电子技术应用部分教案1.doc

教学内容一：半导体的主要特性教学目标： 1、掌握半导体的概念 2、掌握PN结的概念及其特性教学难点： PN结的特性教学方法：讲解法课时安排：2课时教学过程：一、半导体的概念自然界中的物质，按导电能力强弱不同，可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。故半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的，不含有杂质的半导体叫做本征半导体。本征半导体有两种导电粒子，一种是带负电荷的自由电子，一种是带正电荷的空穴。二、半导体的特性自由电子和空穴在外电场的作用下都会做定向移动而形成电流，所以把它们统称为载流子。本征半导体中每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，自由电子和空穴的数目相对出现，这种物理现象叫做本征激发。常温下，本征激发产生的自由电子和空穴数目很少，所以本征半导体的导电性能比较差。但温度升高或光照增强时，本征半导体内电子运动加剧，载流子数目增多，导电性提高，这就是半导体的热敏特性和光敏特性。在本征半导体中掺入三价或五价元素后分别形成P型半导体或N半导体，半导体的导电性能大大提高，这就是半导体的掺杂特性。三、半导体的种类本征半导体、N型半导体和P型半导体。四、PN结及其导电特性1、PN结的形成 采用掺杂工艺是P型半导体和N型半导体做在一起，在P型半导体和N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层，成为PN结。2、PN 结的单向导通特性。教学内容二：半导体二极管教学目标： 1、掌握半导体二极管的外观、结构和电路符号 2、掌握二极管的导电特性教学难点： 二极管的导电特性教学方法：讲解法课时安排：2课时教学过程：新课导入：同学们，上节课我们学习了半导体的基本知识，那么半导体究竟又是怎么应用到现实当中的呢？半导体的应用又会有那些奇特的效果呢？我们今天来研究一下。 首先，我们来看一下由半导体材料构成的基本电子元器件晶体二级管。一、二极管的外观、结构与电路符号（1）二极管是什么样子呢？从封装材料的不同可以分为三种，分别是：玻璃封装二极管、塑料封装二极管和金属封装二极管。（2）二极管的结构： 二极管是在PN结的两端分别引出两根导线做电极，从P区引出的电极为正极，从N区引出的电极为负极，并且在外部套装封装外壳，外壳上印有标记以便区分正负电极。 二极管根据PN结的结构不同可以分为点接触型、面接触型和硅平面型三种。如图所示：（3）二极管的符号V正极 负极 电流方向 在电子线路中，用约定的电路图形符号和文字符号来表示二极管器件 ，如下图所示：电路图形符号的箭头起始一边代表正极，另一边代表负极，而箭头所指的方向是正电流流通的方向，通常用字母V或D表示二极管。二、二极管的导电特性:单向导电特性三、二极管的伏安特性曲线AABBCCDD00.20.40.60.81.0VD/VID/mA10-10-20-30-2-43020ID/AO为了更准确的了解二极管的单向导电性，借用曲线的方式。加在二极管两端的电压VD 与流过二极管的电流ID的关系曲线称为伏安特性曲线。其中分为正向特性曲线和反向特性曲线。如图所示：教学内容三：晶体三极管的基本知识教学目标：1 了解晶体三极管的结构和种类2 掌握晶体三极管共射极放大电路的输入特性曲线和输出特性曲线的含义、特点3 理解三极管的各种参数的含义4 掌握万用表对三极管各管脚进行判别的方法教学重点：1 三极管的共射极连接输入、输出特性曲线的特点2 三极管的各种参数教学难点：1 三极管共射极连接输入输出特性曲线的含义、理解2 利用万用表对三极管各个管脚进行判别教材分析：本章节内容主要讲解了三极管的结构、种类及共射极连接的输入、输出特性曲线。从结构上分析和晶体二极管具有一定的联系，多个PN结，但工作特性却产生了显著的不同。同时三极管又是放大电路的核心器件，其输入输出特性是充分掌握晶体三极管放大电路的基础，尤其是在利用图解分析法分析共射极放大电路的环节上。所以，本节内容是前后章节联系的一个纽带，是后续内容的基础。而利用万用表判别三极管的管脚、类型是学生应该掌握的基本技能之一，它对万用表的结构、使用方法是一个复习，同时增进了对三极管内部PN结结构的理解。教学方法： 讲析法 动手操作 归纳总结法课时安排： 4课时教学过程： 第1课时 晶体三极管的结构和种类新课导入：同学们，在上一节的内容当中我们介绍了放大电路的基本概念。那么，放大电路的功能是如何实现的呢？它的核心器件是什么？为了解决这样两个问题，我们开始今天的课程。一、晶体三极管的结构 晶体三极管简称三极管，顾名思义它有三个极，使我们电子课程中一种重要的电子元器件。我们结合二极管来进行学习。二极管1个PN结2个极（阴极和阳极）单向导电性三极管2个PN结（发射结和集电结）3个极（发射极集电极和基极）每个PN结也具有单向导电性注：三极管的发射区掺杂浓度比较高，集电结比较薄且面积比较大，是三极管具备放大特性的原因。