电视机视力保护灯的设计-毕业设计.doc

本科毕业设计说明书

电视视力保护灯电路设计

学 院：机电工程学院
专 业：农业电气化与自动化

设计概况

本文主要研究了一个简易的电视机视力保护灯的设计，主要有交流信号拾取电路、信号放大电路、整流倍压电路、光控电路、可控硅开关电路和12v电源等组成。在电视机打开时，背景照明灯自动点亮；关闭电视后，灯又能自动熄灭；而在白天看电视时，灯能自动封锁不会点亮，到了夜晚时又能自动打开。本系统简单实用，成本低廉，具有较高的实用价值。

关键词：信号拾取电路 信号放大电路 可控硅开关 光控电路 电源
Abstract
This paper studies the design of a simple TV eye protection lamp, AC signal pickup circuit ,thesignal amplification circuit , rectifier voltage doubler circuit , light control circuit thyristorswitch circuit and 12v power . The TV is turned on , the background lights turn on automatically ; after the TV is turned off , the lights can automatically extinguished ; watching TV during the day, the lights can automatically block does not light up , while automatically open to the night . The system is simple and practical, low cost, and has a high practical value .

Keywords: Signal pickup circuit Signal amplification circuit Triac Light control circuit Power

目 录

1 引言 1
2 设计构思 1
3 电视机视力保护灯的设计 3
3.1 单元电路的设计 3
3.1.1 电源电路 5
3.1.2 信号拾取电路 5
3.1.3 信号放大电路 6
3.1.4 信号整流电路 7
3.1.5 可控硅开关电路 8
3.1.6 光控电路 9
3.1.7 总的电路图 11
4 电视机视力保护灯的所用元器件简介 11
4.1 光敏电阻 11
4.1.1 原理结构 11
4.2 电容器 12
4.2.1 电容器的作用 12
4.2.2 电容器主要特性参数 13
4.3 二极管 14
4.3.1 二极管的工作原理 14
4.3.3 二极管的主要参数 14
4.3.3 二极管的主要参数 14
4.3.4 发光二极管 15
4.4 三极管 16
4.4.1 三极管的结构 16
4.5晶闸管及其工作原理 18
4.6 电容滤波及滤波电路 19
4.7 桥式整流电路 22
致 谢 24
参考文献 25

内蒙古农业大学本科毕业设计 25
1 引言
随着文化生活水平的提高，近视眼有逐渐增多的趋势。在普通人群中，近视眼已成为第三、四位致盲原因，而在中高级知识分子中，高度近视眼是最常见的眼病，致盲率居第一位。看电视既是一种文娱活动，又可以开发智力，增长知识，为人们的学习和生活带来欢乐和愉快。但是，过于入迷或不注意收看卫生，它也会有损健康，给人们带来一定的危害，其中最直接的影响是视力。
人在较长时间收看电视之后，会产生眼球发酸、胀痛、视力模糊、流泪、结膜轻度出血、眼内发痒等不适症状。有时还会感到全身不适、头痛、倦怠、注意力不集中。但是，这种现象经过适当的休息后，会很快减轻。长期习惯于在昏暗的地方看电视是对视力不好的，但不注意休息，眼球的肌肉和晶体持续处于不断收缩和调节紧张状态，就会难以治愈，造成视力永久性下降。
在看电视时，背景保持一定的亮度，不容易引起人眼睛的疲劳，也感觉比较舒适。为此，我本次做的设计即实现了这一功能。在电视开机时自动点亮，关闭电视机时自动熄灭，而在白天不会点亮，夜晚自动打开。

2 设计构思
收看电视时，要求有一定的亮度，否则长时间看电视易使眼晴疲劳，不利于保护我们的视力。所以可考虑在电视机打开时，背景照明灯自动点亮，关闭电视后，灯又能自动熄灭，而在白天看电视时，灯能自动封锁不会点亮。根据这些要求，先后查阅了相关的资料把电路分成了几个部分来进行分析解决，以下是设计方法。
具体设计思路与方向：
第一部分是总体框图；
第二部分是各部分电路的组成、功能及元器件的选择；
第三部分是及其对主要元件功能以及相关电路的介绍；
第四部分是电路的调试 。
总体框图如下：

