环境工程电工电子--第五章

环境工程专业电工电子输入信号按时间可分为连续时间信号(模拟信号)和离散时间信号(数字信号)。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路,电路中的晶体管工作在线性放大状态。处理数字信号的电子电路称为数字电路,电路中的晶体管一般在工作开关状态。电子技术内容----模拟电路和数字电路环境工程专业电工电子摩尔定律：集成电路中的晶体管数目每两年增加一倍；CPU性能每18个月增加一倍。摩尔定律集成电路的发展遵从摩尔定律环境工程专业电工电子物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在105S·cm-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在10-22~10-14S·cm-1量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在10-9~102S·cm-1量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓（GaAs)等。第五章常用电子元件及其应用环境工程专业电工电子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环境工程专业电工电子在半导体中，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半导体的导电性能对温度很敏感环境工程专业电工电子杂质半导体：N型半导体和P型半导体原理图P自由电子结构图磷原子正离子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型半导体环境工程专业电工电子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型半导体。原理图BB-硼原子负离子空穴填补空位结构图在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多数载流子取决于掺杂浓度，少数载流子取决于温度环境工程专业电工电子一、认识晶体二极管小功率二极管大功率二极管发光二极管第一节晶体二极管及其应用环境工程专业电工电子表示符号阴极D环境工程专业电工电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PN结的形成环境工程专业电工电子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环境工程专业电工电子在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。空间电荷区内电场方向PN多子扩散少子漂移结论：在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。环境工程专业电工电子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。外加正向电压环境工程专业电工电子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区环境工程专业电工电子由上述分析可知：PN结具有单向导电性即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）切记环境工程专业电工电子二极管的伏安特性-40-20OU/VI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)硅管的伏安特性I/μA-20-40-250.40.2-5010O155I/mAU/V锗管的伏安特性I/μA死区电压死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约为:0.6V～0.8V,锗管约为:0.2V～0.3V。常温下，反向饱和电流很小.当PN结温度升高时，反向电流明显增加。注意:环境工程专业电工电子二极管的主要参数-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μAU/V最大整流电流IFM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。最高反向电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压最高工作频率fM：允许通过的最高频率取决于PN结的结电容的大小最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。环境工程专业电工电子稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，具有稳定电压的作用符号:DZ阴极阳极特点:(1)反向特性曲线比较陡(2)工作在反向击穿区二、特殊二极管----稳压二极管I/mAU/V0UZIZIU＋-击穿并不意味损坏，采取适当的限流措施，反相击穿是可逆的环境工程专业电工电子稳压管的主要参数:稳定电压UZ稳定电流IZ动态电阻rZ最大允许耗散功率PZM一般情况:高于6V的αUZ为负,低于6V的αUZ为正。电压温度系数αUZrz=△UZ/△IZI/mAU/V0UZIZ环境工程专业电工电子单个发光二极管实物发光二极管图符号发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。左图所示为发光二极管的实物图和图符号。发光二极管是一种功率控制器件，常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件；单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等。二、特殊二极管---发光二极管环境工程专业电工电子光电二极管也和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。