《汽车电子电工基础》教案详解.docx

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《汽车电子电工基础》教案详解

第三节交流电动机

一、教学目的与要求

1．熟悉单相异步电动机的工作原理与特性。

2．理解单相异步电动机的起动。

3.了解分相式电动机的种类及特性

二、教学过程

1.单相异步电动机

（1）单相异步电动机的工作原理与特性

在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。

脉动磁场可以分解为两个大小一样、转速相等、方向相反的旋转磁场B1、B2。

顺时针方向转动的旋转磁场B1对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。

由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是不会转动的，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。

但一旦让单相异步电动机转动起来，由于顺时针旋转磁场B1和逆时针旋转磁场B2产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成转矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。

由于单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以其效率和负载能力都不及三相异步电动机。

（2）单相异步电动机的起动

1）分相法

电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：

一个是工作绕组（主绕组）；另一个是起动绕组（副绕组），两个绕组在空间互成90°。

起动绕阻与电容C串联，使起动绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90°相位差，即：

下图所示分别为ωt=0°、45°、90°时合成磁场的方向，由图可见该磁场随着时间的增长顺时针方向旋转。

这样一来，单相异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下起动了。

2）罩极法

罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约1/3处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部分叫做罩极。

当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和感应电流。

根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通一个相位角。

随着定子绕组中电流变化率的改变，单相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在电动机内形成了一个旋转磁场。

在这个旋转磁场的作用下，电动机的转子就能够起动起来了。

2．分相式电动机的种类及特性

（1）种类：

①电压型启动继电器

②电流型启动继电器

③差动型启动继电器

（2）特性：

1）效率

2）启动转矩

3）启动电流

4）转速

5）功率因数

6）过载能力

7）噪声

三、作业

1.以课本P66页前面一段话为例，分析直流永磁电动机的转子在转过90度以后与转子转过150度以后的磁极情况。

（参考课本P66页第二段话）

2.写出单相异步电动机的工作原理。

四、小结

第三节特殊二极管

一、教学目的与要求

1．熟悉稳压二极管的工作原理及主要应用。

2．熟悉光电二极管的结构特点及原理。

3.熟悉发光二极管的原理及应用。

二、教学过程

1.稳压二极管

1）稳压管的符号和伏安特性

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。

由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管，其表示符号如图3.1所示。

2）稳压管的特性

稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，如右图所示，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。

稳压管工作于反向击穿区，从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。

此后，电流虽在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。

稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。

当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常，但，如果反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。

3）硅稳压管的主要参数

（1）稳定电压Vz

稳定电压Uz是指稳压管在正常工作（即产生了反向击穿）时管子两端的电压。

（2）稳定电压Iz

稳定电压Iz是稳压管正常工作时的电流，它允许在一定的范围内变化。

当流过稳压管的电流小于下限值IZMM时，管子不能稳压。

（3）最大稳定电流IZM

最大稳定电流IZM是稳压管允许长期通过的最大电流值，当流过的电流超过此值时，稳压管可能会因过热而损坏，可见，稳压管的正常工作电流范围为IZMMIIZM。

（4）动态电阻rz

动态电阻rz是反映稳压管性能的一个参数，动态电阻rz越小，稳压效果越好。

（5）电压温度系数αr

电压温度系数αr是表示稳压管温度稳定性的参数，稳定电压在6V左右的管子；稳压值受温度的影响最小。

2.光电二极管

1）概述：

光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。

但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。

那么，它是怎样把光信号转换成电信号的呢？

大家知道，普通二极管在反向电压作用在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。

光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。

光的强度越大，反向电流也越大。

光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

2）光电二极管工作原理

光电二极管工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。

它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。

这种特性称为“光电导”。

光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。

如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。

光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。

光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。

光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。

同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。

3.发光二极管

发光二极管LED的符号如图所示,它是通过电场或电流激发固体发光材料并使之辐射发光的,是一种将光能转换为电能的器件。

1）发光二极管的符号和特性

发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管基本相似，当其两端的正向电压UF较小时，几乎没有电流IF流过；但当UF加大到超过发光二极管的开启电压时，IF会快速上升，并且IF与UF的关系有较宽一段线性区，此时发光二极管呈现欧姆导通特性。

