学习情境一直流稳压电源安接与调试(任务一).ppt
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1、电子产品安装与调试,学习情境一,直流稳压电源安接与调试,电子产品安装与调试,能力目标:,1、掌握二极管的测试、选型2、能够对色环电阻进行读值和测试3、掌握常见电容的测试、选型4、学会分析二极管电路计算方法,电子产品安装与调试,方法能力:,1.具备自学、分析、语言表达能力。2.具有电子线路分析、实施、评价能力。3.具有知识的综合运用能力。,社会能力:,1.具有团队协作、计划、组织管理能力。2.具有团队意识和处理人际关系能力。,电子产品安装与调试,教学做一体化教学,电子产品安装与调试,教学环节一,布置工作任务,说明任务目标,电子产品安装与调试,教学环节二,半导体二极管的认识、测试、选型,二极管应用
2、电路分析,整流、滤波、稳压电路分析,直流稳压电源电路连线测试,集成稳压电源的连线与测试,咨询引导性知识,电子产品安装与调试,二极管、稳压管、色环电阻和电容的认识与测试,任务一,电子产品安装与调试,引导性知识目录,1.二极管的认识与测试,2.稳压管的认识与测试,3.电阻的认识与测试,4.电容的认识与测试,训练项目1 元器件认识与测试,电子产品安装与调试,一、二极管的认识与测试,1.1 二极管的认识1.2 半导体的基本知识和PN结1.3 二极管的符号和特性1.4 二极管在电子技术中的应用1.5 特殊二极管1.6 二极管的识别与简单测试,电子产品安装与调试,1.1 二极管的认识,我们常常在很多的电路
3、中,都可以看见这样的一些元器件,如图11,大家认识它们吗?知道它们是用什么材料作成的吗?知道它们的作用吗?观看图片,接下来我们就开始学习有关二极管的一些基础知识和应用。,电子产品安装与调试,1.2 半导体的基本知识和PN结,1.2.1 半导体的基本特性1.2.2 本征半导体1.2.3 杂质半导体1.2.4 PN结的形成1.2.5 PN结的单向导电性,电子产品安装与调试,1.2.1 半导体的基本特性,电子产品安装与调试,1.热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20 升高到30 时,它的电阻率几乎减小为原来的1/2。2.
4、光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化镉薄膜,在暗处其电阻为几十兆欧姆,受光照后,电阻可以下降到几十千欧姆,只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻,就是利用光敏特性制成的。而金属导体在阳光下或在暗处,其电阻率一般没有什么变化。3.杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中,只要掺入亿分之一的硼,电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以,利用这一特性,可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件,而金属导体即使掺入千分之一的杂质,对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性,根本原因在于其特殊的原子结构和导
5、电机理。,电子产品安装与调试,1.2.2 本征半导体 在近代电子学中,最常用的半导体材料就是硅和锗,下面以它们为例,介绍半导体的一些基本知识。一切物质都是由原子构成的,而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。由于内层电子受原子核的束缚较大,很难活动,因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子,也就是价电子来决定。硅原子和锗原子的电子数分别为32和14,所以它们最外层的电子都是四个,是四价元素。其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。,电子产品安装与调试,在实际应用中,必须将半导体提炼成单晶体使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、整齐地排列的晶体结构,如图1-2所
6、示,称为单晶。硅和锗等半导体都是晶体,所以半导体管又称晶体管。通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。,图1-2 本征硅(或锗)的晶体结构(a)结构图;(b)平面示意图与共价键,电子产品安装与调试,1本征激发与复合 在绝对零度(273)时,半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚,所以在半导体中没有自由电子,半导体呈现不能导电的绝缘体特性。当温度逐渐升高或在一定强度的光照下,本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量,挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。同时,在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位,称之为空穴,也叫空位。这种现象,叫做本征激发。在本征激
7、发中,带一个单位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的,所以称之为自由电子空穴对,如图1-3所示。,电子产品安装与调试,图1-3 本征激发产生自由电子空穴对,电子产品安装与调试,自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失,叫做复合。本征激发和复合总是同时存在、同时进行的,这是半导体内部进行的一对矛盾运动。在温度一定的情况下,本征激发和复合达到动态平衡,单位时间本征激发出的自由电子空穴对数目正好等于复合消失的数目,这样在整块半导体内,自由电子和空穴的数目保持一定。对于纯锗来说,这个数据约为2.51013个/cm3,而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。从数字上可
