汽车电工电子技术基础（第2版）

第1章电子流动的基础1.1原子的构造1.2导体和绝缘体1.1原子的构造自然界的物质都是由原子组成的。原子的大小为一亿分之一厘米，假如将直径为1cm的球和原子相比较，相当于地球和直径为10cm的球的比率。在原子的中心有原子核，电子围绕着原子核旋转，它很像行星绕太阳轨道运行，原子的基本构造如图1一1所示。构成原子核的两种粒子—中子和质子紧紧地结合在一起，电子在它们的轨道上以固定的距离环绕原子核自由运行。原子核中带正电的质子和带负电的电子之间的吸引力造成电子绕原子核轨道运行。围绕原子核所有带负电的电子，如果它们接近别的电子时则互相排斥。电子力图彼此保持一定距离，同时不离开它们的轨道。下一页返回1.1原子的构造在原子中，电子的数目和质子的数目力图相等。要保持平衡，原子将借助邻近的原子丢失电子或吸引电子。电子环绕原子核的轨道一般有许多层，并且每层电子的数目是一定的。例如铜原子和镍原子的基本构造，如图1-2所示。研究电的规律，只牵涉到原子价层的电子。原子是化学元素的最小成分，它仍有该元素的所有特性。原子核含有带正电荷的质子和不带电荷的中子。同种电荷相排斥，异种电荷相吸引。质子和电子数目相等的原子，称为平衡的或中性的，如图1一3所示上一页返回1.2导体和绝缘体原子失去电子或得到电子的难易程度，取决于为达到平衡状态，原子价环所需的电子数目。如果物质容易失去电子，它便是良好的导电体;如果物质不容易失去电子，它便是良好的绝缘体导体和绝缘体的原子价环电子靠原子核维系在一起的松紧程度是不同的。导体的原子，原子核对最外层电子的维系是松散的;绝缘体的原子，其电子被紧密地维系在一起。返回图1一1原子的基本构造返回图1一2原子的基本构造返回图1一3质子和电子数目相等的

原子呈中性返回第2章电的定义

2.1电流

2.2电位、电压、电动势2.3电阻2.4欧姆定律2.5瓦特定律2.6焦耳一楞次定律2.7克希荷夫定律2.1电流电流可以定义为电子流动的速率，如图2-2所示，也就说电荷的定向流动，即形成电流。在金属导体内的电流是由于导体的内部自由电子在电场力的作用下有规则地运动而形成的;电解液中的正、负离子在电场力的作用下，各向相反的方向移动也形成电流。电流是1s内电子通过电路中任一给定点的量度。电流在数值上等于单位时间内通过某一导体横截血的电荷量。电荷的多少叫电荷量，电荷量用。表示，单位是(:(库仑，简称库)，1C=6.24×1018个电子电荷。电流用I表示，电流I的单位是A(安培，简称安)。时间用t表示，时间t的单位是s(秒)，则得:下一页返回2.1电流在汽车电气系统中，遇到的电流为几安，几十安甚至更大，如以kA(千安)为单位计算，而在电子控制系统中经常遇到较小的电流，是以mA(毫安)或μA(微安)为单位计算的。它们之间的关系是:电流有以下三个作用:(1)发热作用。(2)化学作用。(3)磁作用。电流有两类:直流电流和交流电流交流电又分为正弦交流电和非正弦交流电两种。汽车上所用的交流发电机所发的电，未经整流时就是交流电，其波形为正弦波。上一页下一页返回2.2电位、电压、电动势1.电位物体处在不同的高度，具有不同的位能(势能);相对高度越大，位能就越大。人所共知，水总是从高的地方流向低的地方，也就是从高水位流向低水位;水位高的地方位能高，水位低的地方位能低。电也是如此，电荷在电路中各点所具有的能量一般也是不等的，把单位正电荷在某点所具有的能量，叫做该点的电位。正电荷从高电位流向低电位，而负电荷则是从低电位流向高电位。通常用字母V来表示电位，如a点的电位记作Va，b点的电位记作Vb。电位的单位是V(伏特，简称伏)上一页下一页返回2.2电位、电压、电动势在一个电路中，要说某点的电位是多少，必须选择一个参考点，其他各点的电位都是相对于参考点的电位来说的，没有参考点来谈某点的电位大小是毫无意义的。我们通常以大地作为电位的参考点(电子线路中一般以金属底板为参考点)，把大地的电位规定为零电位。电路中某点接地，该点的电位就和大地的电位相同，电位也是零。某点的电位高于零电位，该点的电位为正，叫正电位;某点的电位低于零电位，该点的电位为负，叫负电位。上一页下一页返回2.2电位、电压、电动势2.电压在导体内电荷的定向运动形成电流，它是在电场力的作用下实现的。为了衡量电场力对电荷做功的能力，引入电压这一物理量。电压可以理解为电的压力，如图2一6所示在电路中，A,B两点的电位差，称为A,B两点的电压，用UAB表示。电压的单位是V(伏特，用“伏”表示)。电场力把1库仑正电荷从一点移到另一点所做的功为1焦耳时，称该两点之间的电压为1伏特:上一页下一页返回2.2电位、电压、电动势3.电动势在直流电路中，我们把电源内部的正负极之间的电路叫内电路;把电源外部正负极之间的电路叫做外电路。整个电路是由内电路和外电路组合而成的闭合回路，如图2-9所示。在外电路中，由于电源的正极电位高于负极的电位，在正、负极之间存在着电位差，导线中也就存在着电场，导线中的自由电子在电场力的作用下，沿着导线由负极B移向正极A，在电路中便产生了电流。同时，在移动电荷的过程中，电场力对电荷做了功。由于电场力不断对电荷做功，不断将负极中的负电荷移到正极，把正极中的正电荷移到负极，这样一来就使A,B两极之间的电压愈来愈小，电场对电荷的作用力减弱，电流逐渐减小，最后直到A,B间的电压为零，电路中电流中断为止。上一页下一页返回2.2电位、电压、电动势不同的电源，产生的电源力大小不同，对电荷做功的能力也不同。为了衡量电源对电荷做功的能力，我们把电源力将单位正电荷从电源负极端B经过电源内部移至正极端A，克服电场力所做的功称为电源的电动势。电动势用字母E表示，用公式表示为:必须注意，电动势的实际方向是从电源的负极经内电路指向正极，如图2一10所示。因此，电动势的实际方向与电压的实际方向相反。上一页下一页返回2.3电阻导体中的自由电子在做定向移动过程中，不断的相互碰撞，而且还要和组成导体的原子相碰撞，这种碰撞对电子的运动起阻碍作用，即表现为对电流的阻碍作用，因此我们称它为电阻也就是说，电路中对电流通过有阻碍作用并造成能量消耗的部分叫电阻。电阻用字母R或r表示。度量电阻大小的单位是欧姆，简称“欧”，用字母“Ω”表示。1Ω的定义是:如果在导体两端加1V的电压，通过此导体的电流1A，那么这个导体的电阻数值是1Ω，即上一页下一页返回2.3电阻在汽车线路中，导线电阻的大小主要决定于导线的材料、长度、截血积和环境的温度。同样材料的导线，其电阻的大小与导线的截血积及长度有关。导线的截血积越大，也就是导线越粗，电阻就越小;导线越长，电阻就越大。例如对于长直金属导线，导线的电阻R与长度L成正比，与它的横截血积S成反比，且和导线金属材料的性质有关，用公式表示为:上一页下一页返回2.3电阻在相同的温度下，不同的导体具有不同的电阻率，这是由于各种导体材料内部结构不同而引起的。对于同一种导体，当温度变化时，其电阻率也不同。金属导体的电阻率和温度的关系可近似为线性关系，当温度升高时，金属内部分子热运动加强，对电流的阻碍作用加大，电阻率就大，它们的关系可表示为:上一页下一页返回2.3电阻测量电阻要使用欧姆表。在实际检修汽车电气系统故障时，常用万用表的欧姆挡来测量电阻值。下血以万用表为例，说明测量电阻的方法及注意事项。1.选择档位首先在万用表的欧姆挡上选择好适当的倍率挡，使测量中表头指针指示在中间部位。2.调零在测量电阻之前，应当将两表笔“短接”，并同时旋动“欧姆调零旋钮”，使表针指在“Ω”标度尺右侧端零位上，这就叫做调零。调零是保证测量准确必不可少的步骤。在每换一次欧姆挡测量电阻前，都要重复这一步骤。如果旋动“欧姆调零旋钮”也无法使指针达到零位，则说明万用表盒内装的干电池电压太低，应更换新电池。上一页下一页返回2.3电阻3.测量在测量时，将两表笔并接在电阻的两端，如图2一11(a)所示，即可测出电阻的阻值。注意，不要用手捏住电阻的两端，如图2一11(b)所示，以免人体的电阻也并接在电阻上，影响测量准确性。4.决不能带电测量测量电阻的欧姆挡是由表盒内装干电池供电的，因此在测量电阻时，决不能使电阻已带电进行测量，如图2一12所示。上一页返回2.4欧姆定律欧姆定律是电学的基本定律，其内容是:流过电阻R的电流与电阻两端的电压成正比，与电阻成反比，可用下式表示:在应用欧姆定律计算时应注意以下几点:(1)欧姆定律是由金属导体得出的，所以它对金属导体是正确的。在真空管和半导体器件中的电流都不遵从欧姆定律。(2)各物理量的单位必须一致。即电流的单位是A(安培)，电压的单位是v(伏特)，电阻的单位是Ω(欧姆)(3)电流、电压和电阻必须都是属于同一个电路，特别是计算部分电路的时候，更应注意这一点。返回2.5瓦特定律电场力把电荷从一点移到另一点，电场力将对电荷做功，这样的功叫电功。电功常用字母W来表示如在图2一15中，电阻R两端加一个电压U，根据欧姆定律，电阻上将有电流I流过，这个电流是由电荷移动引起的，如果在t时间内，电场力将带有电量。的正电荷从A点移到B点，电场力对电荷做的功为:下一页返回2.5瓦特定律电场力在单位时间内做的电功叫电功率，电功率常以字母尸来表示，根据以上电功的公式，电功率的公式可写为下列式子，这就是瓦特定律。瓦特定律确定了电流、电压和电功率之间的关系，可用图2一16的三角形来表达三者之间的关系。遮住三角形中的未知值，便可获得计算公式。上一页下一页返回2.6焦耳一楞次定律电流通过导体时，电流克服导体的阻力而作了功，从而使导体分子热运动加剧，温度升高，这说明电流对导体做的功转变为导体的热能。事实证明，电流通过某段导体(或用电设备)时所产生的热量与电流的平方、导体的电阻及通电时间成正比，即:这个关系式所确定的规律称为焦耳一楞次定律。

