到这就是RL串联交流电路的欧姆定律。式中√R²+X2称为交流电路的阻抗，用Z表示，单位是欧姆(Ω)。由RL串联电路的电压三角形可以推导出一个“阻抗三角形”如图1-6-23所示。从阻抗三角形可以看出，阻抗Z等于电阻R与感抗X的几何和。YYφU3.交流电路中的电功率在RL串联的交流电路中，电阻是耗能元件，在电阻R上消耗的功率叫有功功率，用P表示，显然根据电压三角形所以P=U/cosφ这就是RL串联交流电路中计算有功功率(平均功率)的公式。公式说明，电路的有功功率P不仅决定于电压与电流有效值的乘积，还与电压、电流间相位差角φ的余弦cosφ有关。显然，对于电源所供给的同样的电压和电流，cosφ越大，则电流在电路中实际做功的功率越大。我们把cosφ称为功率因数，它是表明交流电路状况的重要指标。在RL串联的交流电路中，电压U与电流I的乘积，称为视为了确定RL串联电路中视在功率S、有功功率P和无功功率Q的关系，我们把电压三角形的三个边分别乘上电流I,就得到一个“功率三角形”,如图1-6-24所示。由图可见有功功率和视在功率的比值，就是电路的功率因数，即〔例题〕有一个40W日光灯镇流器，其线圈电阻R=27Ω。当电流有效值为0.41A,频率为50Hz的交流电通过它时，测得它两端的电压为164V。求镇流器的电感和功率因数cosφ。解：日光灯镇流器可以等效为一个电阻与电感串联的交流电路，如图1-6-25所示。根据镇流器两端电压和流过它的电流，可以求出它的阻抗运用阻抗三角形可求出其感抗镇流器的电感为求得功率因数为九、电阻、电感和电容串联的交流电路图1-6-26是电阻、电感和电容串联的交流电路。在电压U的作用下，有电流了流过电阻电压降UR=上述相位关系可以绘出RLC串联电路电流与电压的矢量图(图由矢量图可见，Uc与U₄,相位相反，它们的作用是相互削弱的。外加电压的有效值U与各部分电压降之间的关系是可以写成这就是RLC串联电路的欧姆定律。式中称为交流电路的阻抗。第七节三相交流电路三相交流电路在工农业生产中获得了广泛的应用。电力网中电能的产生、输送和分配，普遍采用着三相制。在用电方面最主要的负载是三相感应电动机。为此，本节对三相交流电的特点及电路计算进行扼要的介绍。一、三相交流电的特点概括地说，三相交流电是三个单相交流电的组合，这三个单相交流电频率相同，最大值相等，只是在相位上互差120。三相交流电的三角函数表示式为三相交流电的波形图及矢量图绘于图1-7-1。二、三相供电线路三相交流发电机中的每一相，都可以看作是一个独立的单相交流电源，它们可以分别与负载接成独立的供电回路。实际上，三相交流发电机和三相电力变压器的三相绕组的接法如图1-7-2所示，即将三个末端连在一起，这一连接点称为中点或零点，用N表示。这种接法称为星形(Y形)连接。从中点引出的导线称为中线。从始端引出的A、B、C三根导线称为相线，俗称火线。在图1-7-2中，每相始端与末端间的电压(即火线与中线间的电压),称为相电压，其有效值用UA、UB、Uc或一般地用Up表示。任意两始端间的电压(即两根火线之间的电压),称为当发电机(或电力变压器)的绕组接成星形时，相电压和线电压是不相等的。它们之间的关系是图1-7-3是反映上列关系的矢量图。为了进一步求出线电压与相电压的数量关系，我们从图1-7-3中摘出一个等腰三角形，如图1-7-4所示。已知等腰三角形的底角为30°,从等腰三角形的顶点作底边的垂线，必将底边二等分，于是这就是说，发电机绕组作星形连接时，线电压的有效值等于相电压有效值的√3倍，在相位上线电压较它对应的相电压超前30°。通常，在低压配电系统中，线电压为380V,相电压为220V。