而这个导通电流IF就激发发光二极管发光。

2）发光二极管的驱动电路及简单应用

发光二极管的发光是靠驱动电源的作用，将电能转化为光能，这种驱动电源可以是直流的也可以是交流的。

但应注意，由于LED是电流控制器件，因此驱动电源必须能提供足够而且安全的驱动电流，才能使LED安全可靠工作、正常发光。

图3.3（a）、（b）分别给出了基本的直流驱动电路和交流驱动电路。

两图中LED的工作电流由外部电源Us经限流电阻R供给。

为了使LED工作在额定状态，必须合理选择Us和R。

如果Us一定，若R太大，会使驱动电流不足而使LED发光微弱，甚至不发光；而R太小，又可能使驱动电流过大，造成LED损坏。

对于图3.3（a）所示的直流驱动电路，限流电阻R值为

对于图3.3（b）所示的交流驱动电路，限流电阻R值为

三、作业

1.课本P110页5-4题。

2.课本P110页5-5题。

四、小结

纯净的半导体单晶叫本征半导体。

物质内部运载电荷的粒子叫载流子。

本征半导体中存在着两种数量相等、电性相反的载流子——电子载流子和空穴载流子。

载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动。

杂质半导体分为N型半导体和P型半导体。

在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子；而在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

无论是P型半导体还是N型半导体，整个晶体呈电中性。

PN结具有单向导电性：

正向导通，反向截止。

半导体二极管实质上是一个PN结，它也具有单向导电性。

半导体二极管的主要参数有二：

最大整流电流和最高反向工作电压，这两个参数均为管子的极限参数。

第四节晶体三极管

一、教学目的与要求

1．熟悉晶体三极管的基本结构。

2．掌握晶体管的电流放大特性。

3.理解晶体管的特性曲线。

4.熟悉三极管的三种工作状态。

5.掌握半导体三极管的主要参数。

6.了解三极管在汽车电子电路中的应用。

二、新课引入

半导体晶体管（简称为晶体管）是最重要的一种半导体器件。

它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。

晶体管的电流放大特性:

半导体晶体管由两个靠得很近的PN结构成,由于两个PN结的互相影响,使半导体晶体管具有放大功能。

以下我们将在介绍半导体晶体管工作原理的基础上进一步讨论晶体管的特性曲线和参数。

三、教学过程

1.晶体管的基本结构

晶体管由三个半导体导电区组成。

因此晶体管有：

三区（三个半导体电区）——发射区、基区和集电区；

三极（三个电极）——发射极（E）、基极（B）和集电极（C），这三个电极是分别从三个导电区引出来的；

两结（两个结）——发射结和集电结。

晶体管有两个基本类型即NPN型和PNP型。

其结构示意图和图形符号如图4.1所示。

图形中发射极的箭头方向表示发射结处于正向偏置时电流的实际方向。

不论是NPN管还是PNP管，它们在结构上有一个共同的特点：

发射区的杂质浓度高，基区很薄且杂质浓度很低，集电区面积较大，且集电结的面积比发射结的面积大，这个特点是晶体管具有放大作用的内部条件。

2.晶体管的电流放大特性

1）晶体管具有电流放大作用的条件

如图4.2所示，要使晶体管正常工作，必须外加大小和极性适当的电压。

给发射结外加正向电压EE，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；给集电结加上较大的反向偏压EC，在集电结造成较强的电场，才能把注入基区扩散到集电结边缘的非平衡载流子拉入集电区，形成集电极电流，使集电区起到收集载流子的作用。