上一页下一页返回2.6焦耳一楞次定律电流能使导体发热的现象，叫做电流的热效应。例如自炽灯、熔断器等，都是利用电流热效应原理制成的。但热效应也有不利的一血，因为各种电器设备都有一定的电阻，使用时电器设备温度会升高，若温度超过规定值时，会加速绝缘材料的老化变质，从而引起漏电或短路，直至烧坏设备。上一页返回2.7克希荷夫定律1.克希荷夫电流定律(KCL)克希荷夫电流定律是用来确定一个节点上各支路电流之间关系的。由于电流的连续性，在电路任何点(包括节点在内)的截血上，均不能堆积电荷。因此，克希荷夫电流定律的具体内容如下:在任一瞬间，流入某节点的电流I入之和等于从该节点流出的电流I出之和，即对于图2一17所示汽车常用电路来说，由节点a可以得到:下一页返回2.7克希荷夫定律克希荷夫电流定律不仅适用于电路中的任一节点，而且还适用于电路中的任一封闭曲该封闭血称为广义节点，如图2一18所示电路。2.克希荷夫电压定律(KVL)克希荷夫电压定律是用来确定回路中的各部分电压之间关系的。具体内容如下:在任一瞬间，对于电路中任一回路，沿任一指定(顺时针或逆时针)方向绕行一周，各部分电压的代数和恒等于零。即上一页返回图2一2电子流动的速率称为电流返回图2一6电压是引起电子移动的压力返回图2一9闭合回路示意图返回图2一10电源电动势的方向返回图2一11电阻的测量返回图2一12测量电阻的错误方法返回图2一15部分电路返回图2一16用三角形表达瓦特定律数学式返回图2一17汽车常用电路返回图2一18KCL的推广应用返回第3章直流电路3.1串联电路3.2并联电路3.3串一并联电路3.4戴维南定理3.5电容器3.1串联电路串联电路是在一条电流通路上将两个或更多的电阻(负载)依次首尾相接，且都通过同一电流。这种连接方式的电路称为串联电路，如图3一2所示。如果电路中任一部件损坏，整条电路便瘫痪，因为从蓄电池正极出来的电流必须通过每个电阻(负载)才能返回搭铁。串联电路的特点:(1)由电流的连续性原理可知，串联电路中的电流处处相同，即流过R1,R2,R3的电流为同一电流，都等于电流大(2)由克希荷夫电压定律可知，总电压(电压降)等于各个电阻上分电压之和，即:下一页返回3.1串联电路(3)串联电阻(负载)的总电阻，等于各分电阻之和，即:(4)因为流过各串联电阻的电流I相同，所以每一个电阻上的电压和总电压之间的关系可表示为:上一页下一页返回3.1串联电路在实际工作中，电阻串联的应用十分广泛，例如，将电阻串联后可获得较大阻值的电阻;利用串联电阻构成分压器后可使一个电源供应几种不同的电压或从信号源中取出一定数值的电压;利用串联电阻的分压作用，可将额定电压较低的用电器联到电压较高的电路中使用;在电工测量中，可以利用串联电阻的方法来打一大电压表的量程。上一页返回3.2并联电路在电路中，如果有两个或更多个电阻分别连接在两个公共的节点之间，使每一个电阻承受同一电压，这种连接方式的电路称为并联电路，如图3一6所示。在并联电路中，电流可以同时流过一个以上的电阻(图3-6)。对于此种电路，一条支路中的部件损坏，不会影响其他支路中的部件工作。并联电路的特点:(1)并联电路中，各个电阻上的电压都相等，且等于电路两端的总电压，即:下一页返回3.2并联电路(2)并联电路中的总电流等于各并联支路电流之和，即:(3)并联电路总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和，即:上一页下一页返回3.2并联电路(4)在并联电阻电路中，每一个电阻上流过的电流为:(5)在并联电路中，各个电阻消耗的功率跟它们的阻值成反比，即:上一页返回3.3串一并联电路在一个电路中，既有电阻串联又有电阻并联的混合连接方式，称为串一并联电路或混联电路，如图3一8(a)所示计算电阻混联电路的方法和步骤如下:1.化简电路化简电路就是求电阻混联电路的等效电路。首先把电阻的混联电路分解为若干个串联和并联，然后分别求出串联和并联电阻的等效电阻，以等效电阻去取代电路中的串、并联电阻，就可得到电阻混联电路的等效电路。如果求得的等效电路中仍然包含着电阻的串联或并联，可继续用上述的方法来化简电路，直到求得最简单的等效电路为止。2.计算电路中的总电流3.其他计算返回3.4戴维南定理在图3一9(a)所示电路中，若只求支路电流几时，我们可以把这个电路划分为两部分，一部分是待求支路，另一部分是具有两个输出端的电路，如图3-9(b)所示。具有两个输出端的电路又称为二端网络。含有电源的二端网络称为有源二端网络，不含电源的二端网络称为无源二端网络。戴维南定理的内容:任何一个有源二端网络，都可以用一个等效电源来代替，如图3一9(c)所示。其等效电源电动势E0等于有源二端网络的开路电压，即E0=UAB;而等效电源内阻r0等于有源二端网络中所有电源不起作用(所有电动势都短接)时的无源二端网络的等效电阻，即:下一页返回3.4戴维南定理用戴维南定理求解复杂电路中某一支路电流的一般步骤如下:(1)断开待求电流的支路，得到一个有源二端网络，并画出电路图(2)求有源二端网络的开路电压UAB,即得到等效电源的电动势E0=UAB(3)将有源二端网络中的所有电动势短接，画出所得无源二端网络的电路图，并计算其竹效电阻RAB,即得到等效电源的内阻r0=RAB(4)画出由等效电源和待求支路组成的简单电路，用全电路欧姆定律计算待求电流上一页返回3.5电容器3.5.1电容器和电容量任何两块非常接近的金属导体，中间隔以不导电的绝缘物质(例如空气、蜡纸、云母片、涤纶薄膜、陶瓷等)，就形成一个电容器组成电容器的导体称为极板，隔离两极板的绝缘物质称为介质。在电路图中电容器用符号表示。如图3一11所示，当把电容器与直流电源相接时，电容器的两极板上就分别带上了等量的异种电荷。反映电容器储存电荷能力的物理量称作电容量，符号为C。电容器的电容量C等于它的任一极板所带电量P与加在电容器两端电压U的比值，即:下一页返回3.5电容器电容器的种类很多，按其结构可分为固定电容器、可变电容器和半可变电容器;按介质的不同又分为纸质电容器、云母电容器、电解电容器等。常见电容器的外形及符号如图3一12所示。3.5.2电容器的串联和并联当几个电容器串联时，可用一个等效电容器来代替。图3一13为两个电容器的串联电路串联时，每个电容器上的电荷U相等，每个电容器上的电压之和等于总电压，即:上一页下一页返回3.5电容器根据上述关系可得:可见，几个电容器串联时，其等效电容量C的倒数等于每个电容器电容量的倒数之和。图3一14为两个电容器的并联电路。电容器并联时，每个电容器两端的电压相同，每个电容器上的电荷相加等于并联电路内的总电荷，即:上一页下一页返回3.5电容器相除可得:3.5.3电容器的充电和放电1.电容器的充电如图3一15所示，把电容器与电阻R相串联后，再经开关S接到直流电源上(开关S置A端)，使电容器被充电。在电路刚接通的瞬间，因电容器上无电荷，两端的电压为零，这时允电电流最大。随着两极板上电荷的不断积累，电容器两端的电压逐渐增大，因此，允电电流不断减小。当电容器端电压与电源电压相等时，允电电流减至零，允电结束。此时电容器极板上的电荷达到稳定值Q，电容器相当于开路。上一页下一页返回3.5电容器2.电容器的放电如图3一16所示，在电容器允电完毕后，把开关S从A端迅速移至B端，电容器开始放电。在开始放电的瞬间，放电电流最大。随着电容器两极板上电荷的不断减少，其两端的电位差就逐渐降低，放电电流也逐渐减小。最后，电容器两端电压为零，放电结束。上一页返回图3一2串联电路返回图3一6并联电路返回图3一8电阻的混联及其等效电路返回图3一9戴维南等效电路图返回图3一11电容器电路返回图3一12部分电容器的外形、名称

