电工电子技术(下册)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:洪源,张清枝

出版社:电子工业出版社

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电工电子技术(下册)

电工电子技术(下册)试读:

前言

本书是按照教育部电工电子课程教学指导委员会课程教学基本要求组织编写的,分为上、下两册。上册为电工技术部分,下册为电子技术部分,可以作为高等学校理工科非电专业相关课程的教材。

随着时代的进步,伴随着新技术的日新月异,电工电子技术及其教学要求和方法也在发生着巨大的变化。为了适应时代的需要,本书作者在分析和总结了以往教材和教学经验的基础上,根据电工电子技术课程教学的基本要求,对传统的教学内容进行了精选。以“够用、实用”为原则,在保证知识结构的系统性和完整性的前提下,对各章节的难易程度做了适当的调整,降低了一些内容的难度,减少了一些纯理论的论述及推导,相应地增加了一些实用的内容和应用案例,以期达到适当降低教材理论性、增强实用性的目的,让学生在学习理论的基础上,对实际应用有更深入的了解。如上册的电路分析、暂态分析、正弦交流电路,下册的基本放大电路、放大电路中的负反馈、模数转换等章节都适当降低了理论难度并减少了作业中的难题、偏题;每一章节都尽可能给出实用案例,并在下册的最后一章集中编写了应用案例,从而形成了本书的主要特点:内容精炼,理论联系实际,系统性和实用性强。

全书由河南科技学院、新乡学院、许继集团工程师参与编写,洪源和张清枝主编。具体参加编写工作的有:上册:第1、2、3章由沈宏和田丰庆编写;第4章由洪源、姚建国编写;第 5、6 章由付会凯编写;第 7 章由赵成功编写;第 8章由付金山编写;第9章及附录、中英文名词对照由徐涛编写。下册:第10、13章由张晔编写;第11、12章由张清枝编写;第14、17章由徐君鹏编写;第15、16章由宋长源、周宁编写;附录及中英文名词对照由赵成功编写。

由于编者水平有限,错误在所难免,敬请读者多提宝贵意见。

编者建议采用本书作为教材的学校和老师在教学上可分为两个学期完成本课程的教学。上册:总学时64学时,理论教学48学时,实验16学时;下册:总学时64学时,理论教学48学时,实验16学时。

编者

2013年9月

·Ⅲ·第10章 半导体器件

晶体管是20世纪40年代末出现的半导体器件,是电子线路的核心器件,只有掌握了半导体器件的结构、性能、工作原理等,才能正确分析电子电路的工作原理。本章主要讨论晶体二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管等最常用的半导体器件的基本结构、工作原理、外特性和主要参数,为学习电子技术和分析电子电路打下一定的基础。10.1 半导体的基础知识10.1.1 半导体的导电特性

在自然界中,有许多物质很容易传导电流,称为导体。也有许多物质几乎不传导电流,称为绝缘体。此外还有一类物质,它的电性能介于导体和绝缘体之间,称为半导体,如硅、锗、砷化物、一些金属的硫化物和氧化物等。人们之所以对半导体感兴趣是因为半导体具有很多不同于其他物质的特点:

① 半导体的电阻率随温度上升而明显下降,其导电能力随温度上升而显著增加,呈负温度系数的特性。

② 半导体的电阻率随光照的不同而改变。

③ 半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度有很大关系。

人们利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用光敏性可制成光敏二极管和光敏三极管及光敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。

在现代电子学中,应用最多的半导体材料是硅和锗,高纯度的硅和锗都是单晶结构,它们的原子整齐地按一定规律排列。其中非常纯净且原子排列整齐的半导体叫本征半导体,它们的原子结构如图10-1所示。硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。正常情况下,其原子呈电中性。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。当组成共价键结构以后,每个原子的4个价电子各为相邻的4个原子所共有,如图10-2(a)所示。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后,所有原子便基本上整齐排列,半导体一般都具有这种晶体结构,所以半导体也称为晶体,这就是晶体管名称的由来。图10-1 硅和锗原子结构示意图