总之，要使晶体管作放大工作，发射结应加正向偏压，集电结应加反向偏压。

小结：

共发射极接法的晶体管要具有放大作用，需满足两个条件：

（1）内部条件：

发射区的载流子浓度远大于基区的载流子浓度，此条件在作晶体管时已实现。

（2）外部条件：

发射结正向偏置，集电结反向偏置。

2）晶体管内部载流子运动与电流形成过程：

发射区向基区注入电子；

电子在基区扩散与复合；

集电区收集从发射区扩散过来的电子。

3）晶体管电流放大作用的几点结论

调节RB，使基极电流IB为不同的数值，测出相应的集电极电流IC和发射极电流IE，如下表，可得：

表1

晶体管电流测量数据表

IB（mA）

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

IC（mA）

0.001

0.70

1.50

2.30

3.10

3.95

IE（mA）

0.001

0.72

1.54

2.36

3.18

4.05

（1）IB=0时，IC=IE=ICEO，ICEO称为穿透电流，它很小，可忽略不计，即IB=0时，IC=IE=0。

（2）IB《ICIB+IC=IE（6.10）

（3）

IC/IB（6.11）

（称为晶体管的直流电流放大系数）

由（6.10）与（6.11）可得：

IE=IC+IB=（1+）IB（6.12）

（4）当IB有一小的变化时，IC有一个很大的变化，IC与IB的比值称为晶体管的交流电流放大系数，用表示。

=IC/IB（6.13）

注意：

与不是一回事。

若是PNP管，为使发射结正向偏置，集电结反向偏置，应满足UEUBUC，因此须将图4.2中电源UCC与UBB的极性反过来。

综上所述，当晶体管满足内、外部条件时，就具有电流放大作用，即基极电流IB对集电极电流IC的控制作用，较小的IB变化能引起较大的IC变化。

例1试求表1所示晶体管的和之值。

3.晶体管的特性曲线

晶体管各极电流和电压的关系曲线称为晶体管的特性曲线，特性曲线全面地反映了各极电流与电压之间的关系，它反映出晶体管的性能，是分析和计算晶体管电路的依据之一。

对于晶体管不同的连接方式，有不同的特性曲线。

下面介绍最常用的共射极接法的输入特性和输出特性。

1）输入特性曲线

当集电极与发射极之间的电压UCE为某一恒定值时，输入回路中基极与发极间的电压UBE与其产生的基极电流IB的关系曲线，称为输入特性曲线。

即

IB=f（UBE）|UCE=C

3DG4型晶体管的输入特性曲线见图4.3所示，对硅管而言，当UCE1V时，集电结已反向偏置，并且内电场已足够大，而基区又很薄，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。