图1-7-3Y形接法的相电压与线电压的关系三、负载作星形连接的三相电路三相电路中负载的连接方法有星形(Y形)连接和三角形(△形)连接两种。图1-7-5是三相四线制电路，设其线电压为380V。负载是电灯和三相感应电动机。电灯为单相负载，其额定电压为220V,因此要接在火线与中线之间。这种单相负载是大量使用的，不能集中接在一相，应大体均匀地分接在三相之中。电灯在图1-7-5中是星形接法。三相电动机的三个接线端总是与电源的三根火线相连。但电动机本身的三相绕组可以接成星形，也可以接成三角形。负载星形连接的三相四线制电路示于图1-7-6中。每相负载的阻抗分别为1ZAH、1ZBi、1Zch。电压和电流的正方向已在图上标出。三相四线制电路中，每相负载电流与相电压的关系，可用交流电路的欧姆定律分别求出，即图1-7-5负载的星形接法图1-7-6三相四线制供电线路三相电路中的电流也有相电流与线电流之分。每相负载中流过的电流叫相电流1p,每根火线中的电流叫线电流I₁。在负载作星形连接时，相电流等于线电流。当各相负载为感性时，电压与电流之间的相位差为四、负载作三角形连接的三相电路很多三相平衡负载(如三相电动机),常常接成三角形，如图显而易见，负载作三角形连接当给定电源线电压和各相负载阻抗时，可应用欧姆定律分别求出各个相电流图1-7-7负载作三角形连接在对称三相电路中，相电流可写成电压与电流间的相位差为负载作三角形连接的电路，线电流并不等于相电流。利用矢量图分析不难得出读者可以自己证明。不论负载是星形连接还是三角形连接，总的有功功率必定等于各相有功功率之和。当负载对称时，各相的有功功率是相式中，φ是相电压Up与相电流Ip之间的相位差。当对称负载是星形连接时Ue=√3UpI=1,于是当对称负载是三角形连接时于是由此可知，不论三相对称负载是星形连接还是三角形连接，三相负载的有功功率均为〔例题〕一个三相平衡负载，每相具有电阻6Ω和感抗8Ω,线电压为380V,若采用星形接法，试计算负载的有功功率。每相负载的阻抗为所以，三相负载的有功功率为第八节变压器一、变压器的结构变压器的基本结构如图1-8-1所示。它有一个铁芯，铁芯上套装着两个绕组(线圈),它们和铁芯绝缘，又彼此互相绝缘。接到交流电源上去的绕组叫原绕组(或初级绕组),与负载相连的绕组称为副绕组(或次级绕组)。图1-8-1变压器的结构铁芯是磁力线通过的路径——磁路，它是用导磁性能好的硅钢片压叠而成。硅钢片的厚度一般为0.35～0.5mm,每片的表面有一层绝缘漆或经高温处理而成的绝缘氧化膜。铁芯的形状有“日”字型(壳式)和“口”字型(芯式)两种，如图1-8-2所示。此外，近年来还使用着一种“C”型铁芯。一般小容量变压型铁芯构造简单，散热面积大，多用于大容量变压器。变压器的绕组是用具有良好绝缘的漆包铜线一层一层地绕制而成。为了提高绝缘性能，绕组与铁芯之间有胶木板等材料制成的绕组绝缘框架。绕组的组与组之间，层与层之间，均隔有绝缘纸、青壳纸、黄腊绸之类的绝缘物。图1-8-2两种变压器的铁芯二、变压器的工作原理如图1-8-1所示，变压器原绕组接上交流电压U,时，就产生了交流电流I,并产生交变磁场，磁力线Φ以变压器铁芯为磁路，穿过原绕组，同时也穿过副绕组。在交变磁场的作用下，穿过原绕组的磁力线使原绕组中产生感应电动势c₁,e与U₁大小相等，极性相反。同理，交变磁力线穿过副绕组时，也使副绕组产生感应电动势e2oe₂的频率和U₁的频率相同。这就是变压器将U₁转换成同频率的e₂的原理。如果两个绕组有着同样的匝数，变压器就不能变压。要提升电压，副绕组的匝数就要比原绕组多。理论分析证明，原、副绕组的匝数和原副绕组所产生的感应电动势有如下关系也可近似写成式中，K代表变压器原、副绕组的电压比，也称变比。