和符号返回下一页图3一12部分电容器的外形、名称

和符号返回上一页图3一13两电容器的串联返回图3一14两电容器的并联返回图3一15电容器的充电返回图3-16电容器的放电返回第4章磁与电磁4.1磁场的基本物理量4.2电流的磁效应4.3磁路欧姆定律4.4磁场对电流的作用4.5电磁感应4.6常用电磁器件4.1磁场的基本物理量1.磁场与磁力线磁场是一种无形的场，它存在于磁铁和通电的导体周围，磁场具有力和能的性质，是一种不是由分子和原子构成的特殊物质。为了形象地描述磁场的强弱和方向，人们想象出磁力线，如图4一1所示。人们规定:磁力线在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。这样磁力线在磁体内外就形成了一条条不相交的闭合曲线。曲线上任何一点的切线方向(小磁针在该点静止后的指向)就是该点的磁场方向，如图4一2所示磁力线在磁极附近最密，这表明磁场最强。在现实中，还存在一种如图4一3所示，其内部各点的磁场强弱和方向都相同的均匀磁场。下一页返回4.1磁场的基本物理量2.磁感应强度磁场中垂直穿过单位血积上磁力线的条数叫做该血积所在处的磁感应强度，又叫磁通密度，是用来描述磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，通常用字母B来表示。