从结构上分析，三极管的发射极和集电极两者不能互换。集电区 基区 发射区 C集电极 集电结 发射结B 基极 E 发射极二、二极管的分类1 以半导体材料来分类：硅管、锗管2 以基型半导体来分类：NPN型和PNP型3 按结构不同来分类：点接触型、面接触型和平面型4 按功率不同来分类：小功率管（PCM1W）和大功率管(PCM1W)三、三极管的三种连接方式三极管有三个极，其中每两个几极分别与第三个极形成两个端口连接在电路当中。所以三极管有三种连接方式，分别是：共射极、共基极和共集电极。共射极：是以基极输入，集电极输出，共用射极形成两个端口共基极：是以射极输入，集电极输出，共用基极形成两个端口共集电极：是以基极输入，射极输出，共用集电极形成两个端口第2课时 共射极放大电路三极管的输入输出特性曲线 描述三极管特性的曲线有两个：输入特性曲线和输出特性曲线。在三极管的应用中，三个极与电路连接方式不同，用来描述其特性的曲线也不相同。本课只介绍最常见的共射极放大电路的特性曲线。一、 输入特性曲线 描述共射极放大电路中，输入端口的伏安关系，因为三极管共用于输入回路和输出回路当中，故其输入端口的伏安关系收输出回路因素影响，这里具体体现在VCE值上。含义：共射极放大电路的输入特性曲线是指在VCE的情况下，VBE 与IB的伏安关系曲线。不同的VCE对应不同的输入特性曲线，所以输入特性曲线是一族曲线，输入特性曲线随VCE的增加而向右移动，当VCE 1V以后，曲线无限接近，可以近似的认为是一条曲线，也就是我们经常涉及到得曲线。 IB / uAVCE1VVCE=1V VT 0.6200.420.820.22VCE/ V 该特性曲线与二极管的伏安特性曲线相似。称为门限电压。当VBE VT时，IB0，发射极正偏。当 VBE VT时，IB0，发射极反偏。其参数值与二极管相同。二、输出特性曲线描述共射极放大电路中，输出端口的伏安关系，它受输入回路的因素影响。具体体现在：含义：指在IB一定的条件下，由集电极与发射极之间电压VCE与流过集电极的电流IC之间的关系曲线。每给定一个IB值，就可得到一条曲线，这样就可得到许多条输出曲线，每条输出曲线分为三个区：截止区：IB=0以下的区域，发射结反偏，集电结反偏，IC很小，只有极少少数载流子反向形成漂移电流。放大区：VCE足够大，发射结正偏，集电结反偏，IC与IB成正比例增长，IC具有恒流特性。饱和区：指输出特性曲线的上升部分，与纵轴之间的区域。VCEVBE，发射结与集电结均正偏，IC 不受IB控制，VCES约为0.10.3V。习题练习：例题2-1判断三极管的工作状态。第3课时 三极管的各种参数及习题练习一、三极管的各种参数1 共射极直流电流放大倍数2 共射极交流电流放大倍数3 集电极最大允许电流ICM该电流时三极管能保证安全工作的参数，若电流超过这个限度时，管子不一定会损坏，但它的值将会下降至正常值的时的集电极电流称集电极最大允许电流。4 集电极最大允许耗散功率PCM=IC.VCE 若集电极功率损耗过大，超过PCM时，将使管子性能变差或烧毁，实际损耗功率不允许超过PCM 。二、习题练习（电子技术基础学习指导与同步训练 主编 陈振源 P22）例题1 计算三极管的交流电流放大倍数例题2 对三极管共射极输出特性曲线的识读。例题3 根据已知三极管个管脚电压来判断三极管各极名称，型号和半导体材料。例题4 根据三极管三个极的点位判断三极管的工作状态。第4课时 利用万用表分辨三极管个管脚一、利用指针式万用表欧姆挡测量三极管各管脚间PN结的正反向电阻。1 万用表的黑表笔接表内电池的正极，红表笔接表内电池的负极。2 选用RX1k挡位进行测量。二、针对NPN、PNP三极管内部的PN结结构预判两三极管各极间电阻情况。发射结和集电结正偏电阻小，反偏电阻大，而发射极与集电极之间因为有两个方向相反的PN结串联，所以两极之间的电阻很大。三 指导学生分别对NPN三极管和PNP三极管进行测量步骤一： 对NPN三极管先用黑表笔固定在某一个管脚，用红表笔分别接触另外两个管脚，测量器电阻值的大小，并记录测量结果。步骤二：依次用黑表笔固定在另外管脚上，依步骤二方法进行操作。步骤三：改用红表笔固定在某一管脚上，用黑表笔去分别接触另外两个管脚，依步骤一和步骤二进行操作。步骤四：将三极管改为PNP管子重复以上操作。四 引导学生对测量的12种结果进行分类、归纳。得出规律性的东西。作业：对本节操作课，写一份操作报告。要求：详细记录操作步骤、结果、并将归纳结论以文字的形式进行总结。教学内容五：七段数码管常识教学目标：1、 了解发光二极管的基本知识2、 掌握七段数码管的基本知识教学难点： 七段数码管的原理和分类教学方法：讲解法课时安排：4课时教学过程：一、发光二极管的基本知识LED 是取自 Light Emitting Diode 三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。