当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴,如图10-2(b)所示,显然空穴呈正电性。由上述可知自由电子和空穴总是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。图10-2 共价键结构图及自由电子与空穴

如果一个共价键中出现了空穴,那么就很容易被附近另一个共价键中的电子移过来填充,从而又在移出电子的共价键中出现空穴,如此连续进行,则表现为空穴的移动,如图10-3所示。

如果将其置于外电场的作用之下,则由激发产生的自由电子将逆着电场方向运动,而空穴则顺着电场方向连续运动。前者形成电子电流,后者形成空穴电流,二者的移动方向显然相反,所带电荷符号也相反,但电流效应是相同的,如图10-4所示。由此可见,半导体中的电流是电子电流和空穴电流的总和。电子和空穴统称为半导体的载流子。在半导体中,自由电子如果和空穴相遇,可能放出吸收的能量而使电子填充到空穴中去,这个过程叫做复合。每一次复合都有一个自由电子和一个空穴同时消失,而且激发和复合总是在半导体中不断地进行。所以在一定环境下,半导体中的载流子数目基本上一定。图10-3 空穴移动示意图图10-4 两种载流子在电场中的运动

综上所述,可以总结出以下几点:

① 半导体中的自由电子和空穴都是运载电荷的粒子,称为载流子。载流子数目的多少,是衡量半导体导电能力的标志。

② 本征半导体内自由电子和空穴总是成对出现的,也就是说,有1个电子就必定有1个空穴。因此在任何时候,本征半导体内自由电子和空穴数总是相等的。

③ 电子空穴对的热运动是杂乱无章的,就整体而言呈电中性。

本征半导体导电性能极差,不能直接用来制造半导体器件。如果在本征半导体中掺入微量杂质,就会使半导体的导电性能大大提高。根据所掺入杂质的不同,可分为电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体(P型半导体)两大类。

1.N型半导体

在硅或锗的晶体内掺入少量五价元素杂质,如磷或锑等,则晶体点阵中某些位置上的硅原子将被磷原子所代替。磷原子有5个价电子,其中4个价电子与相邻的硅原子组成共价键后,多余的1个电子很容易受激发成为自由电子,如图10-5(a)所示。掺入的磷元素越多,则自由电子就越多。在这种半导体中,将以自由电子导电为主,也就是说,它的多数载流子是自由电子,故称其为电子型半导体或N型半导体。

2.P型半导体

在硅或锗的晶体内掺入少量三价元素杂质(如硼)时,因硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子组成共价键时因缺少1个电子而在晶体中产生了1个空穴,如图10-5(b)所示。控制掺入杂质的多少就可以控制多余的空穴数目的多少。在此种半导体中空穴数远大于自由电子数,它主要是靠空穴来导电的。因此,这种半导体叫做空穴型半导体,又叫做P型半导体。图10-5 半导体共价键结构图

需要注意的是,因掺入五价元素而使自由电子数目增加,并不能使半导体带电,即半导体对外仍呈电中性。同样,空穴数目的增多也不能改变半导体的电中性。10.1.2 PN结的基本原理

在纯净的半导体内掺杂得到N型和P型半导体,但这并非最后目的。对制造半导体来说,最重要的是通过特殊工艺所形成的P型和N型半导体交接面——PN结。PN结是构成晶体二极管(通常简称二极管)、晶体三极管(通常简称三极管或晶体管)、固体组件和晶闸管等多种半导体器件的基础。

当P型半导体和N型半导体接触以后,由于交界面两侧半导体类型不同,存在电子和空穴的浓度差。这样,在交接面附近电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。P区的空穴向N区扩散,并与N区的电子复合,在P区一侧留下不能移动的负离子层;同样,N区的电子也向P区扩散,并与P区的空穴复合,在N区一侧留下不能移动的正离子层,如图10-6(a)所示。通常称这个正、负离子层为PN结。PN结的P区一侧带负电,N区一侧带正电,这样便产生了内电场,内电场的方向从N区指向P区。内电场对扩散运动起到阻碍作用,电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱,直至达到平衡,在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空间电荷区。因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电荷区又称为耗尽层,如图10-6(b)所示。图10-6 PN结的形成