可以看出，原、副绕组的匝数比就等于原、副端的电压比。当电压U₁一定时，只要改变匝数比，就可以获得不同的输出电压U₂。要改变三相电压可采用三相变压器，如图I-8-3所示。图中，各相高压绕组的始端和末端分别用A、B、C和X、Y、Z表图1-8～4绘出了三相变压器连接的两负载和照明负载共用的，低压一般是400V,高压一般是10kV,高压不超过60kV。图中还示出了电压的变换关系。变压器还可以进行电流变换。如果不考虑图1-8-3三相变压器在传输能量时的损失，则可以认为原绕变压器组从电源取得的功率P₁,等于副绕组供给负载的功率P₂,即也可写成上式说明，原、副绕组中的电流与原、副绕组的匝数成反比。即匝数多的电流小，匝数少的电流大。在电子电路中还常利用变压器进行阻抗变换。在图1-8-5中，负载阻抗Z接在变压器副边，图中的虚线框部分可以用一个等效阻抗Z’代替。即从变压器原边看进去的等效阻副边所接负载阻抗为图1-8-5负载阻抗的等效变换又因所以匝数比不同，负载阻抗Z折算到原边的等效阻抗Z'也不同。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的最佳负载阻抗。这种做法称为阻抗匹配。三、几种特殊的变压器1.自耦变压器自耦变压器的特点是把原绕组与副绕组合而为一，副绕组是原绕组的一部分，如图1-8-6所示。显然，自耦变压器的高低压绕组在电方面是连通的。两端接有交流电压U₁,绕组内将有电流I₁流过，并产生交变磁场，感应出电动势，电动势大小和A、C两点间所加的电压相等。在B、C间取出输出电压U₂。若B、C间的匝数不同，U₂的大小也不一样。它们的关系也和普通2.电流互感器电流互感器是用来扩大交流电流量程的一种特殊变压器。利用它把待测的交流电路的大电流成比例地变换为小电流，以便配接交流电流表。此外，使用电流互感器也是为了将测量仪表与高压电路隔开，以保证人身和设备的安全。电流互感器的接线图及符号如图1-8-7所示。原绕组的匝数很少(只有一匝或几匝),它串联在被测电路中。副绕组的匝数则较多，它与电流表，功率表及继电器的电流线圈相连接。在使用电流互感器时，副绕组电路是不允许断开的，这一点与普通变压器不同。假若副绕组回路断开，原绕组流过的是主电路的电流I₁,它是不变的，副绕组产生的感应电动势会增高到危险的程度。同时，铁芯的发热也会达到不能容许的程度。此外，为了安全，电流互感器的铁芯及副绕组的一端应予接地。N图1-8-7电流互感器的接线图及符号1第一节半导体的导电机构一、半导体的晶体结构物质按照原子排列形式的不同，可分为晶体和非晶体两大类。晶体通常都具有规则的几何形状，它内部的原子按照一定的晶格结构有规律地整齐地排列着。绝大多数半导体都是晶体。常用的半导体材料硅和锗都是四价元素，它们的原子最外层轨道上都有四个价电子。在硅和锗晶体中，正是利用价电子把相邻的原子结合起来，形成特定的晶体结构。图2-1-1给出了硅单晶的平面模型。由图可见，每一个硅原子的四个价电子，分别与最邻近的硅原子的一个价电子结成电子对，这一对价电子便属于两个相邻原子所共有，使得每个原子的外层电子都填满到8个，形成比较稳固的结构。图2-1-2绘出了硅单晶的另一种平面模型。图2-1-1硅单晶平面模型共价键中的共价键两个电子另一种平面模型在晶体中相邻原子的距离很近，价电子不仅受到所属原子核的作用，而且还会受到相邻原子核的吸引。两个共用的价电子使两个硅原子间产生了一种束缚力，就像链条一样把两个原子互相拉住不易分开，这种特殊的结合称之为共价键。纯净的不含有任何杂质的半导体，叫做本征半导体。在本征半导体中，所有原子的价电子都参加了共价键结合，也就没有了自由电子，这种晶体属于理想晶体。