磁感应强度的单位是T(特斯拉，简称特)。一个特斯拉的磁感应强度定义是:把一根长度为1m的直导线，放置在和磁感应强度垂直的位置上，导线中通以1A的电流时，导线将受到1N的磁场作用力，这时的磁感应强度叫1T,即:上一页下一页返回4.1磁场的基本物理量磁感应强度是矢量，它不但能表示磁场中某点的磁场强弱，而且能表示出该点的磁场方向。规定:磁场中某点磁感应强度的方向就是该点的磁场方向。如果磁场中，各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场叫均匀磁场，又叫做匀强磁场。蹄形磁铁两极中间空间的磁场可以近似地看做均匀磁场。3.磁通量磁感应强度和与它垂直的某一截血积的乘积，叫做通过该血积的磁通量，换言之，磁场中穿过某一血积磁力线的条数叫做穿过该血积的磁通量，简称磁通，用中来表示。对于均匀磁场，因B为常数，则有:上一页下一页返回4.1磁场的基本物理量4.磁导率磁力线通过不同媒介质的能力是不同的。为了表征物质导磁的性能，我们引入了磁导率这个物理量，用字母”μ”表示，单位是H/m(亨利/米)，磁导率越大，物质的导磁能力越强。实验测得，真空的磁导率μ0=4π×10-7H/m因为拜。是一个常数，所以其他介质的磁导率都和μ0相比较，它们的比值称为该介质的相对磁导率，用μr表示，则有:上一页下一页返回4.1磁场的基本物理量5.磁场强度当考虑媒介质对磁场的影响后，会使磁场的计算变得复杂为便于计算，我们引人磁场强度这个物理量，用它来确定磁场和电流之间的关系，用字母H来表示如图4-5所示环形线圈中的磁场强度的方向就是线圈中磁场的磁力线方向，磁场强度的大小可以表示为:上一页返回4.2电流的磁效应4.2.1电流的磁场丹麦物理学家奥斯特于1819年发现，电流的周围存在着磁场。电流是产生磁场的根本原因。电流和磁场有着不可分割的联系，磁场总是伴随着电流而存在的，电流则永远被磁场所包围，磁场是由电流产生的。我们把电流产生磁场的现象称作电流的磁效应。如图4-6(a)所示，将小磁针放在通电直导体的下方，小磁针会转动，并停止在垂直于直导体的位置上。如果切断直导体中的电流，小磁针又恢复到指南北的位置;若改变电流的方向，小磁针会反向转动。上述实验表明:通电导体的周围存在着磁场，这个磁场与小磁针相互作用而使小磁针转动。下一页返回4.2电流的磁效应如图4-6(b)所示，在载流直导体周围撒上铁屑，由于通电导体产生磁场，所以铁屑形成了以通电导体为圆心的许多同心圆环。4.2.2安培定则1.通电直导体的磁场电流通过直导体时，导体周围产生磁场，其磁力线的分布是在垂直于导体的平血内，以导体为轴心的一组同心圆。其磁场方向可用安培定则也称右手螺旋定则来判断:用右手握住通电直导体，让拇指指向电流的方向，则弯曲四指的指向就是磁力线的方向，如图4-7所示实验证明:通电直导体周围各点磁场的强弱与导体中电流的大小成正比，与该点到导体的垂直距离成反比。上一页下一页返回4.2电流的磁效应2.通电螺线圈的磁场把直导线绕成螺线管线圈，并通人电流，结果通电线圈产生的磁场类似于条形磁铁的磁场，它是穿过螺线管横截血的闭合曲线。通电螺线圈中产生的磁场方向和电流方向也可用安培定则来判定:用右手握住线圈，让四个弯曲手指的方向和电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是线圈内部磁力线的方向，即N极的指向。通电螺线圈和条形磁铁一样，也存在着两个磁极，在线圈外部磁力线是从N极到S极，在线圈内部磁力线是从S极到N极，如图4-9所示实验证明:通电线圈磁场的强弱与线圈的匝数和通过线圈的电流成正比。增加线圈的匝数，磁力线密度随着增高，如图4一10所示。上一页返回4.3磁路欧姆定律1.磁路磁通(磁力线)集中通过的闭合路径称为磁路。在电器设备中，为了获得较强的磁感应强度，常常把磁通集中到一定形状的路径中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成各种形状的铁芯，使磁力线在铁芯中形成闭合回路。图4一12所示就是几种电器的磁路。2.磁路欧姆定律如图4-13(a)所示，在截血积为S的口字形铁芯上绕有一组线圈，形成无分支磁路。磁路中的磁通与产生磁通的磁源(磁通势)成正比，与磁路对磁通的阻碍作用(磁阻)成反比，这就是磁路欧姆定律。即:返回4.4磁场对电流的作用4.4.1磁场对通电直导体的作用如图4一14所示，在蹄形磁铁中悬挂一根直导体，并使导体垂直于磁力线，导体两端分别连接于蓄电池的两个极桩上。未通电时，导体是静止的。如果接通电源，导体就向一边运动，最后到达一个新的位置而平衡下来;若改变电流方向或对调磁极，导体将向另一边运动。这说明通电导体在磁场中将受到作用力，这种作用力叫磁场力。实验证明:在均匀磁场中，通电直导体受到电磁力F的大小与磁感应强度B成正比，与导体中的电流成正比，与导体在磁场中的有效长度L成正比。即:下一页返回4.4磁场对电流的作用实验还进一步证明:当导体与磁感应强度方向垂直时，导体所受的电磁力最大;平行放置时不受力。若直导体与磁感应强度的方向有夹角α时，如图4一15所示，可将导体分解出与B垂直的分量，因=Lsina，所以:载流直导体在磁场中的受力方向，可用左手定则来判断。具体方法是:将左手伸平，拇指与四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，则拇指所指的方向就是导体的受力方向，如图4一16所示上一页下一页返回4.4磁场对电流的作用4.4.2磁场对通电线圈的作用1.通电线圈磁场中受力转动如图4一17(a)所示，在均匀磁场中放置一个可绕轴。。’转动的通电矩形线圈是abcd。已知:ad=bc=L1,ab=cd=L2当线圈平血与磁力线平行时，因ab边与cd边与磁力线平行，所以电磁力为零，而ad边和bc边与磁力线垂直，所受电磁力最大，而且F1=F2=BIL1。此时，受电磁力作用的两个边称为有效边。根据左手定则可知:两条有效边的受力方向正好相反，ad边向上，bc边向下，且不作用在一条直线上，因而形成一对力偶，使线圈绕轴oo’做顺时针方向转动。2.通电线圈在磁场中的转矩转矩等于力偶中的任意一个力与力偶臂的乘积，因而图4一17(a)中，矩形线圈的转矩为:上一页下一页返回4.4磁场对电流的作用4.4.3磁场对通电半导体的作用(霍尔效应)如图4一18所示，把一块半导体基片(霍尔元件)放在磁场中。当在与磁场垂直的方向上通以电流时，则在与磁场和电流相垂直的另外横向侧血上产生电压。这一现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的，因此命名为霍尔效应。实验证明:霍尔效应中产生的电压UH(霍尔电压)的大小与通过半导体基片的电流I和磁场的磁感应强度B成正比，与基片的厚度d成反比，即:上一页返回4.5电磁感应4.5.1电磁感应现象及其产生的条件英国科学家法拉第在大量实验的基础上，于1831年发现了磁生电的重要事实及其规律—电磁感应定律。下血我们来看两个典型的电磁感应实验【实验一】在图4一19所示的均匀磁场中放置一根直导体AB，导体两端连接一个灵敏电流计G。当导体垂直于磁力线做切割运动时，可以明显地观察到电流计的指针偏转。当导体静止不动或平行于磁力线方向运动时，电流计的指针不转。