12V电源

信号拾取电路

放大电路

倍压整流电路

可控硅开关电路

光控电路

图1 电视机视力保护灯的总框图

2.1 电源电路
系统采用12V直流电供电。220V交流电经变压器降压至15V，再经线性稳压器得到一个12V的直流电压。

2.2 信号拾取电路
由这个电路进行对电视机信号进行拾取，从而产生相应的电信号，才能进行与电视机同步的工作。

2.3 信号放大电路
由于拾取的电视机电信号比较弱，所以想通过放大电路对其进行信号放大。电压并联负反馈电路具有稳定输出电压的作用，适用于信号源内阻较大的场合。三极管最基本的应用就是将微弱信号进行放大。
2.4 倍压整流电路
整流，就是把交流电变为直流电的过程。电力网供给用户的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电变换流为直流电。

2.5 可控硅开关电路
可控硅的导通条件：由阻断到导通必须同时具备两个条件：可控硅的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之间加正向触发电压，而可控硅从截至到导通后，触发电压失去了作用。关断条件，从导通到关断，可减少阳极与阴极之间的阴极电流，使之小于维持电流或使阳极电压反向或断开主电路，控制灯泡的自动关断和开启的电路。

2.6 光控电路
电路主要由光敏电阻等其它组成，光敏电阻是一种半导体光电器件。当光照射到光电导体上时，如果这个光电导体是本征半导体材料，且光照辐射能量足够强，光导材料价带上的电子将被激发到导带上去，使导带的电子和价带的空穴增加，光电导体的导电率变大，即光敏阻电阻的值将减少。白天光敏电阻呈现低电阻，使电压衰减很大，从而使三极管截至，电灯不会亮。晚上光敏电阻呈高电阻，使三极管导通，电路就正常工作，电灯被点亮。

3 电视机视力保护灯的设计
3.1 单元电路的设计
电路主要由电视机通断信号拾取器、信号放大器、信号整流器、可控硅开关、光控
电路与电源电路等几大部分组成。

3.1.1 电源电路
电源电路主要由变压器、整流桥和三端稳压器以及滤波电路组成。

⑴ 变压器
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。本设计中变压器的作用是降压。电源输入为220V交流电，这里采用15V变压器，则输出峰峰值为15V的交流电。见图2：

图2 变压器电路图

⑵ 整流桥
整流桥是四个二极管（1N4007）组成的全桥电路，主要作用就是通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向脉动的直流电。见图3：

图3 整流桥

如图3，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，在负载R上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，VD2、VD4截止，VD1、VD3导通，流过负载R的电流方向与正半周一致。因此，利用变压 器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

⑶ 三端稳压器LM7812
LM7812是一种常见的线性稳压器，具有输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护的特点。最大输出电流500mA，最小输出电压11.5V，最大12.5V。电路图如下：

图4 LM7812电路图

C5、C6、C7和C8为滤波电容，C5和C7滤除高频噪音，C6和C8滤除低频。

3.1.2 信号拾取电路
电视机通断信号拾取电路由电磁线圈L1、电容C1组成。

⑴ 工作原理
当电视机打开时，电视机电源线因通电会在周围产生50Hz的电磁场，电磁线圈L1就拾取这50Hz的交变磁场，从而产生相应的电信号由C1输出。电路图如下图5所示：

图5 通断信号拾取电路

⑵ 元器件的选择
电磁线圈L1需要自制，找一个旧收音机里的输入或输出变压器铁芯，尺寸为37×18。先将铁芯的一边剪去，使铁芯成“U”型，利用线圈原有的骨架，在上面用Φ0.1mm漆包线绕约200匝即可。

3.1.3 信号放大电路
⑴ 信号放大器
信号放大器：由T1、R1、R3、C2、R2、T2、C3、R4等组成。由信号拾取电路拾取的信号，经T1和T2组成的两级三极管放大电路放大后，由C3输出，电路图如下图6所示：

图6 信号放大电路
⑵ 元器件的选择
T1和T2可用9013型等硅NPN三极管，β值宜在100～150间。9013是一种最常用的普通三极管，它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管，其特性如下：
结构：NPN
工作温度：-55℃ ~ +150℃
集电极-发射极电压: 25V
　集电极-基电压: 45V
射极-基极电压: 5V
集电极电流: 0.5A
耗散功率: 0.625W
特怔频率: 最小 150MHz
放大倍数：D64-91 E78-112 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300

