电工电子技术教学PPT

第5章常用电子器件及其应用5.1半导体二极管5.2半导体三极管5.3场效应管5.4晶闸管5.5拓展实训5.1.1半波整流电路设计5.1.2二极管工作原理与特性参数5.1.3常见二极管及其应用5.1.4二极管整流电路5.1.5二极管稳压电路5.1.6带有半波整流器的照明电路设计过程5.1半导体二极管目前，人们多用日光灯照明，但是由于日光灯长时间点燃，再加上电源电压不稳定，经常造成日光灯烧毁损坏。另外，日光灯受电压、气候、环境温度的影响特别大，尤其在气温低、电压低时，电流小，灯丝预热不行，易造成启动困难，灯光忽明忽暗。试设计一个半波整流电路，改善上述问题。5.1.1半波整流电路设计1.设计目的通过设计日光灯的半波整流电路，掌握单相半波整流电路的组成和工作原理。2.设计内容选择合适的二极管，设计一个单相半波整流电路，改善日光灯照明中存在的问题。思考：什么是二极管？它是如何工作的？1.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。它具有共价键结构。锗和硅的原子结构单晶硅中的共价键结构价电子硅原子5.1.2二极管工作原理与特性参数在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。在常温下自由电子和空穴的形成复合自由电子本征激发电子空穴电子电子电子空穴电子电子电子电子电子空穴2.N型半导体和P型半导体原理图P自由电子磷原子正离子P+在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。多余价电子电子电子少子多子正离子在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子N型半导体P型半导体在硅或锗中掺入三价元素如硼或铝镓，则形成P型半体。BB-硼原子负离子空穴填补空位在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。空穴电子电子电子电子电子多子少子负离子用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结。P区N区P区的空穴向N区扩散并与电子复合N区的电子向P区扩散并与空穴复合空间电荷区内电场方向3.PN结的形成空间电荷区内电场方向在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。P区N区多子扩散少子漂移4.PN结的单向导电性P区N区内电场外电场EI空间电荷区变窄P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和N区电子进入空间电荷区和一部分正离子中和扩散运动增强，形成较大的正向电流。外加正向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走空间电荷区变宽内电场外电场少子越过PN结形成很小的反向电流IRE外加反向电压N区P区二极管的主要参数1)额定正向工作电流指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为140℃左右，锗管为90℃左右)时，就会使管芯过热而损坏。例如，常用的IN4001-4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。2)正向电压降指二极管导通后，其两端产生的电压降，如锗管约为0.3V，硅管约为0.7V。在一定的正向电流下，二极管的正向电压降越小越好。FIFV3)最高反向工作电压指二极管在工作中所能承受的最大反向电压值，略低于二极管的反向击穿电压。例如，IN4001二极管的最高反向工作电压为50V，IN4007的为1000V。4)反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。RVRI5.1.3常见二极管及其应用1.检波二极管利用单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号检出来。其工作频率较高，处理信号幅度较弱，被广泛应用于半导体收音机、电视机及通信设备等的小信号电路中。2.整流二极管利用单向导电性将交流电变成直流电。它有金属封装、塑料封装、玻璃封装等多种形式，广泛应用于电动机自控电路、变压器及各种低频整流电路中。目前，国产低频整流二极管有2CP系列、2DP系列和2ZP系列；高频整流二极管有2CZ系列、2CP系列、2CG系列和2DG系列等。3.稳压二极管既有普通二极管的单向导电性，又可工作于反向击穿状态。稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。根据其封装形式可分为金属封装、玻璃封装和塑料封装；按其电流容量可分为大功率(2A以上)和小功率稳压二极管(1.5A以下)；按内部结构可分为单稳压二极管和双稳压二极管。4.开关二极管开关二极管是利用单向导电性制成的电子开关，如图所示。它具有良好的高频开关特性，广泛应用于电视机、家用计算机、通信设备及仪器仪表及各类高频电路中。5.发光二极管发光二极管(LED)是一种由磷化镓(GaP)等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光，因此被广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中，作电源指示或电平指示。6.光电二极管又称光敏二极管，它利用光生伏特效应把光信号转化为电信号。即当二极管受到光照时，即使没有外加偏压，PN结也会产生光生电动势，外接电路中有光电流通过。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫做暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。它广泛应用于光电探测器和光通信等领域。7.肖特基二极管一种低功耗、超高速半导体器件。显著特点：反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0.4V左右，是高频和快速开关的理想器件，其工作频率可达100GHz，多用于高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也可用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。