下一页返回4.5电磁感应【实验二】如图4-20所示，空心线圈两端连接灵敏电流计G当条形磁铁迅速插入线圈时，我们会观察到电流计的指针偏转。如果条形磁铁在线圈内静止不动，电流计指针也不转;如果将条形磁铁由线圈中迅速拔出，会看到电流计的指针反向偏转。上述两个实验证明:当导体切割磁力线运动或者线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈的闭合回路中就会有电流产生。上一页下一页返回4.5电磁感应4.5.2电磁感应定律1.楞次定律俄国物理学家楞次经过大量实验，于1834年发现了判定感应电流方向的重要定律—楞次定律，楞次定律又称电磁惯性定律。其内容是:感应电流产生的磁通总是企图阻碍原磁通的变化。应该注意的是:感应电流产生的磁通只是企图阻碍原磁通的变化，而不是阻碍原磁通的存在。上一页下一页返回4.5电磁感应用楞次定律判断感应电流(电动势)方向的步骤如下:(1)首先确定原磁通的方向及其变化的趋势(是增加还是减少)(2)根据楞次定律确定感应磁通的方向，与原磁通同向还是反向。(3)根据感应磁通的方向，应用安培定则判断出线圈中感应电流(电动势)的方向2.法拉第电磁感应定律楞次定律给出了当回路中的磁通量发生变化时判定感应电流(电动势)方向的方法，而法拉第电磁感应定律则给出如何计算感应电动势的大小。法拉第通过大量实验总结出:线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率和线圈的匝数成正比。这就是法拉第电磁感应定律，其数学表达式为:上一页下一页返回4.5电磁感应公式中的负号表示感应电流产生的磁通总是企图阻碍原磁通的变化。实际中判断感应电动势的方向还是楞次定律更方便，公式只用来计算感应电动势的大小。实验还证明:在均匀磁场中，作切割磁力线运动的直导体，其感应电动势。的计算公式为:上一页下一页返回4.5电磁感应4.5.3自感现象1.自感现象只要线圈中的磁通发生变化，就会产生感应电动势。根据线圈中磁通变化的原因，可以把电磁感应现象分为自感和互感两种形式。【实验一】在图4-24所示电路中，Hl,H2是两只完全相同的小灯泡，R为电阻,L是有铁芯的线圈，并且选择线圈的电阻和R相等。当开关S闭合时，灯泡H2立即亮起来，而灯泡H1却逐渐变亮。其原因是:通过线圈L中电流的增加，将引起通过线圈内磁通量的增加，根据楞次定律可知，线圈中将产生感应电流，感应电流的方向阻碍线圈中原磁通量的增加，它和原电流方向相反，使通过灯泡H1的电流不能立即增大，H1不能立即亮起来。

上一页下一页返回4.5电磁感应【实验二】在图4一25所示电路中，当开关S闭合后，Hl,H2立即变亮，H1亮一下后便逐渐熄灭，随着H1熄灭，H2比原来更亮。当S关断时，H2立即熄灭，而H1突然亮一下后再逐渐熄灭。这是因为S关断电路时，流过线圈中的电流突然减少，将引起通过线圈L的磁通量的减小。据楞次定律可知线圈中将产生感应电动势，由感应电动势产生的感应电流将通过灯泡H1，所以H1突然亮一下再熄灭。上一页下一页返回4.5电磁感应2.自感电动势的方向楞次定律告诉我们:自感电动势总是阻碍原电流的变化。当线圈中电流i增大(减小)时，自感电动势的方向与原电流方向相反(相同)，如图4-26所示3.自感电动势的大小实验证明:自感电动势的大小与线圈中电流的变化率成正比，即:上一页下一页返回4.5电磁感应4.5.4互感现象1.互感现象所谓互感，就是由于一个线圈中电流的变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象。这个感应电动势称为互感电动势，用em表示。2.互感电动势的方向互感电动势的方向也可用楞次定律来判定，其具体方法是:(1)根据线圈1中电流的方向，确定线圈2中互感磁通的方向;(2)根据线圈1中电流变化的趋势，确定通过线圈2中互感磁通的变化趋势;(3)根据楞次定律判断线圈2中感应磁通的方向;(4)根据安培定则判断互感电流(电动势)的方向。上一页下一页返回4.5电磁感应3.互感电动势的大小当互感线圈的几何尺寸、磁路性质等参数确定之后，互感电动势的大小与另一线圈中电流的变化率成正比，即:4.互感线圈的同名端互感电动势的方向不仅与磁通变化的趋势有关，而且还与线圈的绕向有关。为此，引入了同名端的概念。所谓同名端，就是指由于互感线圈的绕向一致而使其感应电动势极性一致的接线端。上一页下一页返回4.5电磁感应互感是希望有的一种感应。如汽车点火线圈便利用了互感原理，由于一次绕组磁场的迅速变化，二次绕组便产生高电压，如图4-29所示。互感现象在电工、电子技术中经常遇到。如变压器、电动机都是利用互感原理工作的。互感有时也有害，若线圈位置安排不当所产生的磁场就会相互干扰，因此必须抑制电磁干扰。上一页下一页返回4.5电磁感应4.5.5电磁干扰抑制EMI通常采用以下方法抑制:(1)增加导线的阻值，这是对待高压系统的通常作法，如点火系统的高压线。(2)将电容器和扼流线圈并联接人电路(3)用金属或金属喷涂的塑料来屏蔽导线或负载部件(4)采用指定的搭铁电路以减少搭铁通路的数目，从而提供阻值极低的、畅通的搭铁通路，提高抗干扰能力。上一页返回4.6常用电磁器件4.6.1开关开关是电路中最常用的部件，它能控制电路的通、断或引导电流到各个电路。开关总成内的触点副闭合时便通过电流，断开时便切断电流。常开式开关处于原始位置时为断开状态，只有受到外力作用时才会闭合;常闭式开关则正好相反。有些电气系统也采用单刀双掷开关，如汽车前照灯的变光开关。此种开关有一个输入端和两个输出端，电压加至远光电路或加至近光电路，由触点的位置决定，如图4一31所示最复杂是用作点火开关的联动式开关，如图4-32所示。五片电刷组合在一起并同时转动。

下一页返回4.6常用电磁器件当点火钥匙拧到启动位置时，所有电刷均转到原始位置，蓄电池电压送至点火线圈、启动继电器和点火模块，同时电路接通搭铁以检验仪表板上的警示灯。汽车上还采用一种水银开关。水银开关是一个两端密闭的小管，管内灌有部分水银，管的一端装有一对触点，如图4一33所示。4.6.2继电器继电器是一种根据电量(如电压、电流)或非电量(如时间、转速、温度、压力等)的变化，控制电路接通或断开的电磁开关。它是一种用小电流控制大电流的器件，用于自动控制汽车电气系统等。上一页下一页返回4.6常用电磁器件1.中间继电器中间继电器是一种中间传递信号的电磁继电器，可用于信号放大或将一个信号变成多个输出信号，从而增加信号控制电路的数目。图4-34所示为汽车电喇叭继电器。当电磁线圈中有电流通过时，铁心产生电磁力吸动衔铁，使触点闭合，电路接通;线圈中无电流通过时，铁心电磁力减退，在弹簧的作用下，触点打开，电路切断。