1.PN结的正向导通特性

给PN结加正向电压,即P区接电源的正极,N区接电源的负极,此时称PN结正向偏置,如图10-7(a)所示。此时外电场与内电场的方向相反,使空间电荷区变薄,有利于多数载流子运动,形成正向电流。该电流随正向电压增大而增大,这意味着PN结正向电阻很小,此时PN结处于正向导通状态。

2.PN结的反向截止特性

给PN结加反向电压,即电源正极接N区,负极接P区,称PN结反向偏置,如图10-7(b)所示。这时外加电场与内电场方向相同,使内电场的作用增强,PN结变厚,多数载流子运动难以进行,有助于少数载流子运动,形成漂移电流。由于少数载流子很少,所以漂移电流很小,接近于零,即PN结反向电阻很大。漂移电流又称为反向饱和电流。

综上所述,PN结具有单向导电性:加正向电压时PN结电阻很小,正向电流较大;加反向电压时PN结电阻很大,反向电流很小。图10-7 PN结的单向导电性10.2 半导体二极管10.2.1 二极管的种类及结构

一个PN结加上相应的外引线,然后再封装在一个管壳内,就构成了一个二极管。接在P区的引出端叫阳极(正极),N区的引出端叫阴极(负极),如图10-8(a)所示。二极管的电路符号如图10-8(b)所示。图10-8 二极管的结构及符号

半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型。

点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触,然后在正方向通过很大的瞬时电流,使触丝和半导体牢固地熔接在一起,并做出相应的电极引线,外加管壳密封而成,如图10-9(a)所示。由于点接触型二极管的金属触丝很细,形成的PN结面积很小,所以极间电容很小,同时,也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于作为高频检波和脉冲数字电路的开关元件,也可用做小电流整流。如2APl是点接触型锗二极管,最大整流电流为16mA,最高工作频率为l50MHz。

面接触型二极管是采用合金法制成的,其结构如图10-9(b)所示。这种二极管的PN结面积大,可承受较大的电流,但极间电容也大,一般仅作为整流管,而不宜用于高频电路。如2CPl为面接触型硅二极管,最大整流电流为400mA,最高工作频率仅为3kHz。

图10-9(c)所示是硅工艺平面型二极管的结构图,是集成电路中常见的一种形式。图10-9 二极管的结构分类

半导体器件的型号由外形、结构、材料、功率和用途五个部分组成。表10-1是国产二极管的命名规则。如2AP9,“2”表示电极数为2;“A”表示N型锗材料;“P”表示普通管;“9”表示序号。表10-1 国产二极管的命名规则10.2.2 二极管的伏安特性

和一般电路器件特性的表示方法相似,二极管的外特性是用二极管两端的电压和电流的对应关系曲线来表示的,其外特性包括正向特性和反向特性两部分。半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成了二极管的外特性曲线,如图10-10所示。

从图10-10中可以看出,二极管的外特性是非线性的。下面对其特性曲线分两部分加以说明。

1.正向特性图10-10 二极管的外特性曲线

由图 10-10 可见,当加在二极管两端的正向电压很小时,外电场还不足以克服 PN 结内电场对多数载流子的阻力,在这一区段上二极管的正向电流很小,该区称为死区(硅管为 0.5V,锗管为 0.2V)。当正向电压超过死区电压时,外电场抵消了内电场,正向电流随外加电压的增加而明显增大,二极管正向导通。导通后的二极管正向压降将基本维持不变,一般硅管为 0.7V,锗管为 0.3V。二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

2.反向特性

当二极管承受反向电压时,加强了PN结的内电场,阻碍了多子的扩散运动,但却促进了少子的漂移运动形成反向饱和电流。该电流在一定温度下是个常数,不随外加反向电压的大小而变化。一般硅管为几微安以下,锗管为几十到几百微安。若加在二极管上的反向电压大于某一数值,反向电流会急剧增大,这种现象叫做反向击穿;这个电压叫做二极管的反向击穿电压。

除此之外,温度对二极管的导电性能也有很大的影响。由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。10.2.3 二极管的主要参数

