电工学第8章-10

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1、1、性质：是一门技术基础课。,2、特点：,a、非纯理论性课程,b、实践性很强,c、以工程实践的观点处理电路中的一些问题,3、内容：以器件为基础，以信号为主线，研究各种电 路的工作原理、特点及性能指标等。,4、目的：了解一般的常用器件，掌握对基本电子电路 的分析方法及计算方法。,电子技术,主要教学内容：器件与电路及应用,模拟电子技术,电子技术,电子元器件,电子电路及其应用,二极管,三极管,集成电路,放大电路,滤波电路,电源,信号检测 压力、温度、水位、流量等的测量与调节 电子仪器 ,电子技术的应用,智能小区,汽车电子,电子技术的应用, 电源, 发动机控制, 行驶装置, 报警与安全装置, 仪表,

2、娱乐通讯,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。 如：硅、锗、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 改变。,结构特点：最外层电子（价电子）都是四个。,半导体的主要特点：,8.1半导体的基础知识,一、本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价键,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子或束缚电子。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,价电子,价电子在获得一定能量（温度

3、升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发。,本征半导体的导电机理,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递

4、补空穴 空穴电流,注意： (1)本征半导体中存在数量相等的两种载流子， 即带负电的自由电子和带正电的空穴。 (2)本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差。 (3)温度愈高，载流子的浓度越高，载流子的数目就越多,半导体的导电性能也就越好。所以，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素， 这是半导体的一大特点。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,二、杂质半导体,P 型半导体：,N 型半导体：,空穴数量 自由电子数量,多数载流子,少数载

5、流子,自由电子数量 空穴数量,与浓度有关,与温度有关,靠空穴导电,靠自由电子导电,定义：渗入少量杂质的半导体,向本征半导体中渗入少量3价元素而形成,向本征半导体中渗入少量5价元素而形成,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽

6、,漂移使空间电荷区变薄,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,三、PN 结,称为PN结,1.PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散、漂移，在它们的交界面处就形成了PN 结。,扩散运动：多数载流子由浓度差形成的运动,漂移运动：少数载流子在内电场作用下形成的运动,（1）PN 结正向偏置,P,N,+,_,I,2.PN 结的特性,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,扩散运动漂移运动,（2）PN 结反向偏置,N,P,+,_,R,E,I0,扩散运动 漂移运动,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，

7、但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,PN结具有单向导电性 正向偏置时，PN结处于导通状态 呈现正向电阻很小，电流较大,反向偏置时，PN结处于截止状态 呈现反向电阻很大，电流较小,反向电流受温度影响较大,通过分析可知：,8.2 半导体二极管,（一） 基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,一、普通二极管：,正向,1.正向特性： 当正向电压超过死区电压后，二极管导通,（二）伏安特性,反向,I,导通压降 硅管0.7V,锗管0.3V,死区电压 硅管0.5V, 锗管0.2V,正向,伏,毫安,2.反向特性：,击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性

8、被破坏，甚至过热而烧坏,硅管：几A,锗管：几百A,反向击穿电压:,反向饱和电流:,3.近似和理想伏安特性,考虑二极管导通电压时的伏安特性,忽略二极管导通电压时的伏安特性,硅管：0.7V,锗管：0.3V,（1）近似特性,（2）理想特性,（三）主要参数,1.额定正向平均电流（最大整流电流）IF：,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流,3.最高反向工作电压UR：,指不被击穿所允许施加的最大反向电压，手册上给出的最高反向工作电压,4.反向电流IRm：,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越

9、大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,选择和使用二极管的依据,2.正向电压降UF：,IF所对应的电压,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析

10、二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,应用一、箝制电位的作用：将电路某点的电位箝制在某一数值。,例1：已知：DA和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位VF的值。（1）,（四）二极管的主要应用,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例2：,取 B 点作参考点，断

11、开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起箝位作用。,例3:电 路 如 图 所 示，设 二 极 管 D1，D2，D3 的 正 向 压 降 忽 略 不 计，求 输 出 电 压 uO。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例4:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起箝位作用， D1起隔离作用。,

12、应用二、隔离的作用：二极管截止时相当于开路，可用来隔断电路或信号之间的联系。,ui 2V，二极管导通，可看作短路 uo = 2V ui 2V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： US=2V，二极管是理想的，试画出 uo 波形。,2V,例5：,参考点,二极管阴极电位为 2 V,应用三、限幅的作用：将输出电压的幅值限制在某一数值。,思考：当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、 3sint V 时，uo 的波形又将如何？,P216 图8.2.5,（1）单相半波整流,利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动的直流电。,特点：只利用了半个周期。,应用四、整流的作用,本课小结

13、,二极管的应用,应用一、箝制电位作用,应用二、隔离作用,二极管的特性：单向导电性,正向导通，反向截止。,应用三、限幅作用,应用四、整流作用,例: 半 导 体 的 导 电 能 力（ ）。 (a) 与 导 体 相 同 (b) 与 绝 缘 体 相 同(c) 介 乎 导 体 和 绝 缘 体 之 间,例: 理 想 二 极 管 的 正 向 电 阻 为（ ）。 (a) 零 (b) 无 穷 大 (c) 约 几 千 欧,例: 电 路 如 图 所 示，二 极 管 D1，D2 均 为 理 想 元 件， 则 电 压 uAO=（ ）,*二、光电二极管（光敏二极管）,作用：将光信号转化为电信号。 反向电流随光照强度的增加

14、而上升。,光电二极管电路,发光二极管电路,*三、发光二极管,作用：将电信号转化为光信号。 发光的颜色取决于制造材料。,*四、光电耦合器（光电隔离器）,作用： 电气隔离； 抗干扰； 系统保护。,8.3 直流稳压电源的组成,大小不合适的交流,大小合适的交流,脉动直流,不稳定的直流,稳定直流,电源变压器,将市电变换为整流所需的 交流电压,整流电路,将交流电变换为方向不变 的直流电,滤波电路,将脉动直流电变换为平滑 的直流电压,稳压电路,将不稳定的直流电压变换 为稳定直流电压,整流电路的作用: 将交流电压转变为方向不变的脉动的直流电压。,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。

15、,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,8.4 整流电路,1.电路及工作原理（工作过程分析）,单相桥式整流电路,正半周:,u20，,uo= u2,D1和D3导通,图 8.2.6 单相桥式整流电路,负半周:,u2 0，,uo=u2,D2和D4导通,图 8.2.6 单相桥式整流电路, D上的平均电流：, D上承受的最高反向电压：,=0.9 U2,整流输出电压、电流的平均值：,2.单向桥式整流电路的数量关系：,负载的直流电压,整流电路的输入电压为：,负载的直流电流,二极管的平均电流,(每个二极管只导通半周),二极管反向电压最大值,选择二极管的依据：,介绍整流桥块,正确使用：,图 8.2.7 桥式整流块,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。,滤波电路的作用： 把脉动性比较大的直流电压变成比较平缓的直流电压,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。,8.5 滤波电路,1、工作原理,电源电压上升时，给负载供电的同时也给电容充电。电源电压下降时，电容放电将储存的能量输送给负载，使波形平