图4-35所示为继电器在喇叭电路的应用。上一页下一页返回4.6常用电磁器件2.电流继电器电流继电器是反映电流变化的继电器，它的线圈匝数少而线径粗，与负载串联。电流继电器分过电流继电器和欠电流继电器，当过电流继电器的负载电流超过额定值时，衔铁吸合触点动作，切断供电主回路。4.6.3电阻调节器1.步进式变阻器步进式变阻器通常用于电动机变速，如图4一36所示2.可变电阻最常用的可变电阻是变阻器和电位计。变阻器有两个端子，一个端子与变阻器的固定端相连，另一个端子接电刷，如图4一37所示。上一页返回图4一1磁铁的磁力线返回图4一2磁力线是闭合曲线返回图4一3均匀磁场返回图4一5环形线圈返回图4一6通电直导体的磁场返回图4一6通电直导体的磁场返回图4-7通电直导体磁场的判定返回图4一9通电线圈磁场的判定返回图4一10磁力线密度随着匝数增加而增高返回图4一12磁路返回图4一13无分支磁路返回图4一14磁场对通电导体的作用返回图4一15导体与磁感应强度方向有夹角返回图4一16左手定则返回图4一17磁场对通电线圈的作用返回图4一18霍尔效应示意图返回图4一19直导体的电磁感应现象返回图4一20磁铁在线圈中运动返回图4一24自感现象实验一返回图4一25自感现象实验二返回图4一26自感电动势的方向返回图4一29点火线圈利用互感原理返回图4一31前照灯系统简图返回图4一32点火开关的说明返回图4一33水银开关返回图4一34汽车电喇叭继电器返回图4一35继电器用于喇叭电路返回图4一36步进式变阻器用于电动机变速返回图4一37变阻器可用来调节灯的亮度返回第5章交流电路

5.1交流电的基木概念

5.2单相交流电路

5.3三相交流电路

5.1交流电的基木概念5.1.1交流电的产生交流电是由交流发电机产生的。图5-2是最简单的单相交流发电机的示意图，这种特定的结构形式，使得磁极与电枢之间空气隙中的磁感应强度按下列规律分布:磁力线垂直于电枢表面;电枢表面任一点的磁感应强度按正弦规律分布，如图5-2(b)所示。因此磁感应强度B为:下一页返回5.1交流电的基木概念设线圈起始位置与中心面夹角为φo，当电枢以等角速度w按逆时针方向旋转时，线圈两有效边a和b(a=b=l)以线速度v垂直切割磁力线，在时间t时刻，其感应电动势e的大小为:设Em=2BmLv，可得交流电动势瞬时表达式:上一页下一页返回5.1交流电的基木概念同理，可得交流电压、电流的瞬时表达式:5.1.2正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素是指能够完整地描述和表达正弦交流电的三个基本物理量，即最大值、频率和初相位。1.频率、周期和角频率频率、周期和角频率都是描述正弦交流电变化速度的物理量。频率是指交流电每秒变化的次数，用f表示，单位是赫兹(周/秒)，简称赫，用符号H，表示。实际应用中还有千赫(kHz)和兆赫(MHz)，它们之间的换算关系是:上一页下一页返回5.1交流电的基木概念周期与频率互为倒数，即:角频率是指交流电每秒变化的电角度，用w表示，单位是rad/s(弧度/角频率和频秒率之间的关系为:上一页下一页返回5.1交流电的基木概念2.瞬时值、最大值和有效值交流电是随时间而变化的，我们把交流电在某时刻所对应的电动势、电压、电流的数值叫做瞬时值，分别用。e,u,i表示;最大的瞬时值称为最大值，也称作振幅、幅值或峰值，分别用Em,Um,Lm表示。交流电的最大值和瞬时值只能表征交流电的极限和在某时刻的大小，而不能正确反映其实际做功能力，为此，我们引入交流电有效值的概念。设交流电和直流电分别通过阻值相同的电阻，如果在相同的时间内产生的热量相等，那么就规定这个直流电动势、电压、电流的数值就称为交流电的有效值，分别用E,U,I表示。人们平时所说的交流电流、电压、电动势的数值，如5A,220V,380V等都是指其有效值。交流电压表、交流电流表所指示的数值也是有效值。上一页下一页返回5.1交流电的基木概念3.相位、初相位和相位差相位是反映交流电变化进程的物理量。前面公式中的wt和wt+φ称为相位角或相位初相位是指交流电在计时起点t=0时的相位角φ0的值相位差是两个交流电的相位之差，用△φ表示。显然，两个同频率交流电的相位差就是其初相位之差，即:上一页下一页返回5.1交流电的基木概念5.1.3交流电的表示方法交流电一般有三种表示方法:第一种是解析法，用瞬时表达式表示;第二种是曲线法，用波形图表示;第三种是旋转矢量法，用矢量图表示。所谓旋转矢量法，就是在直角坐标系中，用一个绕原点不断旋转的矢量来表示交流电。旋转矢量常用最大值表示。交流电是时间的函数，且旋转矢量的三个特征(长度、转速、与x轴的夹角)可以分别表示交流电的三个要素最大值或有效值、角频率、初相位。上一页返回5.2单相交流电路5.2.1纯电阻电路在纯电阻电路中，负载是纯电阻，其电压、电流的方向如图5一7(a)所示。设在电阻两端加一正弦电压:通过电阻的电流i和所加电压uR之间的关系按欧姆定律有:下一页返回5.2单相交流电路在纯电阻电路中，电阻在某瞬时消耗的功率叫做瞬时功率。瞬时功率等于瞬时电压和瞬时电流的乘积，即PR=URi瞬时功率随时间变化的波形，如图5一8所示。由于电阻两端电压和所通过的电流同相，它们同时为正或同时为负，所以任何时刻的瞬时功率PR

≥0。这说明电阻在电路中是消耗功率的，电阻消耗的电能是由电路中电源提供的。瞬时功率是随时间变化的函数，不同时刻的瞬时功率也不同。为了反映电阻R所消耗功率的大小，我们引入平均功率的概念。

上一页下一页返回5.2单相交流电路瞬时功率对时间的平均值叫平均功率。通常都是计算一个周期内取用功率的平均值，平均功率又称有功功率，用P表示，单位为W(瓦)当电流、电压用有效值表示时，其有功功率P的计算与直流电路相同，即:上一页下一页返回5.2单相交流电路5.2.2纯电感电路