3.1.4 信号整流电路
由D1、D2、C3和C4组成信号整流倍压电路。如下图7所示：

图7 信号整流电路

⑴ 元器件的选择
VD5和VD5为1N4148型等硅开关二极管。1N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，100V反向耐压和150mA平均正向电流，非常适合一般场合做普通整流用，4pF的结电容和4nS的反向恢复时间足够满足多数场合使用，非常易于获得，以及价格低廉，通用性极广的一个小信号高频二极管。广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离，通讯电脑板，电视机电路及工业控制电路中常用它。其特性如下：
正常正向电If: 150mA
最大正向电流Imax: 500mA
最大重复峰值电流Ifs: 450mA
最大重复峰值电压Umax: 100V
最大连续反向电压Urrm: 75V
最大正向电压Uf: 1V
工作温度：-65℃ ~ 200℃

⑵ 二倍压整流电路其工作原理
当Ui正半周时节，电压极性如图所示，VD1导通，VD2截止；C1充电，电流方向和C1上电压极性如图所示，C1电压最大值可达Ui。

图8 二倍压整流电路

当Ui负半周时节，电压极性如图所示，VD2导通，VD1截止；C2充电，电流方向和C2上电压极性如图所示，C2电压最大值可达2Ui。
可见，对电荷的存储作用，使输出电压（即C2上的电压）为变压器副边电压的两倍，利用同样原理可以实现所需倍数的输出电压。

3.1.5 可控硅开关电路
可控硅开关电路由C4、R5、R6、T3、R7、R8、VT等组成。C4两端得到的直流电压，经R5与R6分压后，加到T3的基极使T3导通，再经R7与R8分压后，为可控硅提供可靠的触发信号，可控硅TV获得触发电压而开通，电灯VD7被点亮发光。电路图如下图9：

图9 可控硅开关电路

⑴ 元器件的选择
T4可用9013型等硅NPN三极管，β≥200。VT可用BT169D、MCR100-8型等小型塑封单向可控硅。MCR100-8单向可控硅是一种先进的玻璃钝化芯片、具有灵敏的控制极触发电流，通态压降低。 广泛应用于各种万能开关器、小型马达控制器、 彩灯控制器、漏电保护器、灯具继电器激励器、逻辑集成电路驱动、大功率可控硅门极驱动、摩托车点火器等线路功率控制。 其主要参数如下：
电压Vdrm: 600V
额定正向平均电流If: 0.8A
控制触发电流Ig：0.2mA
控制触发电压：0.8V
工作温度范围: -40°C ~ +110°C

3.1.6 光控电路
光控电路主要由R5、R6、T3、R7、R8、VD7、VT、R11、光敏电阻器R10等组成，白天R10呈现低电阻，使C4两端直流电压衰减很大，所以T3将保持截止状态，电灯VD7不会被点亮。只有在晚上R10为高电阻，它的存在对C4无影响，所以电路能正常工作。光控电路如图10：

图10 光控电路

⑴ 元器件选择
R10为MG45型光敏电阻器，其余电阻均用RTX-1/8W型碳膜电阻器。光敏电阻的主要参数如表1：

表1 光敏电阻主要参数
型号
功率
亮阻
暗阻
环境温度
时间常数
工作电压

(mW)
(KΩ)
(MΩ)
(℃)
(ms)
(V)
MG45-1
10
≤2～10
1～10
- 40～+70
≤20
50
MG45-2
20
≤2～10
1～10
- 40～+70
≤20
85
MG45-3
50
≤2～10
1～10
- 40～+70
≤20
150
MG45-5
200
≤2～10
1～10
- 40～+70
≤20
250
3.1.7 总的电路图
通过以上对各部分电路的分析，可以设计出总的电路。电路图11如下：

图11 电视机保护灯的电路图

⑴ 工作原理
电视机通断信号拾取器和信号放大器分别由电磁线圈L1、三极管T1、T1组成。当电视机在夜晚工作时，光敏电阻的阻值非常大，电视机电源线因通电会在周围产生50Hz的电磁场，线圈L1就拾取这50Hz的交变磁场，从而产生相应的电信号（交流信号）由C1输出，经T1、T2两极放大后，由C3送至由VD5、VD6和C4组成的整流器进行倍压整流,即将交流电压整成一个较高的直流电压(C4两端)，此电压经R5与R6分压加到T3的基极使T3导通，再经R7与R8分压后，晶闸管VT获得触发电流而开通，电灯VD7点亮。在白天工作时，光敏电阻的阻值会变小，导致T3的左端电压减小，不足以使三极管T3导通。而当电视机关闭时，因电视机的220V电源和灯的电源一致，所以在电视机关闭的时候，灯VD7就关闭了。达到了设计的目的。

