电工电子课件(程周)-十一

1电工电子技术与技能（非电类少学时）程周主编中等职业教育课程改革国家规划新教材配套多媒体资源211常用半导体器件11.1二极管11.2三极管11.3三极管的三种工作状态*11.4晶闸管1234311.1二极管观察与思考411.1.1二极管的结构、外形与符号二极管：将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，并从P区和N区分别焊出两根金属引线做正、负极。外形：符号：二极管是由半导体材料制成，常用的半导体有锗和硅。VD阳极（正极）阴极（负极）511.1.2二极管的电流、电压关系1．正向偏置与导通状态当二极管两端所加的正向电压比较小时，正向电流很小，二极管呈现很大的电阻，如图中OA段。这个范围称为死区，相应的电压叫死区电压。硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压约为0.1~0.2V。外加电压超过死区电压以后，正向电流迅速增加，这时二极管处于正向导通状态，如图中AB段所示。导通后管子两端电压几乎恒定，硅管约为0.6~0.7V，锗管约为0.2~0.3V。正偏导通6当给二极管加反向电压时，所形成的反向电流是很小的，而且在很大范围内基本不随反向电压的变化而变化，即保持恒定。当反向电压大到一定数值时，反向电流会突然增大，如图中CD段，这种现象称为反向击穿，相应的电压叫反向击穿电压。正常使用二极管时，是不允许出现这种现象的。CD正偏导通2．反向偏置与截止状态11.1.2二极管的电流、电压关系7结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。11.1.2二极管的电流、电压关系811.1.3二极管的主要参数1．最大整流电流IFM二极管长时间工作时允许通过的最大正向电流的平均值。二极管正常使用时所允许加的最高反向电压。2．最高反向工作电压URM3．反向电流IR二极管加反向电压而未击穿时的反向电流。IR愈小，单向导电性愈好。911.1.4发光二极管发光二极管是一种把电能直接转化成光能的固体发光元件，下图所示为几种发光二极管外形及其电路图形符号。发光二极管是由PN结组成，具有单向导电性。当发光二极管加上正向电压时能发出一定波长的光。发光波长除与制作使用材料有关外，还与PN结所掺“杂质”有关。一般用磷砷化镓材料制作的发光二极管发红光，磷化镓材料制作的发光二极管发绿光或黄光。发光二极管的作用：用作电子设备的通断指示灯，数字电路的数码及图形显示，也可作为快速光源，以及光电耦合器中的发光元件。1011.1.5光电二极管光电二极管由PN结组成，具有单向导电性，但光电二极管管壳上有一个能射入光的窗口，这个窗口用有机玻璃透镜封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。如图11.5所示为光电二极管外形结构及其电路图形符号。光电二极管工作在反向偏置状态。当在PN结上加反向电压，再用光照射PN结时，能形成反向光电流，光电流的大小与光照射强度成正比。光电二极管用途很广，一般常用作传感器的光敏电元件，在光电输入机上用作光电读出器件。11在一块半导体上制作两个相距很近的PN结，就成为一个新的器件，即半导体三极管，又称为晶体三极管，简称三极管。三极管按材料分有硅管和锗管；按PN结的组成方式分有NPN型和PNP型。我国生产的硅管大多是NPN型；锗管大多是PNP型。NPN型的硅管是目前应用较多的一种。11.2三极管1211.2.1三极管的外形、结构和符号PNP型符号NPN型符号1311.2.2三极管的放大作用三极管有三个电极，必须有两个外加电压，才能决定两个PN结的工作状态。因此有一个电极是共用的。据此，三极管有共发射极、共基极、共集电极三种接法。以NPN型三极管的共发射极接法为例，分析三极管的放大作用。14UBB为基极电源，通过电位器RB将正向电压加到基极和发射极之间(发射结)，集电极电源UCC电压应高于UBB电压，使发射结正向偏置，集电结反向偏置。调节电位器RB的阻值，可以改变发射结的偏压，从而调节基极电流IB的大小；相应得到集电极电流IC和发射极电流IE的值。可见：IE=IC+IB；IC=IB.三极管各极之间电流分配关系为：IE=IC+IB基极IB与集电极IC数量关系在一定范围内是比例关系即：BCΔΔII或BCΔΔII11.2.2三极管的放大作用15基极电流IB的变化，会引起集电极电流IC发生更大的变化。即基极电流对集电极电流有控制作用，或集电极电流对基极电流有放大作用。这就是三极管的电流放大原理。注意：(1)三极管的电流放大作用，实质上是用较小的基极电流信号去控制集电极的大电流信号，是“以小控大”的作用，而不是能量的放大。(2)使三极管起放大作用的外部条件是发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。结论:(3)若增大RB使发射结电压下降到一定值(硅管0.5V以下，锗管0.1V以下)IC与IE基本为零，该工作状态称为截止。