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导体两端电压(V);
R:
导体的电阻(Ω)。
例1.1已知某白炽灯的额定电压是220V,正常发光时的电阻碍为1210Ω,试求流过的灯丝的电流。
解:
I=
=
≈0.18(A)
2、全电路欧姆定律
全电路是含有电源的闭合电路。
如图1-1所示。
E代表电源电动势,r代表电源内阻。
图1-1最简单的全电路图1-2电源的输出特性
全电路中的电流强度与电源的电动势成正比,与整个电路(即内、外电路)的电阻成反比。
其数学式为:
(1-2)
式中I:
电路中的电流(A);
E:
电源电动势(V);
R:
外电路电阻:
r:
内电路电阻。
由式(1-2)可得:
E=IR+Ir=U外+U内(1-3)
式中U内是内电路电压,U外是外电路电压。
外电路电压是指电路接通时的电流两端的电压,又叫端电压。
由此可说,电流的电动势在数值上等于闭合电路各部分的电压之各。
在全电路中,电压与电流的变化规律如下:
(1)电路处于通路时,由式(1-3)可得端电压与电流的关系
U外=E-Ir(1-4)
根据式1-4可知,电源的输出特性为一条向下倾斜的直线,随着I的增大,U外由E沿直线下降,电源内阻越大,U外下降越多。
(2)电路处于断路状态时,相当于R→∞,则I=0,U外=E,U内=0,即电源的开路电压等于电源的电动势。
(3)电路处于短路状态时,相当于R→0,此时电路中的短路电流I短=
。
由于r一般很小,所以I短很大,短路时,U外=0,U内=E。
通常电源电动势和内阻都基本不变,且r很小,可近似认为电源的端电压等于其电动势。
第二节电功与电功率
1、电功
电流流过用电器时,用电器就将电能转换成共他形式的能(如磁、热或机械能等),叫做电流做功,简称电功,用字母W表示。
W=UQ=IUt=I2Rt=
t(1-5)
上式中,电压单位为伏(V),电流为安(A),电阻为欧姆(Ω),时间为秒(t),则电功率单位焦耳(J)
2、电功率
电流在一定时间内所做的功称电功率,经字母P表示
P=
=UI(1-6)
单位:
瓦特(简称瓦),用字母W表示。
3、电流的热效应
电流的热效应就是电能转换成热能的效应。
电流流过导体产生的热量与电流的平方,导体的电阻及通电时间成正比。
这就是焦耳一楞次定律。
其数学表达式为:
Q=I2Rt(1-7)
Q单位也是焦耳,以字线J表示。
4、负载的额定值
任何电气元件和设备在工作时都会发热。
为保证电气元件和设备能长期安全地工作,都规定有一个最高工作温度。
工作温度取决于发热量,发热量又取决于电流、电压或电功率。
我们把元器件和设备安全工作时间所允许的最大电流、电压和电功率分别叫它们的额定电流、额定电压和额定功率。
熔断器是保护用电设备过载开电路的装置。
熔丝(俗称保险丝)是用低熔点的铅锡合金或银丝制成。
一、电容器
被绝缘材料分隔开的两块导体,组成一个电容器。
这两块导体叫电容器的极板。
电容器的两块极板经电极接到电路中,两个极板就分别聚集等量而异性的电荷,介质中有了电场,储存着电场形式的能量。
当极板上电荷改变时,就形成了电流,这就是电容器在电路中的主要性能。
电容器每个极板的电荷量q和极间电压u的比值
c=
(1-8)
叫做电容量,简称电容。
电容量反映了电容器聚集电荷的能力。
其单位有法拉、微法和安法,其符号分别为F、μf、pF。
1法拉(F)=106微法μf=1012皮法pF
电容器的电容决定于它的极板形状、大小及相对位置,并与极间的介质种类有关。
如果外电场过强,介质的绝缘性能被破坏而导电,这咱现象叫介质的击穿。
空气的击穿电压为3kV/mm。
一般说,电容器极板的面积越大,其容量就越大;
极间距越小,其电容量就越大,电容器的符号如图1-3和图1-4。
CC
图1-3电容C图1-4电解电容C
二、常见电容的结构及其特点
表1-1常见电容的结构及其特点
名称
极板
绝缘介质
特点
纸介电容器
铝箔、锡箔
石蜡纸带
容量高达0.001~0.5μF,额定电压600V
云母电容器
锡箔
云母片
电容量稳定,但一般在1μF以下,耐压高
油浸纸介电容器
金属箔
纸带经油浸特别处理
电容量大,耐压高
电解电容