LED的色彩与工艺：制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As) 化镓(Ga) ,其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向 PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。LED使用注意事项（1）LED的特性接近稳二极管，工作电压变化0.1V，工作电流可能变化20mA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压而变化。升压电路是一个好办法，也可以用简单的恒流电路，总之一定要自动限流，否则将会损坏LED。（2）一般LED的峰值电流50100mA，反向电压在6V左右，注意不可超过这个极限，尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时很可能超过这个极限，损坏LED。（3）LED温度特性不好，温度上升5，光通量下降3%，夏季使用更要注意。（4）工作电压离散性大，同一型号，同一批次的LED工作电压都有一定差别，不宜并联使用。若一定要并联使用，就应该充分考虑均流的情况。（5）超高亮白光LED色温为640030000k，目前低色温的超高亮白光LED尚未进入市场，所以用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，这点在光学设计上要引起注意。（6）静电对超高亮白光LED影响很大，在安装时要有防静电设施，工人要佩带防静电手腕，受静电伤害的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将会变短。二、七段数码管基础知识 LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图。图1 这是一个7段两位带小数点 10引脚的LED数码管图2 引脚定义 每一笔划都是对应一个字母表示 DP是小数点.数码管分为共阳极的LED数码管，用CA（common anode）标识、共阴极的LED数码管用CC标识（common cathode）两种。下图例举的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led数码管原理图示意：图3 引脚示意图从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。共阳极LED数码管的内部结构原理图图4： 图4 共阳极LED数码管的内部结构原理图共阴极LED数码管的内部结构原理图：图5 共阴极LED数码管的内部结构原理图表1.1 显示数字对应的二进制电平信号LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A、静态显示驱动： 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动： 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。教学内容六：整流滤波电路教学目标：1.掌握单相半波整流、滤波电路的工作原理2.掌握单相全波整流、滤波电路的工作原理3.掌握单相桥式整流、滤波电路的工作原理教学重点：各种整流电路的工作原理教学方法：讲解法、图示法课时安排：4课时教学过程：一、 整流电路 把交流电转换成直流电的电路称为整流电路。 单相整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流及倍压整流电路等。1.1单相半波整流电路 1、电路的组成及工作原理2、负载上的直流电压和直流电流直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。I0=U0/RL=0.45U2/RL3、整流二极管参数 流过整流二极管的平均电流 ID 与流过负载的电流相等，即 ID= I0=U0/RL0.45U2/RL当二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，即 URM=2 U2根据上2式就可以选择整流二极管的类型，但考虑到电网电压的波动和其他因素，在具体选择二极管时要留有一定的余量。1.2 单向桥式整流电路1、电路的组成及工作原理桥式整流电路由变压器和四个二极管组成 2、负载上的直流电压和直流电流U0=0.9U2 I0=0.9 U2/RL由上述分析可知，桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。3、整流二极管的参数 在桥式整流电路中，因为二极管D1、D3和D2、D4在电源电压变化一周内是轮流导通的，所以流过每个二极管的电流等于负载电流的一半，每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为 URM=2 U2二、滤波电路 整流电路输出的直流电压脉动大, 仅适用于对直流电压要求不高的场合, 如电镀、 电解等设备。 