器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据,是合理选择和正确使用器件的依据。下面分类介绍二极管的主要参数及其意义。(1)最大整流电流I F

最大整流电流I 是指二极管长时间工作时,允许通过的最大正向F平均电流,其值与PN结结面积及外部散热条件有关。在规定条件下,二极管正向平均电流如果超过此值,二极管将被烧坏。(2)反向工作峰值电压U M

反向工作峰值电压U是指保证二极管安全可靠工作的最高反向M电压值。为安全起见,一般手册中给出的各二极管的最高反向工作电压是按其反向击穿电压的1/2或2/3规定的。在使用二极管时,一定要注意加给它的反向电压最大值应小于它的反向工作峰值电压。(3)反向峰值电流I M

反向峰值电流I是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电M流值,其值越小则二极管的单向导电性越好。I对温度非常敏感。M(4)直流等效电阻RD

R是二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比。D(5)最高工作频率 fM

f是二极管工作的上限频率。若超过此值,由于结电容的作用,M二极管将不能很好地体现其单向导电性。

二极管的参数是正确使用二极管的依据,不同型号的二极管有不同的参数值,在实际工作中,应按其承受的最大整流电流、最高反向工作电压、反向峰值电流、最高工作频率、环境温度等条件,选择满足要求的二极管。10.2.4 几种特殊的二极管

前面重点讨论了普通二极管的特性,此外,还有若干种特殊二极管,如稳压二极管、变容二极管、肖特基二极管、发光二极管、光敏二极管等。下面分别予以简单介绍。

1.稳压二极管

稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有的稳压特性所制作的二极管,它除了可以构成限幅电路以外,主要用于稳压电路。图10-11 稳压管的电路符号及伏安特性曲线(1)电路符号、伏安特性

稳压二极管(Zener Diode)的电路符号及伏安特性曲线如图10-11所示。由图可见,其正、反向特性均与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后特性曲线更加陡峭,即电流在很大范围内变化时,其两端电压几乎不变,这表明,稳压二极管击穿后,能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后,电流急剧增大,使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制,以保证稳压二极管的安全。(2)主要参数

① 稳定电压U:U是指击穿后电流在规定范围内管子两端的电zz压值。由于制作工艺的原因,即使同一型号的稳压管,U的分散性z也较大,使用时可通过测量确定其准确值。

② 稳定电流I:I是稳压管正常工作时的参考电流。工作电流小zz于此值时,稳压效果差,大于此值时,稳压效果好。稳定电流允许的最大值为I ,若工作电流超过此值,将会烧坏管子;稳定电流允z max许的最小值为I ,若工作电流小于此值,管子将会失去稳压作z min用。

③ 额定功率P:P是由管子结温限制所限定的参数。P与PN结zzz所用的材料、结构及工艺有关,使用时不允许超过此值。

④ 动态电阻r:r是稳压管工作在稳压区时,其端电压变化量与zz电流变化量的比值。r越小,表明稳压管的稳压性能越好。z

⑤ 温度系数α:α表示温度每变化1℃时稳压值的变化量。

通常,U <5V时管子具有负温度系数(属于齐纳击穿);U >zz7V时管子具有正温度系数(属于雪崩击穿);U 在5~7V时管子的温z度系数最小,近似为零(齐纳和雪崩击穿均有)。

2.变容二极管

如前所述,PN结加反向电压时,结上呈现势垒电容,该电容随反向电压增大而减小,如图10-12所示。利用这一特性制作的二极管称为变容二极管(Varactor Diode),其电路符号如图10-13所示。图10-12 势垒电容图10-13 变容二极管的电路符号

变容二极管在高频电子线路中应用十分广泛。例如,用于谐振回路的电调谐、压控振荡器、频率调制、参量电路等。

3.肖特基二极管

当金属与N型半导体接触时,在其交界面处会形成势垒区,利用该势垒制作的二极管称为肖特基二极管(Schottky Diode)或表面势垒二极管,其原理结构图和电路符号如图10-14所示。图10-14 肖特基二极管