实际上，只有在热力学零度(-273.16℃)时，才会获得这种理想在常温下，共价键上的电子都处于热运动状态，这种热运动的结果使共价键上个别电子获得足够的能量，从共价键上挣脱下来，成为自由电子。在电场力的作用下，这些自由电子就会朝一定方向作有规则的运动，形成半导体中的电子电流。值得注意的是，个别电子离开共价键后，不会破坏原来的晶做“空穴”,如图2-1-3所示。空穴的出现，意味着空穴所在地方的硅原子因失去电子而成为正离子。为此，我们把空穴看作是半导体中的正电荷。有重要意义的是，当某个共价键上出现了空穴时，由于热运动，邻近共价键上的电子就有可能跳过来填补它，使空穴转移到邻近的共价键上去。这一物理过程不断重复，空穴在共价键上不停自由电子空穴地转移，成为一种可以自由运动的正电荷。在电场力的作用下，空穴将朝一定方向运动，形成半导体中的空穴电流。在本征半导体中，由于热激发，自由电子和空穴是成对出现的。温度升高，热激发的能量增加，电子一空穴对产生的速率增高，电子一空穴对的浓度增大。在常温下，虽然本征半导体中有着自由电子和空穴两种载流子，但它们的浓度很低，导电性能太差，没有实用价值。用来制作半导体器件的是两类掺有特定杂质的半导体——N型和P型半导体。1.N型半导体(电子型半导体)在本征半导体中应用“杂质”扩散的方法掺人极其微量的五价元素(如在108个硅或锗原子中掺人一个杂质原子)磷、锑、砷中的主原子所包围，如图2-1-4所示。由于五价元素原子外层有五个价电子，当其中四个价电子和最邻近的四个硅(Si)原子的一个价电子分别组成共价键时，第五个价电子不能结键而成为自由电子。这样，掺有五价元素的半导体就具有较多的自由电子，也就是说由“杂质”提供的自由电子浓度远远超出了由于热激发而产生的电子一空穴对的浓度，变成以电子导电为主的半导体——N型半导体。在N型半导体中，电子叫多数载流子(多子),空穴叫少数载流子(少子)。多余电子多余电子硅原子磷原子2.P型半导体(空穴型半导体)在本征半导体中利用“杂质”扩散的方法掺人极其微量的三个价电子，它和四邻原子的价电子结成共价键时，还缺少一个价电子，从而在其中一个共价键上留下了一个电子的“空位”空穴，如图2-1-5所示。这样，掺有三价元素的半导体就具有较多的空穴，成为以空穴导电为主的半导体——P型半导体。在P型半导体中，空穴叫多数载流子(多子),电子叫少数载流子(少子)。硅原子阳原子在制作各种半导体器件时，都是将P型和N型半导体有机地结合起来，它们的核心就是PN结。1.什么是PN结在一块本征半导体上，通过扩散工艺，使它的一侧掺人P型“杂质”,另一侧掺人N型“杂质”,如图2-1-6所示，则在P型区和N型区的交界面处，就会形成一个具有特殊导电性能的薄层——PN结。大家知道，P型半导体中空穴是多数载流子，N型半导体中电子是多数载流子，这样，在两种半导体交界面两边就存在着空穴和电子两种载流子的浓度差。正如自然界中的扩散现象一样，两个区域的两种多数载流子就要通过交界面向对方区域扩散。N区靠近交界面处由于失去了电子，留下了相应数量的正离子；P区靠近交界面处由于失去了空穴，留下了相应的负离子。P区和N区交界面两侧形成的正、负离子薄层，称为空间电荷区，它们建立了PN结的内电场。由于空间电荷区内几乎没有自由电子和空穴，所以又叫耗尽层，如图2-1-7所值得注意的是，空间电荷区形成的PN结内电场，对P区及N区中多数载流子的扩散运动产生了阻力。扩散运动开始时，由于空间电荷区刚刚形成，内电场还很弱，扩散运动占居优势。随着扩散运动的逐步深人，空间内电场方向图2-1-7耗尽层电荷区由薄变厚，电场力不断增强。最后，内电场的电场力与扩散力将达到动态平衡，空间电荷区的存在阻止了双方多子的进一步流动。