而在有些设备中, 如电子仪器、 自动控制装置等, 则要求直流电压非常稳定。 为了获得平滑的直流电压, 可采用滤波电路, 滤除脉动直流电压中的交流成分。 1、电路组成及工作原理 2、负载上电压的计算 U0=11.1U2 (半波) U0=1.2U2（桥式、全波）3、元件选择(1) 电容选择: 滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数, RLC愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的35倍, 即RLC35T/2(桥式、全波) RLC=35T（半波） (2) 整流二极管的选择。正向平均电流为 ID I0 (半波) ID1/2I0（桥式）最大反向工作电压URM URM22 U2(半波) URM URM2 U2 （桥式）4、电容滤波的特点2.2 电感滤波电路电感线圈L和负载的串联电路，同样具有滤波作用。整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路的输出电压为 教学内容七：稳压管稳压电路和串联型晶体管稳压电路教学目标：1、掌握硅稳压电路的组成、工作原理。2、掌握电路参数的选择及其主要技术指标。3、掌握串联型稳压电路的组成、工作原理。教学重点：稳压电路的工作原理教学方法：讲解法课时安排：4课时教学过程：一、硅稳压管稳压电路 直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成，其框图如图1所示。各部分作用介绍如下。 图1 直流稳压电源组成方框图（1） 电源变压器的作用是为用电设备提供所需的交流电压，（2） 整流器和滤波器的作用是把交流电变换成平滑的直流电，（3） 稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化，提高输出电压的稳定性。直流稳压电源的类型可分为并联型、串联型及开关型。1.1 电路组成2 稳压管稳压电路整流、滤波后得到的直流电压往往会随时间而有些变化，其一是当负载改变时，负载电流将随着改变，其二是电网电压常有变化，上下10%是常见的。因此整流后必须加一级稳压电路，来获得稳定的直流电压。稳压管稳压电路如图2所示。稳压管VZ和负载RL并联，故称并联型稳压电路，R为限流电阻，UZ为反向击穿电压，UZ =UO =UiIRR 。1.2 工作原理(1)当稳压电路的输入电压UI保持不变，负载电阻RL减小时，输出电压UO将降低，稳压管两端的电压UZ下降，电流IZ将迅速减小，流过R的电流IR也减小，导致R上的压降UR下降，UO= UIUR从而使输出电压UO增加。上述过程表述如下： RL UO UZ IZ I UR UO.如果负载RL增加，其工作过程与上述相反,输出电压UO仍保持基本不变。(2)当负载电阻RL保持不变，电网电压增加导致UI增加时,输出电压UO也将随之增加，但此时稳压管的电流IZ急剧增加，则在电阻R上的压降增加,以此来补偿UI的增加，使输出电压基本保持不变。上述过程表述如下：UI UO UZ IZ IR UR UO如果输入电压UI降低，R上压降减少，其工作过程与上述相反，输出电压UO仍保持基本不变。电阻R起电压调节作用外，还起限流作用。这是因为如果稳压管没有经电阻R而直接并在输出端，不仅没有稳压作用，还可能使稳压管中流过很大的反向电流IZ而烧坏管子，故R称为限流电阻。稳压二极管稳压电路的主要不足是：稳压值不能随意改变；当电网电压和负载电流变化太大时，它将不能适应。1.3 硅稳压管稳压电路参数的选择(1)稳压二极管的选取可按下式初选管子： （23） (2)输入电压UI的确定UI高，限流电阻R大，稳定性能好，但损耗大。一般（23） (3)限流电阻的确定选择R，主要确定阻值和功率。1）R的阻值当输入电压UI最大，且负载电流为零（即RL开路）时，流过稳压管的电流不超过稳压管的最大允许电流IZmax。二、串联型稳压电路串联型稳压电路有简单串联型稳压形式和带放大环节串联型稳压形式，以下介绍带放大环节的串联型稳压电路。1电路的组成（1）取样电路 由R1、RP、R2组成，它将输出电压Uo分出一部分电压送到比较放大电路VT2的基极。 （2）基准电压由稳压二极管VDZ和电阻R3构成的稳压电路，它为比较电路提供一个稳定的基准电压UZ作为调整、比较的标准。 （3）比较放大电路由三极管VT2和R4构成的直流放大器，其作用是将取样电压UB2与基准电压UZ之差放大后去控制调整管VT1。 （4）调整电路 由工作在线性放大区的功率管VTl组成，VTl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。2稳压原理当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。3电路的输出电压设VT2发射结电压UBE2可忽略,则 故 例题66（课本P129）