光电二极管的管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。二、特殊二极管---光电二极管环境工程专业电工电子三、直流稳压源电路二极管的应用非常广泛范围很广,利用它的单向导电性和正向导通、反向截止、反向击穿(稳压管)等工作状态,可以组成各种应用电路.下面介绍其在直流稳压源中的应用.环境工程专业电工电子直流稳压电源的组成滤波电路整流电路稳压电路负载变压器交流电源各部分电路输出波形将电源的交流电变成直流电压或电流功能环境工程专业电工电子uototototo23uou2u2u1uDioioRLTr232U22U22U2Im2233uDVDu2正半周负整流电路（一）单相半波整流电路1、电路图：2、工作原理：(1)ωt=0~π时：u2=(+)，D在正向电压作用下而导通，u0=u2。tUusin2:22设(2)ωt=π~2π时：u2=(-)，D因承受反向电压而截止，u0=0。环境工程专业电工电子3、有关计算：（1）负载上的电压平均值和电流平均值（即直流值）直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即流过负载RL上的直流电流为LLRURUI20045.0（2）二极管：ID=I0，22UUDrm选管时：IOMID,URMUDrm)(sin221)(21022000ttdUtduU245.0U环境工程专业电工电子例1：一单相半波整流电路，已知负载电阻RL=600Ω，变压器副边电压有效值U2=40V。求：负载上电流和电压的平均值及二极管承受的最大反向电压。解：U0=0.45U2=0.45×40=18V306001800LRUImA65640222.UUDrmV环境工程专业电工电子（二）单相桥式全波整流电路：2、工作原理：tUusin2:22设（1）ωt=0~π时：u2=(+)VD1、VD3在正向电压作用下而导通；VD2、VD4因承受反向电压而截止。u0=u2（2）ωt=π~2π时：u2=(－)VD2、VD4在正向电压作用下而导通；VD1、VD3因承受反向电压而截止u0=－u2VD1VD2VD4VD4＋－uOu1u2RLTri01、电路图：环境工程专业电工电子D1和D3导通，D2和D4截止(相当于开路)u2Tru1RLu0i0+–+–+–u2正半周VD4VD3VD2VD1环境工程专业电工电子D2和D4导通,D1和D3截止(相当于开路)u2Tru1RLVD4VD3VD2uoiou2负半周VD1+–+–+–环境工程专业电工电子工作波形uD2uD4uouDttu2t2U22U22U2uD1uD3环境工程专业电工电子4.计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值IoLLRURUI29.0oo(3)二极管：22UUmDr选管时：IOMID,URMUDrm20209.0)(sin21UttdUU021IIDuD2uD4uouDttuD1uD322U22U环境工程专业电工电子4、特点：桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提高了1倍，同时输出电压波动小，因此桥式整流电路得到了广泛应用。电路的缺点是二极管用得较多，电路连接复杂，容易出错，为了解决这一问题，生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆。环境工程专业电工电子简化画法+uoRLio~+u2整流桥把四只二极管封装在一起称为整流桥~~环境工程专业电工电子已知负载电阻RL=100Ω，负载工作电压UL=45V，若采用桥式整流电路，试选择整流二极管的型号。解：变压器副边电压有效值为二极管承受最高反压为二极管的平均电流为可选择2CZ54C型整流二极管URM=100VIFM=0.5A例509.0459.0L2UU2VDrm2UU71502=VV71502225.0100452121LVDIIA=225mA环境工程专业电工电子滤波电路1、滤波的概念：是一种只允许直流电流通过，而交流电流很难通过的电路。(将脉动的直流电变为较平滑的直流电)2、组成：一般由电容、电感等元件组成。能量观点：L、C都是储能元件。阻抗观点：L—通直阻交，因此串联在负载电路中。C—通交阻直，因此并联在负载电路中。3、滤波作用原理：任何一个单一方向的周期性变化的脉动电压或电流均可分解为一个直流分量，一个基波分量和许多高次谐波，因此只要用一种电路，把脉动电压（电流）中的交流分量滤去，这样便可得到平滑的直流电——用滤波电路来实现。环境工程专业电工电子半波整流电容滤波电路的外特性2U20.45U2UDrmt023u2、u0IoUo0有关计算：U0≈U2I0=U0/RLID=I0UDrm=222U22U电容充电电容放电ioCDuou2uDRLTu1电容滤波------半波整流电容滤波电路：环境工程专业电工电子电容充电电容放电二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电1.电路组成和工作原理：u2Tru1RLD1D4D3D2uoioCuC滤波后输出电压uo的波形变得平缓,平均值提高。电容滤波------桥式整流电容滤波电路：环境工程专业电工电子2.波形及输出电压2O2UU当RL=时：OtuO222U当RL为有限值时：2O229.0UUU通常取RC越大UO越大2)5~3(LTCRRL=为获得良好滤波效果，一般取：(T为输入交流电压的周期)UO=1.2U2环境工程专业电工电子（3）输出特性OUO22UIO29.0U输出电压随输出电流的增大而明显降低，带负载能力差。一般用于负载电流较小且变化不大的场合。电容滤波：优点：电路简单，输出直流电压较高，纹波较小。缺点：带负载能力差。环境工程专业电工电子单相桥式电容滤波整流，交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=40，要求直流输出电压UO=20V，选择整流二极管及滤波电容。[解]1.选二极管V172.1202.1O2UU电流平均值：A0.254020212121LOODRUII承受最高反压：V2422RMUU环境工程专业电工电子2RM2UU选二极管应满足：I