2.PN结具有单方向导电性(1)外加正向电压使PN结导通如图2-1~8所示，给PN结加上正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，外加电压产生的外电场与PN结的内电场方向相反，削弱了PN结的内电场，扩散力又占居了优势，多数载流子的扩散运动又得以进行。通过PN结的空穴电流和电子电流在外电路中形成了PN结的正向电流。随着外加正向电压的增大，正向电流迅速增大，这种情况称为PN结的导通。N内电场方向一结内的外加电场方向通过P-N结的扩散电流E(2)外加反向电压使PN结截止如图2-1-9所示，给PN结外加反向电压，这时，外加电压建立的外电场与PN结的内电场方向相同，大大加强了PN结的内电场，空间电荷区变宽，多数载流子的扩散运动更加无法进行，外电路的电流近似为零，这种情况称为PN结的截止。需要着重指出，外加反向电压后截止了多数载流子的扩散，读者不应忘记双方区域中还有由于热激发产生的少数载流子， 外加电场方向它们在PN结强力内电场的作用下，会顺利通过PN结，形成微弱的反向电流(图2-1-10)。但是，反向电流与温度变化有密切关系，环境温度升高，反向电流将迅速增大，成为半导体器件工作中的不稳定因素。第二节半导体二极管形形色色的半导体二极管(普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等)都是由一个PN结构成的半导体器件。本节介绍几种常用的二极管。一、普通二极管普通二极管的电路符号示于图2-2-1。按照管芯结构可以分为点接触型二极管、面接触型二极管——和平面型二极管，它们的结构示于图图2-2-1二极管触丝玻璃(a)点接触型弹性金属丝铝合金小球金锑合金层型硅片支(b)面接触型正电极引线正电极引线二氧化硅保护层(c)平面型二极管的单方向导电性可用它的伏安特性曲线(图2-2-3)来说明。我们可以把曲线分成三个部分：图2-2-3二极管的伏安特性曲线(1)正向特性二极管外加正向电压，当正向电压很小时，外电场还不足以克服内电场对载流子扩散运动所造成的阻力，因此正向电流十分微弱，二极管呈现很大的电阻，这个区域常称为正向特性的“死区”。当正向电压超过某一数值后，正向电流明显增大，这一临界电压称为导通电压Uan。在室温下，硅管的Uu≈0.5V,锗管的Uon=0.1V。二极管导通后，正向电流随正向电压按指数规律增大。为防止二极管过热而损坏，每种型号的二极管都规定了最大整流电流这一额定参数。(2)反向特性二极管两端加上反向电压时，P区和N区的少数载流子在电场力的作用下，全部通过PN结，形成反向电流。如果温度不变，反向电压增大时，反向电流不再增加，所以常称之为反向饱和电流。(3)反向击穿特性。当反向电压增大到某一数值时，反向的二极管都规定了最高反向工作电压的参数。二、硅稳压管硅稳压管也是由一个PN结构成的半导体器件。图2-2-4绘出了硅稳压管的伏安特性曲线。由图可见，它与普通二极管的伏安特性十分相近。值得注意的是它的反向击穿特性，当稳压管两端的电压超过它的反向击穿电压时，流过管子的电流会急剧增大。对硅稳压管来说，击穿后只要采取限流措施，不会造成管子的损坏。可贵的是，在击穿区，流过管子的电流在一定范围内变化时，管子两端的电压基本不变。这一重要特性使硅稳压管可以作为电压基准元件——稳压元件。图2-2-5是它的电路符号。为了适应不同的电路需要，生产有各种稳定电压值(一般为2~200V)的硅稳压管。需要说明，即使是同一型号的硅稳压管，电路符号稳定电压值也不尽相同。例如，2CW3型稳压管，稳定电压在9～10.5V之间，使用时需逐一测试。三、光电二极管光电二极管也是由一个PN结构成的硅二极管，也具有单方向导电特性。