8、以看出,本征半导体的导电能力是很差的。温度越高,本征激发越激烈,产生的自由电子空穴对越多,当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴的浓度就越高,导电能力就越强。这实际上就是半导体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。,电子产品安装与调试,2 自由电子运动与空穴运动 经过分析,我们知道在本征半导体中,每本征激发出一个自由电子,就会留下一个空穴,这时本来不带电的原子,就相当于带正电的正离子,或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。在热能或外加电场的作用下,邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位,这相当于此处的空穴消失了,但却转移到相邻的那个原子处去了,如图1-4所示,价电子由B到A的运
9、动,就相当于空穴从A移动到B。,电子产品安装与调试,思考题:两种载流子分别是_和_?思考题:本征激发中,自由电子和空穴的数目是否一样多?,半导体中有两种载流子:一种是带负电荷的自由电子,一种是带正电荷的空穴。它们在外加电场的作用下都会出现定向移动。微观上载流子的定向运动,在宏观上就形成了电流。,观看动画(本征激发和两种载流子),电子产品安装与调试,1.2.3 杂质半导体 由于半导体具有杂敏性,因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。根据掺入杂质的不同,又可分为N型(电子型)半导体和P型(空穴型)半导体。1 N型半导体 在四价的本征硅(或锗)中,掺入微量的五价元素磷(P)之后,
10、磷原子由于数量较少,不能改变本征硅的共价键结构,而是和本征硅一起组成共价键,如图1-5所示。,电子产品安装与调试,在N型半导体中,由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度,因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度,远远高于少子空穴的浓度。,图1-5 N型半导体,电子产品安装与调试,2 P型半导体 在四价的本征硅(或锗)中掺入微量的三价元素硼(B)之后,参照上述分析,硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构,如图1-6所示。,图1-6 P型半导体,电子产品安装与调试,三价硼原子的最外层只有三个价电子,和相邻的三个硅原子组成共价键后,尚缺一个价电子不能组成共价键,因此出现了一个空位,即空穴。这样邻
11、近原子的价电子就可以跳过来填补这个空位。所以硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴,一方面自己成为了带负电的离子,即掺入一个硼原子就相当于掺入了一个能接受电子的空穴,所以称三价元素硼为受主杂质,此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度,远远大于自由电子浓度,称空穴为多子、自由电子为少子。这种杂质半导体叫做P型(空穴型)半导体。,电子产品安装与调试,思考题:在本征半导体中掺加了三价或者五价元素之后,形成了P型或者N型杂质半导体,杂质半导体中会形成自由电子的数目大于空穴数目,或者穴数目大于自由电子的数目,整块半导体是否还是电中性呢?,整块半导体宏观上仍为电中性。,电子产品安装与调试,1.2.4
12、 PN结的形成 几乎所有的半导体器件都是由不同数量和结构的PN结构成的,因此,我们先来了解PN结的结构与特点。1 PN结的形成 在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺,使其形成N型区和P型区两部分后,在它们的交界处就形成了一个特殊薄层,这就是PN结。,电子产品安装与调试,1)多子的扩散运动建立内电场 如图1-7(a)所示,和 分别代表P区和N区的受主和施主离子(为了简便起见,硅原子未画出),由于 P区的多子是空穴,N区的多子是自由电子,因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。这种载流子在浓度差作用下的定向运动,叫做扩散运动。多子扩散到对方区域后,使对方区域的多子因复合而
13、耗尽,所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子,N区形成正离子区,P区形成负离子区,形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区,这个电场称为内建电场,简称内电场,如图1-7(b)所示。在这个区域内,多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽,所以又称耗尽层。在耗尽层以外的区域仍呈电中性。,电子产品安装与调试,2)内电场阻碍多子扩散、帮助少子漂移运动,形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区,因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反,对多子的扩散起了一个阻碍的作用,使多子扩散运动逐渐减弱。内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。由于P区的少子是自由电子
14、,N区的少子是空穴,因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。这种少数载流子在电场力作用下的定向移动,称为漂移运动,如图1-7(b)所示。,电子产品安装与调试,图1-7 PN结的形成(a)多子的扩散运动;(b)PN结中的内电场与少子漂移,电子产品安装与调试,观看动画(PN结的形成),思考题:扩散运动和漂移运动是否同时存在?思考题:如何扩大内电场?思考题:如何减小内电场?,电子产品安装与调试,1.2.5 PN结的单向导电特性 未加外部电压时,PN结内无宏观电流,只有外加电压时,PN结才显示出单向导电性。1)外加正偏电压时PN结导通 将PN结的P区接较高电位(比如电源的正极),N区接较低电位(比如电
15、源的负极),称为给PN结加正向偏置电压,简称正偏。,电子产品安装与调试,2)外加反偏电压时PN结截止 将PN结的P区接较低电位(比如电源的负极),N区接较高电位(比如电源的正极),称为给PN结加反向偏置电压,简称反偏。PN结反偏时,外加电场方向与内电场方向相同,内电场增强,使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下,有所增强,在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反,称为反向电流IR。,电子产品安装与调试,观看动画(单向导电性),思考题:加正偏电压超过限定的值会有什么样的情况?思考题:加反偏电压超过限定的值会有什么样的情况?,电子产品安装与调试,1.3 二极管的