用铝片作正极,电解液作负极
铝的氧化膜
电容量大,可达5000mF,但耐压低,不超过600V,有正负极之分,不能接受
陶瓷电容器
喷涂银层
陶瓷或压电陶瓷
体积小,耐热笥好,绝缘电阻高,稳定性高,但容量较小,压电陶瓷电容大
有机薄膜电容器
聚苯乙烯或涤纶
体积小,容量较大
微调电容器
金属片
云母片或陶瓷
电容量在小范围内可调节
可变电容器
两组金属片(定片和动片)
空气或塑料膜
电容在较大范围内可调节
三、电容的充电、放电特性
1、电容器的充电
图1-5(a)为电容器的充电电路,图1-5(b)为充电特性曲线。
由图1-5(a)可见,当把电容器C与电阻R串联后,接到端电压为恒定值U的电源两端,电容C即被充电。
其充电电流i充和充电电压Uc的变化规律如图1-5(b)所示。
(1)当电路刚一接通的瞬间,电容器C相当于短路,i充很大;
随着充电时间延长,i充逐渐变小,很太时,电容C相当于断路,i充≈0。
(2)电容C的充电电压Uc随时着时间延长由零逐渐升高,充电结束时,U以c达到稳定值(UC=U)。
也就是说UC不可能产生突变,有一个电荷积累的过程。
图1-5电容的充电
2、电容的放电
由图1-6(a)可见,当把被充电的电容器C与电阻R接或放电回路时,电容器C就以与充电电流方向相反的放电电流i放对电阻R进行放电,其放电电流i放和放电电压UC的变化规律如图1-6(b)所示。
图1-6电容的放电
(1)i放与i充的方向相反。
(2)放电开始时,电容器C相当于短路,i放很大;
随着时间的推移,i放由最大逐渐变小;
放电结束时,电容C相当于断路,i放=0。
(3)UC随着时间由最大逐渐降低为0。
(4)电容C在放电过程中所放出的能量等于充电过程中储存的能量。
总之,在电阻和电容组成的RC电路中,电容C的充电和放电时间与电路时间常RC的乘积有关。
因此,使用中只要改变电路的时间常数,便可改变电容器充电和放电的时间。
自1948年第一只晶体管问世以来,半导体元器件的发展突猛进。
从半导体分立元件到集成电路,再从大规模集成电路发展到超大规模集成电路。
目前,在长8.9mm,宽6.6mm的硅片上所集成的晶体已多达60万个。
一、半导体
半导体是一种导电性介于导体与绝缘体之间的物质。
常用的有硅(Si)和锗(Ge)等。
它有如下特性:
1)通过“掺杂”、半导体的导电性可以调整。
利用这一特性可以制造出绝大部分半导体元器件。
2)半导体的导电能力对环境的变化,如温度、光照、气体、磁场和机械成等很敏感。
这一特性使我们可以制造如热敏电阻、光电二极管及气敏、磁敏和力敏等半导体元器件。
3)半导体的电流是电子流和空穴流(统称载流子)之和,其浓度介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半导体材料硅或锗中掺入微量的磷或锑等五价元素后,所获得的掺杂半导体称为N型半导体,其多数载流子为电子。
若掺入微量的铟或镓等三价元素后,则获得P型半导体,其多数载流子为空穴。
因此,通过控制掺杂元素的种类和数量可获得各种类型和导电能力的半导体。
用特殊工艺将P型和N型半导体结合在一起,在它们交界面上就会形成特殊的带电薄层,称为PN结(见图1-7)。
PN结具有单向导电性:
加正向电压时,正向电压使内电场变薄,PN结呈现导通性质;
反向电压使内电场加强变厚,PN结反向截止。
如图1-8所示。
图1-7PN结图1-8PN结的单向导电性
二、晶体二极管
在PN结上加装两根引出线并经特殊封装就构成晶体二极管。
1、晶体二极管的种类
按用途来分,晶体二极管有检波二极管、整流二极管、稳压二极管和开关管等。
按结构可以分为点接触型和面接触型二极管。
点接触型(一般为锗管),如图1-9(a)所示,它的PN结面积很小,不能通过大电流,适用于高频和小功率的工作,不能承受很高的反向压力。
面接触型二极管(一般为硅管)如图1-9(b)所示。
它的PN结面积大,故可通过较大电流,可承受较大的反向电压,但一般适用于整流和稳压等低频电路。
其符号如图1-10所示。
图1-9晶体二极管
如果按材料分为硅管和储管两种。
2、二极管的伏安特性及主要参数