由半导体物理知识可知,当金属与N型半导体接触时,电子会从半导体中逸出并向金属一侧注入,注入的电子将分布在金属表面的薄层内。而N区一侧由于失去电子,留下了一个较宽的施主正离子区,从而形成了图10-14(a)所示的电荷分布。随着该电层的建立,界面处产生了一个由N区指向金属的内电场。该电场一方面阻止N区电子向金属进一步注入,另一方面有利于金属中的少数逸出电子向N区一侧漂移。随着内电场的增强,电子的正向注入和反向漂移最终达到动态平衡,从而形成一个稳定的势垒区,该势垒区称为肖特基表面势垒。

当外加正向电压(即金属一侧的电位高于N区一侧的电位)时,内电场减弱,N区将有更多的电子向金属注入,形成较大的正向电流,且该电流会随外加正向电压的增大而增大。当外加反向电压(即金属一侧的电位低于N区一侧的电位)时,内电场增强,有利于金属中少数逸出电子向N区漂移,形成很小的反向电流,且该电流几乎与外加反向电压的大小无关。由此可见,肖特基势垒具有和PN结类似的单向导电性。

与PN结二极管相比,肖特基二极管是依靠多数载流子导电的,由于消除了少数载流子的存储效应,因而具有良好的高频特性。此外,肖特基二极管的导通电压和反向击穿电压均比PN结低。

需要指出的是,只有金属和轻掺杂半导体接触才会形成上述结。若N区为重掺杂时,将失去单向导电性。通常这种金属和轻掺半导体的接触称为欧姆接触。

4.发光二极管

发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)是将电能转换为光能的一种半导体器件。它通常是用元素周期表中Ⅲ、V族元素的化合物,如砷化镓、磷化镓等制成的。其电路符号如图10-15所示。当这种管子通以电流时将发出光来,这是由于电子和空穴直接复合而放出能量的结果。其光谱范围是比较窄的,波长由所使用的材料而定。发光二极管的颜色通常有红、黄、蓝、紫等,发光的亮度与正向工作电流成正比,其工作电流一般为几毫安至十几毫安。

发光二极管常用来作为显示器件,除单个使用外,还常作为七段式或矩阵式显示器件。通过特殊设计,发光二极管可制成产生单色光的激光二极管(Laser)。

5.光敏二极管

光敏二极管(Photodiode)是将光能转换为电能的一种半导体器件。其结构与普通二极管相似,只是管壳上留有一个能入射光线的玻璃窗口。图10-16所示为光敏二极管的电路符号,其中,受光照区的电极称为前极,不受光照区的电极称为后极。图10-15 发光二极管图10-16 光敏二极管

在光照下,耗尽区内将激发出大量的电子空穴对。当施加反偏压时,这些激发的载流子通过外回路形成反向电流,称为光生电流,其数值会随光照的增强而增大,此外还与入射光的波长有关。

6.光耦合器

光耦合器(Optical Coupler)是由发光器件和光敏器件组成的一种器件。其中,发光器件一般都是发光二极管,而光敏器件的种类较多,除光敏二极管外,还有光敏三极管、光敏电阻等。图10-17所示是采用光敏二极管的光耦合器的内部电路。图10-17 光耦合器

将电信号加到器件的输入端,使发光二极管VD发光,光照射到1光敏二极管VD上,使其输出光电流。这样,通过电-光和光-电两次2转换将电信号从输入端传送到输出端。由图可见,两个二极管之间是电隔离的,因此,光耦合器是用光传输信号的电隔离器件,应用十分广泛。10.2.5 二极管的模型

对电子电路进行定量分析时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效,根据分析手段及要求的不同,器件模型将有所不同。例如,借助计算机辅助分析时,允许采用复杂的模型,以获取更精确的结果;而在工程分析中,则力求模型简单、实用,以突出器件的主要物理特性。下面分大信号和小信号两种工作条件对二极管进行建模。

二极管是一种非线性器件,在大信号工作时,其非线性主要表现为单向导电性,而导通后所呈现的非线性往往是次要的。因此,在工程分析时,常采用下面几种模型。

1.理想模型

在实际电路中,当电源电压远大于二极管的管压降时,可采用理想模型分析电路。图10-18所示是理想二极管的伏安特性及其电路符号。由图10-18(a)可见,正向偏置时,二极管的管压降为0V;反向偏置时,认为它的电阻为无穷大,电流为零。此时,二极管可看做一个理想的开关。图10-18 理想模型