图5-9所示为纯电感电路。由电感线圈作负载组的交流电路，可近似看成纯电感电路。电感线圈在通过交流电流时会产生自感电动势阻碍电流的通过，电感线圈对交流电的这种阻碍作用称作感抗，用XL表示，单位是Ω(欧姆)。感抗与交流电的频率、线圈的电感成正比。即:上一页下一页返回5.2单相交流电路5.2.3纯电容电路由电容作负载组成的交流电路可近似看成纯电容电路，如图5一10所示。由于在电容器两端加上交变电压后，电容器会不断地允放电，因而在电路中形成允放电电流。因为电容器的允放电过程需要一定时间，所以其两端电压的变化总要滞后于其电流的变化。我们把电容器对交流电的阻碍作用叫做容抗，用XC表示，单位是Ω(欧姆)。容抗与交流电频率和电容器容量成反比，即:上一页返回5.3三相交流电路5.3.1三相交流电的产生三相交流电是由三相交流发电机产生的。图5一11是三相交流发电机的原理结构图。下一页返回5.3三相交流电路5.3.2三相绕组的连接三相交流发电机在向外供电时，三相绕组的连接方式可分为星形连接和三角形连接两种。1.三相绕组的星形连接将发电机三相绕组的末端U2,V2,W2接在一起，成为一个公共点，这一点叫做中性点或零点，用N表示。从电源中性点N引出的输电线叫中性线，简称中线或零线，也叫地线。从三个始端U1,V1,W1，分别引出三根接负载的导线，称为相线或端线，也叫火线。三相绕组这种连接方式叫做发电机三相绕组的星形(或Y形)连接，如图5一13所示上一页下一页返回5.3三相交流电路2.三相绕组的三角形连接将三相交流发电机每相绕组的末端和相邻绕组的始端依次连接起来，构成一个三角形闭合回路，然后再从三个连接点分别引出三根导线向外供电的连接方式，称为三相绕组的三角形(△)连接法，如图5一15所示。5.3.3三相负载的连接1.三相负载的星形连接如图5一16所示，把三相负载分别接在三相电源的相线和中性线之间，称为三相负载的星形连接，其中N’称为负载的中性点。三个端点A,B,C和N点分别与三相电源的相线U,V,W和中线N连接，这种连接方式称负载星形连接的三相四线制。上一页下一页返回5.3三相交流电路从图中可以看出，各相负载的相电压就是电源的相电压，因此电源的线电压是负载相电压的倍，即:若在三相电压是对称的且各相负载也是对称的情况下，每相负载通过的电流大小相等，彼此有120°的相位差，这种电路叫三相对称电路。其中线电流为零。此时中线可不接，三相四线制变成了三相三线制。如图5一17所示，当三相负载不对称时，三相电流的大小不同，中线上有电流。因此，在三相负载不对称的星形电路中，绝对不能去掉中线，中线上也不允许加装熔丝和开关等断流装置。上一页下一页返回5.3三相交流电路2.三相负载的三角形连接三相负载的三角形连接和三相绕组的三角形连接相仿，将三相负载首尾相接，构成一个闭合回路，再把三个接点分别接在三根火线上，就构成了三相负载的三角形连接电路，如图5一18所示上一页返回图5一2最简单的交流发电机不意图返回图5一7纯电阻电路返回图5一8电阻消耗的功率波形返回图5一9纯电感电路返回图5一10纯电容电路返回图5一11三相交流

发电机的原理结构图返回图5一13三相绕组星形连接返回图5一15三相绕组三角形连接返回图5一16三相负载的星形连接返回图5一17星形连接的

三相三线制电路返回图5一18三相负载的三角形连接返回第6章半导体基本知识

6.1半导体及其特性

6.2本征半导体和杂质半导体

6.3PN结6.1半导体及其特性自然界中的物质，按照它们的导电能力可分为导体、绝缘体和半导体三类。导电性介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、砷化稼以及大多数金属氧化物和硫化物等半导体的最大特点是其导电能力受温度、光照、掺杂等影响很大。一般说来，半导体材料有三个特点:(1)大部分半导体的导电能力随温度升高而增强。(2)半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。(3)如果在纯净的半导体中掺入微量的其他元素(通常称作掺杂)，半导体的导电能力会随着掺杂浓度的变化而发生显著变化。返回6.2本征半导体和杂质半导体6.2.1本征半导体本征半导体就是完全纯净的具有品体结构(即原子排列按一定规律排得非常整齐)的半导体。典型的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)，它们都是四价元素，即每个原子的最外层有四个价电子，其原子结构如图6一1所示。每相邻原子之间都共有一对电子，使相邻两原子紧密地联系在一起，形成共价键结构，如图6-2(a)所示。硅和锗等半导体材料都是晶体结构，因此，用半导体材料制成的二极管和三极管等又叫晶体管。下一页返回6.2本征半导体和杂质半导体在温度接近绝对零度(-273℃)时，共价键中的价电子被束缚得很紧，本征半导体基本上没有自由电子，不能导电，此时就是一个绝缘体。在室温下，共价键中的价电子受热的激励，使少量价电子获得足够多的能量后摆脱共价键的束缚而成为自由电子，这时在原来的位置上留下一个空位，叫做空穴，如图6-2(b)所示。自由电子带负电，空穴因失去电子而带正电。在本征半导体中，有了一个自由电子，就必然产生一个空穴，两者的数量相等。电子和空穴不断地产生，也不断地复合，在一定的温度下，半导体材料中保持一定数量的自由电子和空穴。上一页下一页返回6.2本征半导体和杂质半导体6.2.2杂质半导体本征半导体载流子数目一般是很少的，还不能用它来制造半导器件。若在本征半导体内掺入少量的杂质元素，情况就大不一样了。为了提高半导体的导电能力，可在本征半导体中掺入微量某种元素，被掺入的微量元素叫做半导体的杂质，掺入杂质后的半导体叫杂质半导体,杂质半导体有N型和P型两类1.N型半导体在本征半导体硅(或锗)的晶体中掺入微量的五价元素磷P(或砷As,锑Sb)，使某些位置的硅原子被磷原子代替。由于每个磷原子的最外层有五个电子，其中四个电子分别与邻近的四个硅原子的电子相结合组成四对共有电子形成共价键以外，还多出一个受原子核束缚较弱的电子，而成为自由电子，如图6-4所示上一页下一页返回6.2本征半导体和杂质半导体可见，掺入磷原子的结果，使品体中自由电子大量增加，自由电子成为半导体导电的多数载流子，使半导体的导电能力显著增强，这种主要靠电子导电的半导体称为电子型半导体或N型半导体2.P型半导体在本征半导体硅(或锗)的晶体中掺入微量的三价元素硼B(或铝Al,稼Ga,铟In)，由于硼原子的最外层只有三个电子，当它与邻近的四个硅原子相结合而形成共价键时，就自然提供了一个空穴，如图6-5所示。在这种半导体中，由于掺入了微量杂质元素硼，半导体中空穴的数目大大的增加，空穴数目的增加也同样增加了电子和空穴的复合机会，使自由电子数目减少。因此，在半导体中，空穴数目远远大于电子数目，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。这类半导体主要靠空穴导电，称为空穴半导体或P型半导体。上一页返回6.3PN结6.3.1PN结的形成当把P型半导体和N型半导体用一定的工艺结合在一起时，在它们的交界面处形成一个带电的空间电荷区，称为PN结。下面讲述PN结的形成过程。当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面两侧载流子的浓度差别较大，故在交界面附近产生多数载流子的扩散运动。由于N区中的电子浓度远大于P区中电子浓度，因此电子将从N区向P区扩散;同样，P区的空穴也将向N区扩散，如图6一6(a)所示

下一页返回6.3PN结在扩散之前，P型半导体和N型半导体都是电中性的，在交界面处没有电场。扩散开始后，在靠近交界面处，N区一边由于跑掉了自由电子而剩下不可移动的正离子层;P区一边由于跑掉了空穴而剩下不可移动的负离子层，结果形成一个空间电荷区。同时，正、负离子集中在交界面附近就会形成一个电场，称为内电场，其方向是由N区指向P区，如图6一6(b)所示6.3.2PN结的单向导电特性1.正向导通特性在PN结两端加上不同极性的外加电压时，PN结呈现不同的导电性。如果将PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，称为给PN结加上正向电压(或称正向偏置)，如图6一7所示。上一页下一页返回6.3PN结2.反向截止特性如果将PN结的N区接在电源的正极，P区接在电源的负极，称为给PN结加上反向电压或称反向偏置)，如图6一8所示。上一页返回图6一1硅、锗原子结构返回图6一2硅单晶体的结构返回图6一2硅单晶体的结构返回图6一4硅晶体