和普通二极管不同的是，它是在反向电压下工作的。光电二极管的管芯没有受到光照时，反向电流仅为1μA电子一空穴对，形成较大的反向工作电流，称之为光电流。光电流随光的强度变化而变化，把光信号转换成了电信号。光电二极管的结构特点是，它的管壳上有一个能入射光线的窗口，使光通过窗口照射到管芯上；其次，为了提高光电转换效率，PN结的面积做得较大。图2-2-6是它的电路符号。四、发光二极管(LED)发光二极管的管芯也是一个PN结，也具有单方向导电特性。发光二极管在电路中工作时，外加正向电压，管芯把电能转换成光能。发光二极管的发光颜色主要取决于制作管子所用的材料，并与制作PN结所掺人的杂质有关。目前，发光二极管的发光 的电路符号。图2-2-7发光发光二极管是一种固体光源，它的特二极管符号点是工作电压低(1.5～3V)、工作电流小(10～30mA),耗电省、寿命长，可作灯光信号显示、快速光源及组成数码管等。半导体三极管又叫晶体三极管(以下简称晶体管或三极管),是由两个PN结构成的半导体器件。三极管在电子技术中扮演着极其重要的角色：利用它可以放大微弱的电信号；利用它可作为无触点开关元件；利用它可以产生各种频率的电振荡；利用它可以组成恒流源；利用它可以代替可变电阻……。三极管也是集成电路中的核心元件。可以无愧地说，三极管是现代电子设备的心脏。一、三极管的结构和类型根据三极管中两个PN结的组合方式不同，可以分成两种类型：如果两边是电子导电的N型区，中间是空穴导电的P型区，则称为NPN型三极管，如图2-3-I(a)所示；若两边是空穴导电的P型区，中间是电子导电的N型区，则称为PNP型三极1中还绘出了两类三极管的电路符号。三极管的三个半导体层按照它们的作用不同，分别叫做发射区、基区和集电区。这三个区引出三个电极，分别叫发射极e、基极b和集电极c。发射区与基区之间的PN结叫做发射结；集电区和基区之间的PN结叫做集电结。三极管按照所用材料不同，分为硅管和锗管两种。按工作频率高低，可分为低频管和高频管两类。根据特殊要求，又可分—70—发射极NPN基极(b)集电区发射极集电极b图2-3-1两种导电类型的三极管二、三极管的电流放大原理1.三极管内部载流子的运动过程三极管作放大元件使用时，发射结外加正向电压，集电结外加反向电压，如图2-3-2所示。在外加电压的作用下，三极管内部载流子进行有规则的运动，建立起一定的电流分配关(1)发射区向基区注入电子。发射结在外加正向电压作用下处于导通状态，发射区的电子将源源不断地通过发射结注入基区。虽然基区的空穴也会通过发射结进入发射区，但在制作三极管时，总是使发射区的电子浓度远远高于基区的空穴浓度，所以流过发射结的主要是电子电流，空穴电流微不足道，可以忽略。因此，这一过程就被说成是发射区向基区注人电—71—图2-3-2三极管中载流子运动示意图(2)注入电子在基区的复合与输运。电子从发射区注入基区后，继续向集电结方向扩散。由于基区空穴浓度很低，基区又极薄，所以电子在基区扩散过程中，只有少量与基区空穴相遇而“复合”,绝大部分电子很快被输运到集电结的边缘。(3)集电区收集基区输运过来的电子。由于集电结外加反向电压，内电场很强，基区输运到集电结边缘的电子，在集电结强力电场的作用下，全部被拉人集电区。图2-3-2中的箭头，示出了三极管内部载流子的运动方向。由于电流的方向与电子的方向相反，所以外电路中相应出现了发射极电流e、基极电流I.和集电极电流I.。三个电流的关系为由以上分析可知，三极管内两个PN结通过很薄的基区相互联系和相互影响，基区中输运与复合是三极管的主要矛盾。为了保证三极管具有电流放大作用，就必须使基区中输运到集电结边缘的电子数量，远远超过在基区复合的电子数量。