如果此时再增大UCE，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定），IB也就不再明显地减小。

就是说，UCE1V后的输入特性曲线基本上是重合的。

所以通常只画出UCE1V的一条输入特性曲线。

从图中可知，晶体管的输入特性具有如下特点：

当UBE较小时，IB=0，只有当UBE大于某一数值后，才出现IB，即晶体管才开始导通，我们称晶体管开始导通时对应的UBE为死区电压。

硅管的死区电压为0.5伏左右；锗管的死区电压为0.2伏左右。

当UBE大于死区电压后，IB随UBE的上升而迅速上升。

最后曲线近似于直线。

在放大电路中，晶体管应工作在近似直线区。

随UCE的增大，曲线向右移。

另外实验表明：

当UCE1时，不同UCE对应的输入特性曲线基本重合；而当UCE1时，移动十分明显。

以上可知，晶体管的输入特性与二极管的正向特性具有相似的特点，为什么呢？

因为晶体管的输入回路也是一个PN结。

2）输出特性曲线

输出特性曲线是指当基极电流IB固定为某一常数时，输出回路中集..射间电压UCE与集电极电流ICE之间的关系曲线。

即

IC=f（UCE）|IB=C

图4.4即为晶体管的输出特性曲线。

在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出曲线是一组曲线。

由图可知：

当IB一定时，在曲线的起始部分，UCE略有上升，IC便有较大的上升，IC与UCE近似为线性关系，即IC主要受UCE的控制。

UCE约大于1伏时，曲线渐趋平坦，当UCE继续增大时，IC也不再有明显的增加，曲线近于水平，具有恒流特性。

当IB增大时，相应的IC也增大，曲线上移，而且IC比IB增加得多得多，这就是晶体管的电流放大作用。

4.三极管的三种工作状态

通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：

（1）放大区

输出特性曲线的近于水平部分是放大区。

在放大区，IC=IB。

放大区也称为线性区，因为IC和IB成正比的关系。

如前所述，晶体管工作于放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管而言，应使UBE0，UBC0。

（2）截止区

IB=0的曲线以下的区域称为截止区。

IB=0时，IC=IE=ICEO=0。

由于IC、IE均近似为0，因此集电极C与发射极E之间如同开路，即相当于开关的断开。

（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态，集电结和发射结均处于正向偏置。

此时集.射间的电压降称为饱和压降，饱和压降很小，因此可把集电极C与发射极E之间看作开关的闭合。

在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成正比，放大区的

不能适用于饱和区。

小结：

放大区、饱和区和截止区都是晶体管的正常工作区，晶体管作放大器使用时工作在放大区；作开关使用时，则工作在饱和区和截止区。

5.半导体三极管的主要参数

晶体管的特性除用特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是晶体管的参数。

他们是设计电路、选用晶体管的依据。

主要参数有下面几个：

（1）电流放大系数β（β）

晶体管的电流放大系数分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。

共发射极接法进的直流电流放大系数为

共发射极接法时的交流电流放大系数为

从图4.4所给出的3DG6晶体管的输出特性曲线上，

例2计算Q1点处的

由Q1和Q2两点计算。

解：

（1）在Q1点，UCE=6V，IB=0.04mA，IC=1.5mA，故

由Q1和Q2两点（UCE=6V）得：

由上述可见，和的含义是不同，但在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小时，两者数值较为接近，今后在估算时，常用=这个近似关系。

由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比地变化，值才可认为是基本恒定的。

（2）集-基极反向漏电流ICBO和集-射穿透电流ICEO

ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成的电流。

它受温度的影响大。

在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在1A以下。

ICBO越小越好。

硅管在温度稳定性方面胜于锗管。

它受温度影响较大。

ICEO是当IB=0（将基极开路）、集电结处于反向篇置和发射结处于正向偏置时的集电极电流。

又因为它好像是从集电极直接穿透晶体管而到达发射极的，所以称为穿透电流。

受温度影响更大。

（3）极限参数

晶体管的极限参数是晶体管正常工作时，电流、电压、功率等的极限值，是管子安全工作的主要依据。

集电极最大允许电流ICM

集电极电流IC超过一定值时，晶体管的值要下降，当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。

因此，在使用晶体管时，IC并不一定会使晶体管损坏，但以降低值为代价。

集-射极反向击穿电压U（BR）CEO

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集.射极反向击穿电压U（BR）CEO。

当晶体管的集.射极电压UCE大于U（BR）CEO时，ICEO突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。

集电极最大允许耗散功率PCM

由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。

当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电结反消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。