2.恒压降模型

当电源电压与二极管的管压降相比拟时,采用理想模型分析得到的结果将会产生较大的误差。因此,可采用图10-19所示的恒压降模型。其基本思想是认为二极管导通后管压降恒定(硅管约为0.7V,锗管约为0.3V),且不随电流而变(即忽略了二极管的导通电阻)。该模型提供了合理的近似,在工程上应用非常广泛。图10-19 恒压降模型

3.折线模型

为了更真实地描述二极管的伏安特性,对恒压降模型做进一步修正,即认为二极管的管压降不是恒定的,而是随着通过二极管电流的增加而增加的,这样,便得到了图10-20所示的折线模型。不难看出,折线模型最逼近实际二极管的伏安特性。但用此模型带来的分析复杂度也相应增加。图10-20 折线模型

4.小信号模型

二极管应用于小信号时,不能采用上述模型,必须对其进行小信号建模。如果二极管在其伏安特性的某一小范围内工作,例如,在静态工作点Q附近工作,如图10-21(a)所示,这时,可把二极管的伏安特性近似看做一条直线,因此,二极管可用一线性电阻r进行建模,d如图10-21(b)所示。其值就是过Q点处切线斜率的倒数。显而易见,r与Q点有关。d

若信号频率较高,在模型中还需计入PN结的结电容,如图10-21(c)所示。图10-21 小信号模型10.2.6 二极管的基本应用电路

利用二极管的单向导电性和反向击穿特性,可以实现整流、稳压、限幅、开关等各种功能电路。

1.整流电路

整流电路(Rectifier)是直流电源设备不可缺少的组成部分,其任务是将正、负交替变化的交流电变换成单向脉动的直流电。完成该任务主要依靠二极管的单向导电性。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。(1)单相半波整流电路

图10-22(a)所示为最简单的半波整流电路。图中,T为电源变压器,其作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压u=2,R是要求直流供电的负载电阻。u 正半周时,二L2极管正偏导通,u=u;u负半周时,二极管反偏截止,u=0。输o22o入、输出波形如图10-22(b)所示。由于输出电压中只包含半个信号周期,所以称为半波整流。输出电压的平均值为图10-22 半波整流电路及其波形

半波整流电路简单,所需二极管的数量少,但它输出电压低,交流分量大(脉动大),效率低,因此这种电路仅适用于输出电流较小、对脉动要求不高的场合。在实用电路中,最常用的是桥式整流电路。(2)单相桥式整流电路

图10-23(a)所示为单相桥式整流电路,它由4只二极管组成,其构成原则是保证在变压器二次电压 u的整个周期内,负载上的电2压和电流方向始终不变。图 10-23(b)所示为其简化画法。设变压器二次电压u=,取为其有效值。二极管均为理想的。2当 u为正半周时,二极管VD、VD导通,VD、VD截止,电流流21324通的路径如图10-23(a)中实线所示;当u为负半周时,二极管VD、22VD导通,VD、VD截止,电流流通的路径如图10-22(a)中虚线413所示。这样,由于VD、VD和VD、VD两对二极管交替导通,使负1324载电阻在u的整个周期内都有电流通过,且方向不变。图10-24所示2为单相桥式整流电路各部分电压和电流的波形。由图可求出输出电压的平均值为图10-23 单相桥式整流电路

由此可知,在变压器二次电压有效值相同的情况下,桥式整流电路输出电压的平均值是半波整流电路的两倍;若负载也相同,桥式整流电路输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