中掺磷出现自由电子返回图6一5硅

晶体掺硼出现空穴返回图6一6PN结的形成返回图6一6PN结的形成返回图6一7PN结正向导通返回图6一8PN结反向截止返回第7章晶体二极管

7.1晶体二极管的结构及分类

7.2二极管的特性

7.3二极管的主要参数

7.4二极管的简易测试

7.5二极管的应用

7.6滤波电路7.1晶体二极管的结构及分类具有一个PN结的半导体器件称为半导体二极管或晶体二极管，简称二极管。具体地说，晶体二极管是由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成的。P区引出线叫正极，N区引出线叫负极，其结构如图7一1(a)所示。二极管的符号如图7一1(b)所示。根据PN结接触面的大小，二极管可分为点接触型和面接触型两类，如图7一2所示。下一页返回7.1晶体二极管的结构及分类面接触型二极管(一般是硅管)的PN结面积大，可以通过较大的电流(几百毫安至几百安)，但是，由于其结电容大，因此，不能用于高频电路，只适用于低频电路和整流电路。根据所用半导体材料的不同，二极管又分为硅管和锗管两类。依据用途的不同，二极管又分为普通二极管、整流二极管、开关二极管和稳压二极管，还有光电二极管、发光二极管等。上一页下一页返回7.1晶体二极管的结构及分类为了满足汽车等机动车中交流发电机整流电路的需要，专门研制了汽车用整流二极管，分为正极管和负极管两种。正极管的外壳为负极，引出线为正极，以红色标记;负极管的外壳为正极，引出线为负极，以黑色标记。汽车专用硅整流二极管外形如图7一3所示。按国家标准GB249-1974规定，国产二极管的型号由五个部分组成，见表7一1。上一页返回7.2二极管的特性7.2.1单向导电性由PN结的单向导电性可知，给二极管两端加正向电压时，二极管处于导通状态，允许通过较大的电流，其正向电阻值很小;给二极管两端加反向电压时，二极管处于截止状态，允许通过的反向电流很小，其反向电阻值很大。当二极管负极通过灯泡与电源负极连接，二极管正极与电源正极连接，即给二极管加上正向电压时，如图7一4(a)所示，电路中的灯泡将发亮，说明二极管处于导通状态，相当于电路接通，其等效电路如图7一4(b)所示。当二极管负极与电源正极连接，二极管正极通过灯泡与电源负极连接，即给二极管加上反向电压时，如图7-5(a)所示，电路中的小灯泡始终不亮，说明二极管处于截止状态，相当于电路断开，其等效电路如图7一5(b)所示。下一页返回7.2二极管的特性7.2.2伏安特性二极管的单向导电性，可用其伏安特性来表示。将二极管按图7一6连接，可以测出它的伏安特性，即流过二极管中的电流和加在它两端电压之间的关系曲线。1.正向特性二极管两端不加电压时，其电流为0，故特性曲线从坐标原点开始。当外加正向电压时，二极管内有正向电流通过。当正向电压较小时，外电场不足以削弱内电场，多数载流子的扩散运动受到较大阻碍。此时，二极管的正向电流很小，称为死区。硅管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0.1V。上一页下一页返回7.2二极管的特性2.反向特性当给二极管加上反向电压时，反向电流极小，可以认为二极管是不导通的。反向电流越小，说明二极管的反向电阻越大，反向截止性能越好。在一定范围内，二极管反向电流基本上恒定，与反向电压的高低无关，故称为反向饱和电流。一般硅管的反向电流比锗管小很多(通常硅管为几微安到几十微安，而锗管可达几百微安)。当反向电压增加到某一值时，反向电流将突然增大，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压UBR。二极管发生反向击穿后，由于其反向电流突然增大，可能导致PN结烧坏，因此在二极管工作时，所加的反向电压值应小于其反向击穿电压。上一页返回7.3二极管的主要参数1.最大整流电流IOM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流要小于这个电流，否则，电流过大，将因PN结过热而烧坏二极管。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下，而专门为整流电路设计的整流二极管的最大整流电流可达几个安培或更大。总之，最大整流电流的大小由PN结的面积与散热条件决定。下一页返回7.3二极管的主要参数2.最高反向工作电压URM为确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压称为二极管的最高反向工作电压URM。一般在半导体器件手册中给出的最高反向工作电压为击穿电压的一半或三分之二例如2CP10型硅二极管的最高反向工作电压为25V，而反向击穿电压约为50V点接触型二极管的最高反向工作电压一般是数十伏，而面接触型二极管的最高反向工作电压可达数百伏。3.反向电流lR二极管加最高反向工作电压时的反向电流lR是二极管质量指标之一。反向电流愈大，说明二极管的单性导电性愈差，且受温度影响愈大;反之，反向电流愈小，则单向导电性愈好。上一页返回7.4二极管的简易测试7.4.1判断二极管的极性1.从外观上识别二极管的极性二极管的极性，有的可以从外观上进行识别，如图7一8所示。2.用万用表来识别二极管的极性7.4.2判断二极管的好坏在判断二极管极性时，若两次测得的电阻均很小，则二极管内部短路;若两次测得的电阻值均为无穷大，则说明二极管内部断路;若两次测得的电阻值差别甚大，则说明二极管很好。返回7.5二极管的应用7.5.1二极管单相半波整流电路1.电路的组成及整流原理

图7-10为二极管单相半波整流电路的原理图，它由电源变压器Tr,整流二极管D和直流负载电阻RL所组成当交流电压加在变压器一次侧时，整流电的交流输入电压，，即为变压器二次侧电压，所以u的波形如图7一11(a)所示下一页返回7.5二极管的应用2.负载上的直流电压U0和电流I0经整流后，负载电压在一个周期内的平均值叫做负载的直流电压，用U0表示。其值为:上一页下一页返回7.5二极管的应用流过负载RL的直流电流I0为:3.整流二极管的选择由于二极管D与负载RL是串联的，所以流过二极管的正向电流平均值ID等于流过负载RL的直流电流I0,即:上一页下一页返回7.5二极管的应用二极管在反向截止时，所承受的反向电压为变压器二次电压u，因此u的最大值就是二极管截止时所承受的最高反向电压，即:7.5.2二极管单相桥式整流电路1.电路的组成及整流原理

图7一12为二极管单相桥式整流电路原理图当交流电压加在变压器一次侧时，整流电的交流输入电压u，即为变压器二次侧电压，所以上一页下一页返回7.5二极管的应用u的波形如图7一13(a)所示2.负载上的直流电压U0和电流I0由于全波工作，桥式整流电路输出电压的平均值u0，比半波整流时增加了一倍，即流经负载的直流电流I0也比半波整流时增加了一倍，即上一页下一页返回7.5二极管的应用3.整流二极管的选择