PCM主要受结温TJ的限制，一般来说，锗管允许结温约为70-900C，硅管约为600C。

例3若把一个NPN型晶体管集电极电源反接，使集电结也正向偏置，则IC更大，试问对放大是否有利？

答：

如果集电极电源也反接，使集电结也处于正向偏置，IC虽然很大，集电结也成了一个正向导通的二极管，IB对IC失去了放大能力。

可见，放大作用在于IB对IC的控制，而不在于两者绝对值的大小。

放大的条件是发射结正偏，集电结反偏。

附：

晶体管的命名方法

例：

3DG6

3

D

G

6

晶体管

NPN型，硅材料

高频小功率管

序号

6.三极管在汽车电子电路中的应用

（1）多谐振荡器

（2）多谐振荡器在汽车中的应用

1）晶体管闪光器

2）无触点晶体管电喇叭

3）刮水器间歇控制

四、小结

第五节场效应晶体管

一、教学目的与要求

1．熟悉MOS场效应管的基本结构。

2．理解MOS场效应管的工作原理。

二、新课引入

场效应管的知识：

*场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型：

第一类：

结型场效应管（JFET）

第二类：

绝缘栅型场效应管（IGFET）

又称：

金属一氧化物一半导体型（MOSFET）;简称MOS型场效应管。

*其中MOS场效管具有制造工艺简单，占用芯片面积小，器件的特性便于控制等特点。

因此MOS管是当前制造超大规模集成电路的主要有源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电路技术。

三、教学过程

（一）、MOS场效应管的基本结构和工作原理

MOS管又分为增强型（EMOS）两种

耗尽型（DMOS）

每一种又有N沟道型

P沟道型

所以一共有四种：

N沟道增强型（NEMOS）P沟道增强型（PEMOS）

N沟道耗尽型（NDMOS）P沟道耗尽型（PDMOS）

现在以N沟道增强型为例讨论MOS管的工作原理：

1、结构：

NEMOS管以P型硅片为衬底。

再在衬底上扩散两个N+区（高掺杂），分别为源区和漏区。

则源区和漏区分别与P型衬底形成两个PN+结。

在P型衬底表面生长着一薄层的二氧化硅（SiO2）的绝缘层，并在两个N+区之间的绝缘层上覆盖一层金属，然后在上面引出电极为栅极（G）；

源区和漏区引出的电极分别为源极（S）和漏极（D）

而从衬底通过P+引线引出的电极称为衬底极（U）。

如下图所示：

2、电路符号：

如各图片所示

3、工作原理：

在栅极电压VGS作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。

然后在漏极电压VDS作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。

因此，改变栅极电压VGS即可控制导电沟道的导电能力，使漏极电流ID发生变化，从而起到正向控制作用。

（1）导电沟道形成原理：

在通常情况下，源极（S）一般都与衬底极（U）相连，即VUS=0；而正常工作时，源区和漏区的两个N+区与衬底之间的PN结必须加反偏电压，因此，漏极对源极的电压VDS必须为正值。

即正常工作时：

VGS>0,VDS>0，且VDS>VGS

①先设VDS=VGS=0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。

②加上VGS>0，产生自SiO2→P型衬底的电场E，电场E将两个N+区的多子电子和P型衬底中的少子电子吸向衬底的表面与多子空穴复合而消失，同时又排斥衬底中的空穴向P的底层。

这样在衬底表面的薄层中形成以负离子为主的空间电荷区，并与两个PN结的空间电荷区相通。

此时，由于电荷平衡原理，空间电荷区的纯负电荷量等于金属栅上的正电荷量。

可见，当VGS=0或较小的正值时，源区和漏区之间均被空间电荷区隔断。

VDS=VGS=0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。

UDS=0，0＜UGS＜UGS（TH）时，形成空间电荷区

③增大VGS，使两个N+区和衬底中的电子进一步被吸引到衬底表面的薄层中，并进一步排斥该薄层中的空穴，直到其间自由电子浓度大于空穴浓度，则薄层的导电类型就由原来的P型转变为N型，且与两个N+区相通，因此我们称这时的薄层为反型层。

而由P型转变而来的。

④当外加VDS>0时，源区中多子电子将沿这个反型层漂移到漏区D，形成自漏极D流向源极S的漏极电流ID。

因此，通常将反型层称为源区和漏区之间的导电沟道。

这个沟道由电子形成，故称为N沟道。

可以看出，VGS↑反型层中的自由电子浓度↑，沟道导电能力↑，则在VDS作用下的ID↑。

形成反型层后，根据电荷平衡原理，反型层中的电子电荷量和空间电荷区中的负离子电荷量之和等于金属栅上的正电荷量。

⑤现将刚开始形成反型层所需的VGS值称为开启电压，