5.1.4二极管整流电路1、单相半波整流电路当为正半周期时，二极管D处于正向导通状态，电流流过负载，负载上的电压。当为负半周期时，二极管D处于反向截止状态，没有电流流过负载，负载上的电压。o20.45UUo2LL0.45UUIRRLR2ouuLR0ou负载上的直流电压负载上的直流电流为2、单相全波整流电路当处于正半周时，二极管D1处于正向导通状态，二极管D2处于反向截止状态，电流由1端经负载流回中点O；当处于负半周时，二极管D1处于反向截止状态，二极管D2处于正向导通状态，电流由2端经负载流回中点O。因此，利用交流电源的两个半波，使得两个二极管在一周期内轮流导通，在负载上得到方向一致的电流，所以称全波整流电路。21u21uLRLRo2220.450.9UUUo2LL0.9UUIRRIII2121则负载上的直流电流为流过二极管D1和D2的电流相等，即负载上的直流电压为3、单相桥式整流电路当处于正半周时，二极管D1和D3正向导通，二极管D2和D4反向截止，电流由1端经D1、负载和D3流向2端；当处于负半周时，二极管D2和D4正向导通，二极管D1和D3反向截止，电流由2端经D2、负载和D4流向1端。因此，无论处于正半周还是负半周，都有电流流过负载，且电流方向不变，这与全波整流电路相同。2u2uLRLR单相半波整流电容滤波电路5.1.5二极管稳压电路稳压二极管是利用二极管在反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特性进行稳压。当负载电阻不变而输入电压增大时，iuOUOZUUZIZLRIIIRUORUUUOZUUZIZLRIIIRUORUUULRLI当负载电阻不变而输入电压增大时，5.1.6带有半波整流器的照明电路设计过程5.2三极管5.2.1三极管放大电路设计5.2.2三极管工作原理与特性5.2.3三极管基本放大电路5.2.4多级放大电路5.2.5差动放大电路5.2.6三极管放大电路的设计过程5.2.1三极管放大电路设计设计一个三极管放大电路，其中负载电阻为3k，三极管参数见附录四，要求工作点稳定，电压放大倍数，输出电。u70A≥o2Vu≥思考：什么是三极管？它如何实现放大？它与二极管有什么区别呢？5.2.2三极管工作原理与特性集电结发射结NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电极PNP型NPPEB基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNPNPN大多为Si管PNP大多为Ge管晶体管的电流放大原理IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路公共端晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN管：UBE0UBC0即VCVBVERCBCE共发射极放大电路PNP管：UBE0UBC0即VCVBVECEB三极管的电流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN电子空穴电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子电子空穴电子电子电子发射区向基区扩散电子电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE电子在基区的扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：ICIB或△IC△IB晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏的条件。32当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。1复合与扩散到集电区的电子数目满足统计学规律三极管特性曲线5.2.3三极管基本放大电路1.共发射极放大电路——静态工作点的基极电流——基极和发射极之间的电压——集电极电流——集电极和发射极之间电压CCBEQBQBVUIRBQCQIICCQCCCEQRIVUBQIBEQUCQICEQU1)静态分析CQBQ750.043mAIICCBEQBQ3B200.70.04mA=40A50010VUIR33CEQCCCQC2031031011(V)UVIR解：当选择的工作点进入输入特性曲线的截止区或饱和区时，都会使得输出信号与输入信号的波形不一致，即失真。截止失真饱和失真2)动态分析OLCLuIbebe()UβR//RβRAUrrBbei//RrRCoRRbebbEQ26(1)rrI共射放大电路的电压放大倍数为输入电阻和输出电阻分别为对于低频、小功率三极管，认为bb300rLCLLCLC//1.5kΩRRRRRRR解：①CECEQLCCQ()uURiI由例5-1已解得的静态工作点代入方程化简得CCE5.15.15iu交流负载线②bebb'EQ2626(1)300(175)959()3rrILube751.5117.30.829RAribeBbe//959RrRroC3kΩRR3)分压式偏置放大电路温度变化时，会使得设置好的静态工作点Q移动而引起输出信号的失真。CCB2B1B2BVRRRVEBEQBEQCQRUVIICQBQII)(ECCQCCCEQRRIVU其静态工作点的计算过程如下分压偏置式放大电路的交流通道和微变等效电路CLube//RRArbeB2B1i////rRRRCoRR2.共基极放大电路输入信号是由三极管的发射极与基极两端输入的，再由三极管的集电极与基极两端获得输出信号，因为基极是共同接地端，所以称为共基极放大电路。CQBEQCCB2B1B2EEBEQBQEQ)(1IUVRRRRRUUI1EQBQII)(ECCQCCCCQEEQCCCEQRRIVRIRIVU1）静态分析2）动态分析OCiIE1IIAIIOLCLuIbebe()UR//RRAUrrbeiE//1rRRCoRR是三极管的共基电流放大系数①计算其静态工作点如下：B2EQCCBEQCQEB1B2115()(200.7)3.1(mA)355RIVUIRRR