(4)若减小RB使IB增加到一定数值，IC即随IB增大而增大，该工作状态称为饱和。11.2.2三极管的放大作用161．共射极电流放大系数是表征管子电流放大能力的参数。常用小功率管的值约为20~150。值太小，电流放大作用差；太大工作稳定性差。通常取50～80左右为宜。11.2.3三极管的主要参数172．集电极最大允许电流ICM当IC过大时，将下降。使下降到正常值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流。3．集电极电极、发射极之间反向击穿电压U(BR)CEO当基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。4．集电极最大允许耗散功率PCM保证集电结温升不超过允许值而允许集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。11.2.3三极管的主要参数18条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。IC=IBIE=IC+IB=(1+)IB特点：集电极电流受基极电流控制。11.3.1放大状态(a)三极管因两个PN结的偏置情况不同，其工作状态可分为三种：放大状态、饱和状态、截止状态。11.3三极管的三种工作状态19UCE=UCC-RCIC集电极C和发射极E之间相当于通路，用一可控电阻表示其间电压降。处于放大状态的NPN型三极管，集电极电位最高，基极电位次之，发射极电位最低(图b所示)。(b)(c)11.3三极管的三种工作状态20饱和条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。特点：UCE0.3V(硅管)、0.1V(锗管)集电极C和发射极E之间相当于一闭合开关。在放大状态，IC随IB增大，当IC增大到(IC最大值)时，IC不再随IB增大，即三极管处于饱和状态。CCCRU此时，三极管的集电极电位UCE0，低于基极电位，即集电结正向偏置。基极电位最高，集电极次之，发射极最低。（b）（c）11.3三极管的三种工作状态11.3.2饱和状态21条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置。IB≈0;IC≈0UCE=UCC-RCIC≈UCC集电极电阻RC无电压，所以特点：由于两PN结均反向偏置，各极电流都极小；在模拟电子电路中，三极管是作为放大元件，主要工作在放大状态；在数字电路中，三极管是作为电子开关，工作在饱和状态和截止状态。处于截止状态的三极管，集电极电位最高(≈UCC)，发射极电位次之，基极电位最低。11.3三极管的三种工作状态11.3.3截止状态22*11.4晶闸管观察与思考晶闸管又称为可控硅，是目前半导体器件从弱电进入强电领域，制造技术最成熟、应用最广泛的器件之一。晶闸管分普通晶闸管和特种晶闸管，特种晶闸管有快速晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管等，人们所说的晶闸管是指普通型晶闸管。23晶闸管由三个PN结，四层半导体材料组成。晶闸管的三个电极分别为阳极(A)、阴极(K)、控制极(也称为门极)(G)。三个PN结分别为J1、J2和J3。晶闸管的符号与二极管相似，在其阴极处有一个控制极，表明其导通的条件除了和二极管一样需要正向偏置的电压外，还需另外增加一个控制信号。符号结构外形11.4.1晶闸管的外形、结构和符号24晶闸管反向偏置时，无论是否给控制极加电压，晶闸管均不导通。晶闸管加正向偏置电压，阳极A接高电位，阴极K接低电位，但控制极G没有接任何电压，J2结反偏，晶闸管仍然不导通。晶闸管不导通的状态称为阻断状态。反向阻断正向阻断11.4.2晶闸管的工作原理25晶闸管加正向偏置电压，给控制极G加一个幅度和一个宽度都足够大的正电压(称为触发电压)，此时三个PN结都正偏，晶闸管导通。晶闸管导通后，若去掉控制极的电压，晶闸管仍然能保持导通状态。导通状态：正向触发导通撤除触发信号仍导通RARG11.4.2晶闸管的工作原理26晶闸管为一个受控制的二极管，也具有单向导电性。要使晶闸管由阻断状态变为导通状态，必须在晶闸管上加正向电压的同时，在控制极上加正向触发电压；一旦晶闸管导通，控制极就失去控制作用。控制电压即使取消，晶闸管仍能保持通的状态。另外，晶闸管导通后若阳极电流小于某一个很小的电流IH(称为维持电流)时，晶闸管也会由导通变为截止，一旦晶闸管截止，必须重新触发才能再次导通。结论：11.4.2晶闸管的工作原理2711.4.3晶闸管的主要参数(1)额定正向平均电流IF——指晶闸管允许通过的工频正弦半波电流的平均值。(2)正向平均管压降UF——指晶闸管正向导通状态下阳极和阴极两端的平均电压降，一般为0.4~1.2V。(3)维持电流IH——维持晶闸管导通状态所需的最小阳极电流。(4)最小触发电压UG——指晶闸管正向偏置情况下，为使其导通而要求控制极所加的最小触发电压，一般约为1~5V。28