比较图10-24和图10-22(b)容易看出,桥式整流电路输出电压的脉动成分比半波整流电路小。

2.稳压电路

稳压电路有多种实现方法,这里仅介绍用稳压管实现稳压的基本原理。

用稳压管实现稳压的电路如图10-25所示。图中,R为限流电阻,其作用是使电路有一个合适的工作状态,并限定电路的工作电流。负载R与稳压管VS并联。该电路之所以能够稳定输出电压,在于当L流过VS的稳定电流有较大幅度的变化时,VS的稳定电压几乎不变,电路能自动调节电流的大小,以改变R上的压降,从而达到维持输出电压基本恒定的目的。图10-24 单相桥式整流电路的波形图图10-25 稳压管稳压电路

3.限幅电路

限幅电路(Limiting Circuit)又称为削波电路,是一种能限制输入电压变化范围的电路,常用于波形变换和整形。限幅电路可分为单向限幅(Single Limiting)和双向限幅(Double Limiting)两大类,其电压传输特性分别如图10-26、图10-27所示。图10-26 单向限幅电路的传输特性图10-27 双向限幅电路的传输特性

图中,U 、U 分别称为上门限(Upper Threshold)和O maxO min下门限(Lower Threshold)电压。利用二极管的单向导电性和反向击穿特性可构成上述各类限幅电路。

图10-28(a)所示是利用2只二极管组成的双向限幅电路。其中,直流电压U、U用来控制它的上、下限门限值。若用恒压降模型1H1L分析该电路,则可得其上、下限门限值分别为

当u>U时,二极管VD导通,VD截止;当u<U时,VD导I1H12I1L2通,VD截止;当U<u<U时,VD、VD均截止,输出电压11LI1H12u=u。若输入为正弦信号,电路的输入、输出电压波形如图OI10-28(b)所示。由上述分析可画出其电压传输特性曲线,见图10-28。

4.开关电路

在开关电路(Switching Circuit)中,可以利用二极管的单向导电性以接通或断开电路,这在早期的数字电路中得到广泛的应用。图10-29所示为一简单的二极管开关电路,表10-2示出了电路输出与输入之间的电位关系(设二极管是理想的)。由表可以看出,在输入电压U和U中,只要有一个为0V,则输出为0V;只有当两个输入电压I1I2均为5V时,输出才为5V,这种关系在数字电路中称为与逻辑。图10-28 二极管双向限幅电路图10-29 开关电路表10-2 电路输出与输入之间的关系10.3 半导体三极管

半导体三极管由2个PN结、3个电极组成,这两个结靠得很近,工作时相互联系、相互影响,表现出与两个单独的PN结完全不同的特性,因此在电子线路中得到广泛的应用。10.3.1 三极管的结构

晶体管是由形成2个PN结的3块杂质半导体组成的,因杂质半导体仅有P、N型两种,所以晶体管的组成形式只有NPN型和PNP型两种。其结构和电路符号如图10-30所示。图10-30 晶体管结构示意图和电路符号

无论是NPN型还是PNP型三极管,都有三个区:发射区、基区、集电区,分别从这三个区可以引出三个电极:发射极e、基极b和集电极c。基区很薄,一般仅有1μm至几十微米厚,发射区浓度很高。两个PN结分别为发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结,集电结截面积大于发射结截面积。

注意:PNP型和NPN型三极管电路符号的区别在于发射结的箭头方向不同,箭头的方向就是发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要注意电源的极性,确保发射结加正向偏置电压,三极管才能正常工作。

三极管根据基片的材料不同,可以分为锗管和硅管两大类,目前国内生产的硅管多为NPN型(3D系列),锗管多为PNP型(3A系列);根据频率特性可以分为高频管和低频管;根据功率大小可以分为大功率管、中功率管和小功率管等。目前多数中小功率的三极管采用金属外壳封装,但近年来越来越多地采用硅酮塑料封装;大功率的三极管多采用金属外壳封装,其集电极接管壳。图10-31所示是几种常见的三极管的封装和外形。图10-31 几种常见的三极管封装和外形

国产三极管的型号由五部分组成,每部分的意义见表10-3。表10-3 三极管的型号

下面介绍三极管的电流放大作用及分配原理。

1.三极管的工作电压

要使三极管具有正常的电流放大作用,必须在其发射结加上正向偏置电压,在集电结加上反向偏置电压。NPN型和PNP型所加外电压分别如图10-32(a)、(b)所示。

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