如图1-11是某硅二极管的伏安特性曲线,也就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。
由曲线可以看出:
图1-10二极管的符号图1-11二极管的伏安特性
1)正向导通性。
当正向电压超过一定数值以后(锗管约0.3V,硅管约0.7V),流过二极管的正向电流将随正向电压的升高明显增加,二极管导通。
2)反向截止性。
当二极管处于反偏时,其反向电流在反向电压不大于某一数值(Ua)时是很小的,且在一个较大的电压范围内基本不变。
3)反向击穿特性。
当反向电压大于某一值(Ua)后,反向电流突然急剧增大,称为二极管反向击穿。
晶体二极管的主要参数如下:
(1)最大正向电流。
是指在一定的散热条件下,晶体二极管长期工作时所允许流过的最大正向电流。
若超过此值,二极管可能由于过热而损坏。
(2)最高反向工作电压。
指二极管所能承受的最高反向工作电压(峰值)。
若超过此值,二极管有被反向击穿的危险,一般规定反向工作电压为反向击穿电压的一半。
3、晶体二极管的测试与代用
将万用表电阻挡(R×
1Ω、R×
100Ω或R×
1kΩ),用红、黑两表笔分别接二极管两个电极。
正向电阻一般在几十到几百欧姆,反向电阻约为几百欧姆到几千欧姆。
当电路中的二极管损坏,应选用同型号的二极管代替。
若没有同型号的,可选用相类似功能、性能及参数的二极管替代。
三、整流电路
将交流电转变成单一方向的直流电的过程,称为整流。
整流电路有半波整汉和全波整流;
接电源的相数分有单相和三相整流。
1.单个半波整流
工作原理:
图1-12(a)为变压器的电压波形,U2=2U2sinωt。
在正半周内,即(a)端为正,(b)端为负,则二极管为正向偏置而导通。
则负载两端的电压为U2;
在U2的负半周时,变压器次级(a)端为负、(b)端为正时,二极管为反向偏置而截止,负载两端的电压为零。
随着周而复始地变化,负载上就得到如图1-12(b)的电压和电流波形。
因为整流器输出给负载的波形只有输入波形U2的一半,所以称为半波整流。
图1-12单相半波整流电路及电压和电流波形
负载的脉动直流电压的平均值是
UR=0.45U2(1-9)
根据欧姆定律,可得负载的电流为
IR=
(1-10)
2.单相全波整流
U2=
U2sinωt,是变压器次级电压正弦函数,其波形如图1-14(a)所示。
在正半周内,变压器a)端为正,b)端为负,则二极管D1、D4导通,电流从端经D1、R、D4流向b)端,此时负载的电压就是。
在负载半周内,变压器次级别a)端为负,b)端为正,D2、D3导通(D1、D4截止),电流由b端经D2、R、D3流向a端,负载的电压仍为U2。
由图1-14(b)可以看出,尽管的方向发生了变化,但流过负载的电流始终没有改变。
这种整流电路在U2整个周期内都有输出,所以称为全波整流电路。
图1-13单相全波整流电路图1-14单相全波整流波形
全波整流的输出电压比半波大一倍,即:
UR=0.9U2(1-11)
四、稳压电路
1.稳压二极管
稳压二极管是一种具有稳压作用的特殊硅二极管。
其符号是。
硅稳压二极管的伏安特性曲线如图1-15。
其反向特性曲线比普通二极管陡峭。
在反向电压较小时,管子只有极微弱的反向电流。
当反向电压达到某一数值U2时,管子突然导通,电压即使增加很少也会引起较大电流,称为“击穿”。
为击穿电压,即稳压管的稳定电压。
稳压管工作在反向击穿区,稳压管的电流在很大范围内变化,U2基本不变(即曲线AB段),这就是稳压管的稳压作用。
稳压管反接在电路中。
图1-15稳压管伏安特性
稳压管的主要参数:
(1)稳定电压U2。
在正常工作时,稳压管两端的反向电压。
(2)稳定电压。
维持稳定电压的工作电流。
(3)最大稳定电流。
若超过这个电流,稳压管将会过热而损坏。
即图1-15中IZ(B点的电流)。
图1-16稳压电路
2.稳压电路
稳压电路的工作原理如下:
1)当RZ不变时,由于输入电压U入升高时,流过稳压管的电流将增加,流过限流电阻R的电流也相应地增加,则输出电压U出=U入—UR保持不变。
同理,若输入电压减小,限流电阻上的电压也相应减小,从而保证负载两端的电压稳定。
2)当输入电压不变时,RZ减小使负载电流增加,限流电阻上的压降增大,又使输出电压下降。