4 电视机视力保护灯的所用元器件简介
4.1 光敏电阻
4.1.1 原理结构
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

4.1.2 主要参数
①暗电阻和暗电流：暗电阻是指在不受光照时所测得的电阻值，暗电阻在1至100MΩ之间。这时在光敏电阻两端加一定的工作电压，流过光敏电阻的电流就称为暗电流。
②亮电阻和亮电流：亮电阻是指在有光照时所测得的电阻值，实际光敏电阻的亮电阻在几KΩ以下，此时流过光敏电阻的电流就称为亮电流。
③光电流：亮电流与暗电流的差值称为光电流。亮电阻与暗电阻之差越大，光敏电阻的灵敏度就越高，其性能越好。

4.2 电容器
4.2.1 电容器的作用
①旁路
旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。
②去耦
去耦，又称解耦。从电路来说， 总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电， 才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候， 电流比较大， 这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是所谓的“耦合”。去耦电容就是起到一个“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰，在电路中进一步减小电源与参考地之间的高频干扰阻抗。
将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般取0.1μF、0.01μF 等；而去耦合电容的容量一般较大，可能是10μF 或者更大，依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。
③滤波
从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1μF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越不容易通过。具体用在滤波中，大电容（1000μF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。滤波就是充电，放电的过程。
④储能
储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000μF 之间的铝电解电容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

4.2.2 电容器主要特性参数
①电容量和允许偏差
标称电容量是标志在电容器上的电容量。电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。
②额定电压
在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。
③绝缘电阻
直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量大于0.1uf时，主要取决于介质性能，绝缘电阻越小越好。电容的时间常数为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，它等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。
④损耗
电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。
⑤频率特性
随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。

4.3 二极管
4.3.1 二极管的工作原理
晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向电流，称为二极管的击穿现象。

4.3.2 二极管的伏安特性

图12 二极管的伏安特性

4.3.3 二极管的主要参数
①最大整流电流IOM：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
②反向工作峰值电压URWM：是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
③反向峰值电流IRM：指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。

4.3.4 发光二极管
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

⑴ 发光原理
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

⑵ 发光二极管的特性
①高效节能　
一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电)。
②超长寿命　
半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）。
③光线健康
光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线），LED辐照器（365） LED辐照器（365）。
④绿色环保　
不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）。
⑤保护视力　
直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）。
⑥光效率高　
发热小，90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）。
⑦安全系数高　
所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场。
⑧市场潜力大　
低压、交流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

4.4 三极管
4.4.1 三极管的结构
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。其结构特点的是发射区的掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大，基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流 倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

4.4.2 三极管工作原理
我们知道，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：
①内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。
②外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。放大状态下BJT中载流子的传输过程如图14：

图13 放大状态下BJT中载流子的传输过程

如图13，以NPN为例，其中：发射结外加正向电压（PN结正向偏置），其内电场被大大削弱，有利于多数载流子的扩散运动：发射区的多数载流子自由电子源源不断地越过发射结注入基区（发射区发射电子），形成电子注入电流IEN。与此同时，基区多子空穴也向发射区扩散，形成空穴注入电流IEP 。发射区杂质浓度远远大于基区杂质浓度，
IEP<IEN，因而发射结的电流IE主要取决于从发射区注入到基区的电子电流IEN，而从基区注入到发射区的空穴电流IEP，因为数值很小面将其忽略，即IE＝IEN+IEP≈IEN。因为电子带负电，而电流方向规定为正电荷移动的方向，所以发射电流方向与电子运动的方向相反，IE流出发射极。
发射区的多数载流子自由电子注入基区后，称为基区的非平衡少子。它在发射结处浓度最大，而在集电结处浓度最小，在基区中形成非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向集电结方向扩散。由于基区的多子空穴浓度较低，基区本身又非常溥，因而基区的非平衡少子电子在扩散过程中，绝大多数都能到达集电结边缘，只有极少量的电子与基区中的空穴复合。复合后基区带负电，电源VEE的正极将从基区拉走电子（或者说补充空穴）。这样就形成了基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。
由于集电结外加反向电压（PN结反向偏置），有利于少数载流子的漂移运动，使发射区发射到基区聚集在集电结边缘的非平衡少子电子很快漂移到集电区。到达集电区的电子被电源的正极拉走，形成集电区的收集电流ICN，该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另一方面，集电区的少数载流子空穴向基区漂移，基区的少数载流子自由电子向集电区漂移，形成集电结反向饱和电流ICBO，并流过极电极和基极支路，构成IC和IB的另一部分电流。ICBO的数值很小，硅管的ICBO比锗管的更小，在计算是常可以忽略。ICBO的大小取决于少数载流子的浓度，而少子浓度受温度的影响比较大，故ICBO随温度的升高而增大。
总之，由发射区发射的总电子数（对应于IEN≈IE）中，绝大部分电子被集电区收集（对应于ICN），只有极小的一部分电子在基区中与空穴复合（对应于IBN）。