16、符号和特性,1.3.1 二极管的类型与符号1.3.2 二极管的伏安特性1.3.3 二极管的近似模型,电子产品安装与调试,1.3.1 二极管的结构与类型,图1-8 半导体二极管的结构、外形与电路符号(a)点接触型;(b)面接触型;(c)平面型;(d)电路符号;(e)常见二极管的外形,电子产品安装与调试,1.3.2 二极管的伏安特性曲线 1伏安特性曲线 二极管的伏安特性也就是PN结的伏安特性。把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律,称为二极管的伏安特性,以曲线的形式描绘出来,就是伏安特性曲线。二极管的伏安特性曲线如图1-9所示,下面分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。,电子产品安装与调试,图1
17、-9 二极管的伏安特性,电子产品安装与调试,1)正向特性外加正偏电压UF 当UF0时,IF0,PN结处于平衡状态,即图 1-9中的坐标原点。当UF开始增加时,即正向特性的起始部分。由于此时UF较小,外电场还不足以克服PN结的内电场,正向扩散电流仍几乎为零。只有当UF大于死区电压(锗管约0.1 V,硅管约0.5 V)后,外加电场才足以克服内电场,使扩散运动迅速增加,才开始产生正向电流IF。,电子产品安装与调试,2)反向特性外加反向偏压UR 当外加反向偏压时,宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压UR在一定范围内变化时,反向电流IR几乎不变,所以又称为反向饱和电流IS。当温度升高时,少子数
18、目增加,所以IS增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于1 A,锗管为几十到几百微安,如图中B段所示。,电子产品安装与调试,3)击穿特性外加反压增大到一定程度 击穿特性属于反向特性的特殊部分。当UR继续增大,并超过某一特定电压值时,反向电流将急剧增大,这种现象称之为击穿。发生击穿时的UR叫击穿电压UBR,如图1-9中C段所示。如果PN结击穿时的反向电流过大(比如没有串接限流电阻等原因),使PN结的温度超过PN结的允许结温(硅PN结约为150200,锗PN结约为75100)时,PN结将因过热而损坏。,电子产品安装与调试,1.3.3 二极管的近似模型 1)理想模型 所谓理想模型就是将二极管的单向导电
19、特性理想化,认为正偏时二极管的管压降为0 V,忽略其0.7 V或0.3 V的导通电压,相当于短路导线;而当二极管处于反偏状态时,认为二极管的等效电阻为无穷大,反向电流为0,如图1-10(a)的伏安特性曲线所示。一般在电源电压远大于二极管的导通压降时,利用理想模型来分析,不会产生较大的误差。,电子产品安装与调试,2)恒压降模型 恒压降模型的伏安特性曲线如图1-10(b)所示,其反偏模型还是理想的,但认为二极管正偏导通后的管压降是一个恒定值,对于硅管和锗管来说,分别取0.7 V和0.3 V的典型值。这个模型比理想模型更接近实际情况,因此应用比较广泛,一般在二极管电流大于1 mA时,恒压降模型的近似
20、精度还是相当高的。,电子产品安装与调试,图1-10 二极管的近似模型(a)理想模型;(b)恒压降模型,电子产品安装与调试,1.4 二极管在电子技术中的应用,二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、钳位、开关、稳压、检波等方面,大多是利用其正偏导通、反偏截止的特点。1整流应用 利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电,如图1-11所示。这种方法简单、经济,在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理,还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路。,电子产品安装与调试,图1-11 二极管的整流应用(a)二极管整流电路;(b)输入与输出波形,电子产品安装
21、与调试,2限幅应用 利用二极管的单向导电性,将输入电压限定在要求的范围之内,叫做限幅。图1-12(a)所示的双向限幅电路中,交流输入电压ui和直流电压E1都对二极管VD1起作用;相应的VD2也同时受ui和E2的控制。在假设VD1、VD2为理想二极管时,有如下限幅过程发生:当输入电压ui3 V时,VD1导通,VD2截止,uo3 V;当ui-3 V时,VD2导通,VD1截止,uo3 V;当ui在3 V与+3 V之间时,VD1和VD2均截止,因此uoui,输出波形如图1-12(b)所示。,电子产品安装与调试,图1-12 二极管的限幅应用(a)双向限幅电路;(b)输入与输出波形,电子产品安装与调试,3
22、稳压应用 在需要不高的稳定电压输出时,可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。还有一种稳压二极管,可以专门用来实现稳定电压输出。稳压二极管有不同的系列,用以实现不同的稳定电压输出。,电子产品安装与调试,4开关应用 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用,因为二极管具有单向导电性,可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。如图1-13所示,为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。其中us是需要定期通过二极管VD加入记忆电路的信号,ui为控制信号。,电子产品安装与调试,图1-13 二极管的开关应用,电子产品安装与调试,当控制信号ui=10 V时,VD的负极电位被抬高,二极管截止,相当
23、于“开关断开”,us不能通过VD;当ui=0 V时,VD正偏导通,us可以通过VD加入记忆电路。此时二极管相当于“开关闭合”情况。这样,二极管VD就在信号ui的控制下,实现了接通或关断us信号的作用。,电子产品安装与调试,1.5 特殊二极管,1.5.1 稳压二极管1.5.2 发光二极管1.5.3 光敏二极管1.5.4 激光二极管,电子产品安装与调试,1.5.1 稳压二极管,稳压二极管简称稳压管,也称为齐纳二极管,是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管,可以稳定地工作于击穿区而不损坏,具有稳定电压的功能。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二极管相似,其电路符号、伏安特性曲线如图1-14所示。
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