但输出电压稍有下降,就会引起流过稳压管的电流下降,从而抵消了负载电流变化在限流电阻上造成的压降,保证了输出电压的稳定。
同理,当负载电阻增大时,由于稳压管的稳压作用,也能保证输出电压稳定。
由此可见,稳压二极管与限流电阻R配合,可共同稳定输出电压(见图1-16)。
一、晶体三极管
1.晶体三极管结构
晶体三极管是由三块半导体组合成,有PNP型和NPN型两种。
目前国内生产的硅三极管多为NPN型,锗管多为PNP型。
晶体三极管分为基区、发射区和集电区(见图1-17)。
在制造时,掺入发射区的杂质比集电区多,但集电区的尺寸比发射区大。
从基区的引出线叫基极(b);
发射区的引出线叫发射极(e);
从集电区的引出线叫集电极(c)。
晶体三极管都有两个PN结,基区与发射区之间的PN结叫发射结,基区与集电压之间称为集电路。
图1-17三极管的结构及符号
2.晶体三极管的电流放大作用
图1-18为晶体三极管测试电路。
当调节电位器W改变基极电流Ib的大小时,就相应地测得一组集电极电流Ic和发射极电流Ie,以及集电极与发射极间电压Uce。
图1-18三极管实验电路
表1-2晶体三极管测试数据
Ib/uA
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
IC/mA
0.01
1
1.4
2.3
3.2
4
4.7
5.3
5.8
5.85
4.85
Ie/mA
1.015
1.42
2.33
3.24
4.05
4.76
5.37
5.88
5.94
5.95
5.97
Uce/V
11.98
10
9.2
7.4
5.6
2.6
0.4
0.3
上表为所测得的数据。
由上表可以看出:
1)晶体三极管各电极的电流分配关系是:
Ie=Ib+Ic由于Ib<
Ic,所以Ie≈Ic。
通常把Ic大于Ib的倍数称为三极管的直流放大倍数,用
表示。
(1-12)
Ie≈Ic=
Ib(1-13)
2)在一定范围内,基极电流对集电极电流有控制作用。
我们把基极电流的变化量△Ib与△Ic集电极电流的变化量的比值称为动态(交流)放大系数β:
β=
(1-14)
估算时,一般认为β=β。
常用晶体三极管的值约为20~200之间。
3)基极电流控制集电极与发射极之间的电压,并随着的增加逐渐变小。
二、晶体三极管的特性曲线
三极管各电极的电压与电流的相互关系称三极管的特性。
1.三极管的输入特性
当Uce为一定值时,加在三极管基极与发射极之间的电压Ube,与由它产生的Ib之间的关系曲线如图1-19所示。
由图可以看出:
1)当Uce=0时,三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似;
当Uce大于零时,曲线右移。
当Uce>
1伏后曲线很接近。
2)当硅管Ube≈0.7V,锗管Ube≈0.3V时,曲线变得很陡。
此时如Ube稍有变化,Ib就有很大的变化。
所以常把硅管Ube≈0.7V,锗管Ube≈0.3V的值称做三极管发射结的导通电压。
图1-19三极管的输入特性曲线
2.输出特性曲线
指三极管当基极电流保持某一数值时,集电极和发射极间的电压Uce与集电极电流Ic的关系曲线。
1)当相当于Ib=0(相当于基极开路)时,并不等于零而为某一数值,通常把它称为穿透电流,以Iceo表示。
这时三极管的发射结处于反偏(或零偏),集电结处于正偏而失去放大作用。
通常Ib=0把那条曲线以下的工区域称为截止区。
2)当Uce小于1V左右时,Ic的数值随Uce的增加而迅速增加到一定值,不受Ib控制。
通常把特性曲线Ic近乎直线上升的左侧影线部分叫饱和区。
此时三极管的发射结和集电结都处于正偏。
3)当Uce>
1V左右后,Uce的增加对的Ic影响已很小,曲线趋于平坦。
此时Ib的微小变化就能引起集电极电流较大的变化,这就是三极管的电流放大作用。
通常把这个区域称为放大区。
图1-20三极管的输出特性曲线
从以上讨论可知,三极管截止时Ib=0、Ic≈0、Uce≈Ec,对于三极管的c、e极来说可视为开路。
这样,截止的三极管就相当于一个断开的开关;
当三极管饱和时,c、e极间的电压Uce很小,三极管相当于一个接通的开关。