4.5 晶闸管及其工作原理
晶闸管（又称可控硅）是由3个PN结四层结构硅芯片和3个电极组成半导体器件。
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流流过，经BG2放大，其集电极电流IC1=β2Ig。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ig=IC2。此时，电流IC2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流IC2=β1Ig。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使Ig不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。如图14：

图14 晶闸管工作原理

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表2：

表2 可控硅导通和关断的条件
状 态
条 件
说 明
从关断到导通
1、阳极电位高于是阴极电位
2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
1、阳极电位高于阴极电位
2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断
1、阳极电位低于阴极电位
2、阳极电流小于维持电流
任一条件即可

4.5.1 晶闸管基本特性
⑴ 反向特性
当控制极开路，阳极加上反向电压时，J2结正偏，但J1、J2结反偏此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，此时，可控硅会发生永久性反向击穿。

⑵ 正向特性
当控制极开路，阳极上加上正向电压时，J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态。由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态－通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似。
⑵ 触发导通
在控制极G上加入正向电压时因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通。

4.6 电容滤波及滤波电路
电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中，当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。
交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流后，通常要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面又要尽量保留其中直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压，这便是滤波。

图15 具有电容滤波器的整流电路

图15是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面。在二极管导通期间，当电压E2处于正半周并且数值大于电容两端电压UC时，二极管D2、D4导通，电流一路流经负载电阻R，另一路对电容C充电。当E2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻R放电，其电压UC也开始下降，趋势与E2基本相同。但是由于电容按规律放电，所以当E2下降到一定数值后，UC的下降速度小于E2的下降速度，使UC大于U2，从而导致D2、D4反向偏置而变为载止。此后，电容C继续通过R放电，UC按指数规律缓慢下降。当电压E2处于负半周时同理。图16中示出全波整流时电容滤波前后的输出波形。

图16 滤波前后波形

显然，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电用和输出电用的大小选择最佳电容量。表3中所列滤波电容器容量和输出电流的关系，表4中带有滤波器的整流电路中各电压的关系，可供参考。电容器的耐压值一般取E2的1.5倍。

表3 滤波电容器容量和输出电流的关系
2A左右
1A左右
0.5-1A左右
0.1-0.5A
100-50mA
50mA以下
4000μ
2000μ
1000μ
500μ
200μ-500μ
200μ

表4 带有滤波器的整流电路中各电压的关系

输入交流电压（有效值）
负载开路时的输出电压
带负载的输出电压
每管承受的最大反向电压
半波整流
E2
E2
约0.6E2
2E2
全波整流
E2+E2
E2
约0.6E2
2E2
桥式整流
E2
E2
约0.6E2
2E2

采用电容滤波的整流电路，输出电压随时输出电流变化较大，这对于变化负载（如乙类推挽电路）来说是很不利的。

4.7 桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

4.7.1 工作原理
桥式整流电路的工作原理如下：U2对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成U2、D1、RL、D3通电回路，在RL，上形成上正下负的半波整流电压。U2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成E2、D2、RL、D4通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。上述工作状态分别如图17（a）（b）所示：

（a）

（b）
图17 桥式整流电路工作原理

如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。
需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子，或者大材小用，造成浪费。表5参数可供选择二极管时参考。

表5 二极管参数
型号
反向工作峰值电压
额定正向整流电流
正向不重复浪涌峰值电流
正向压降
反向电流
工作频率
外形封装
URM/V
IF/A
IFSM/A
UF/V
IR/Ua
f/KHZ
1N4000
25
1
30
≤1
＜5
3
DO-41
1N4001
50
1N4002
100
1N4003
200
1N4004
400
1N4005
600
1N4006
800
1N4007
1000

致 谢

本设计的完成是在我们的导师的细心指导下进