注人基区的电子中，复合数量与输运数量各占多大比例，主要取决于基区厚度和基区空穴的浓度，三极管制成后，这个比例关系就基本不变了。2.三极管的电流分配关系三极管处于放大状态时，各极电流的基本关系为而且Ib通常用1.与I的比值来衡量三极管的放大性能，即a是共基极直流电流放大系数，一般为0.98～0.99。β称为共发射极直流电流放大系数。上式又可写成α与β的换算关系为显然，三极管处于放大状态时，如同一个电流的比例分配器。3.三极管的电流放大作用图2-3-3绘出了三极管放大器的原理电路。在外加输人信号电压△U₁的激励下，基极电流有一个变化量△I,由于存在着电流分配关系，集电极电流和发射极电流也会发生相应的变化，它们的变化量分别为△I。和△I。△I。和△I的比值，称为共发射极交流电流放大系数，用β表示，即图2-3-3三极管放大电路β值一般为几十到几百，它与前面介绍的β常常混用。显然，把基极信号电流作为输人电流，集电极信号电流△1。作为输出电场效应管(FET)是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件。场效应管可分为结型与绝缘橱型两大类。图2-4-1绘出了结型场效应管的结构示意图。在两个P型区中间夹着一层N型区，形成两个PN结。从N区两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极S;两个P区连接起来后引出一个电极，叫做栅极G。很薄的N型区作为电流的通路，称为导电沟道。这种结构的场效应管叫N沟道结型场效应管。还有一种P沟道结型场效应管，工作原理与N型相同。它们的电路符号分别示于图2-4-2(a)和(b)。结型场效应管作放大元件使用时，漏极D接电源Ep的正上了反向电压，基本上没有栅极电流。在Ep的推动下，将有漏极电流Ip流过N型沟道。值得注意的是，栅极电压Ucs对两个PN结都是反向电压。增大栅极电压Ues,则PN结的耗尽层就向N型沟道内扩展，使导电沟道变窄，沟道电阻增大，漏极电流Io变小。反之，栅极电压Ucs变小，耗尽层变薄，导电沟道变宽，沟道电阻减小，漏极电流Ip变大。这就是说，漏极电流In的大小会随栅极电压的改变而变化，通过改变栅极电压Ues来控制漏极电流Ip的大小。所以，场效应管是一种电压控制器件。利用结型场效应管可以组成放大器，如图2-4-4所示。源报(S)交流输人信号U;加在栅极与源极之间，漏极通过负载电阻R与电源的正极相连。当输入信号U₁发生变化时，栅极电压跟着变化，由此引起漏极电流发生对应的变化，漏极电流通过负载电阻Rp时产生电压降，这就是放大电路的输出电压U₀。图2-4-4结型场效应管放大电路二、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管又叫金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管。这类场效应管的特点是输入电阻极高(可达10⁹~10¹⁵Ω),制作工艺简单，温度稳定性好，特别适合于制作大规模集成电路。MOS场效应管根据控制方式不同，可以分成增强型和耗尽型两种。1.N沟道增强型MOS场效应管如图2-4-5所示，在一块掺杂浓度较低的P型硅片上，通过扩散工艺形成两个掺杂浓度较高的N型区，一个作为源极S,一个作为漏极D。在源极S和漏极D之间是电子流通的导电沟道。沟道上面覆盖着一层0.1μm厚的绝缘的二氧化硅薄膜，膜上镀有一层铝膜，作为栅极G。由于栅极与导电沟道是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。衬底引线