通常可根据三极管各电极的电位来判定其工作状态(见表1-3)。
表1-3
三极管工作状态
NPN型
PNP型
放大
Uc>
Ub>
Ue
截止
UbUb≤Ue
Uc<
UbUb>
饱和
UbUb<
三、晶体三极管的简易判别
1.NPN型和PNP型管的判别
可利用PN结的单向导电性来判别,由于三极管具有发射和集电两个PN结,可以将三极管看成两个二极管。
先将万用表调到R×
100或R×
1K挡(不允许使用R×
1或R×
10K挡),然后将黑表笔接触假定的基极,用红表笔笔依次去接触另外两个管脚。
若两次侧得的电阻都较小(小功率三极管约为几百欧姆);
当对调黑、红表笔重复上述测量时,两次测得的电阻都较小(小功率管应大于几十到几百千欧姆),则原假定的基极成立,且该三极管可判别为NPN型。
反之则为PNP型。
2.c、e两电极的判别
用大拇指接触到NPN型管的三个极,然后将万用表调到R×
1K挡,并将两支表笔分别接徐基极了好b以外的两个电极。
若万用表指针摆动,再将两支表笔交换重复上述测量,此时若万用表指针不摆动,则前次测量时黑表笔接的是NPN型三极管的集电极c,红表笔所接为发射击极e,PNP管则相反。
3.好坏判别及Iceo的估计
将万用表欧姆挡调到R×
1K位置,使黑表笔与集电极c接触,红表笔与发射极接触e(PNP管应对调)。
对于质量较好的三极管,此时测得阻值应较大,小功率硅管应大于数百千欧姆,锗管应大于数十千欧姆。
若阻值太大就表明Iceo较大,三极管的热稳定性差;
若阻值接近于零,说明三极管内部击穿;
若阻值慢慢减小,则说明三极管的热稳定性差,也不能使用。
4.放大系数β的估计
用手指捏住两管脚(或c、b在间接入100kΩ电阻),然后测c、e间的电阻。
此时c、e间的电阻越小(即表针偏转角度越大),表明β值越大。
若表针偏转角度很小或不变,则表明三极管的放大能力极弱或已失去放大能力,不能使用。
晶闸管(原名叫可控硅)是半导体闸流管的简称,它是在硅二极管的基础上发展起来的一种新型整流器件。
它可以用作调节交流电压、整流和无触点开关用。
晶闸管的符号为,它有三个电极:
阳极a、阴极b和控制极g。
一、晶闸管的特性
1.正向阻断
如图1-21(a)所示,当阳极a与阴极c间加上正向电压(阳极接电源正极,阴极接电源负极),但控制极上不加正向电压(即K断开)时,指示灯不亮,这说明晶闸管不导通,正向阻断。
2.可控导通
如图1-21(b)所示,当合上开关给控制极加上一个正向电压(称为触发)时,指示灯变亮。
说明晶闸管有可控导通的能力。
3.持续导通
如图1-21(c)所示,在晶闸管导通后,即使去掉控制极上的电压(即打开开关K),指示灯仍发光,说明晶闸管有持续导通的以能力。
此时,要使晶闸管截止,就必须把电源Ea切除或反向。
4.反向阻断
如图1-21(d)所示,虽然在控制极上加有正向电压,但阳极与阴极闸却加反向电压,此时指示灯不亮,说明晶闸管不导通,有反向阻断的能力。
综上所述,要使晶闸管导通,第一要在阳极与阴极间加正向电压;
第二要在控制极与阴极间也加上适当的正向电压。
要使晶闸管导通后截止,必须切除阳极与阴极间的电压或使它反向。
图1-21晶闸管的工作特性实验电路
二、晶闸管的工作原理
晶闸管实质上由四块半导体,三个PN结组成的特殊三极管。
我们可乖效地把它看成是由一个PNP型三极管T2和一个NPN型三极管T1组成。
图1-22晶闸管的工作原理
若在晶闸管的阳极和阴极间加上正向电压,而不给控制极加正向电压,此时虽然T1和T2都加有正向电压,但因T1无基极电流,晶闸管仍然截止。
若此时给控制极加上正向电压则T1受触发而产生基极电流Ig。
该电流经放大,在其集电极中得到一个β1Ig的电流。
此电流正好是T2的基极电流。
经放大后,在T2的集电极中将得到一个β1β2Ig的电流。
这个电流又被送入进行放大再次送给放大。
如此反复放大,形成了强烈的正反馈。
使T1和T2都迅速进入饱和导通状态。
在两个三极管的发射极,也就是晶闸管的阳极和阴极也现很大电流(电流大小实际上由负载的大小和Ea决定),于是晶闸管完全导通了。
这个导通过程是在极短
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