第四章生活中的电子-取暖器

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篡池
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1 第四章生活中的电子电热毯教学目的 : 通过生活中常见的取暖设备了解电路取暖原理, 并掌握半导体二极管的原理和应用

2 目录 4.1 概述 4.2 器件原理半导体二极管 PN 结半导体二极管二极管应用特殊二极管 4.3 电热毯电路分析及测量

3 电热取暖器概述 : 4.1 概述即把电能转换为热能供暖的家用电器特点表现为 : 使用方便, 安全卫生, 无污染, 热效率高, 易于控制等按传递热量方式不同, 分为 : 直接取暖器间接取暖器如 : 电热褥电暖器等如 : 电热油汀暖风机等

4 电热褥又称电热毯, 属于直接取暖器具是在上下两层纤维织物间夹一层电热丝功率一般在 40~150W 之间一类型和规格按功能和控制方式不同, 分为 : 普通型调温型理疗型只有一个开关, 无法控温通过调压调节功率, 可以调温可以辅助治疗

5 电热褥一般按发热功率划分, 有 30W 40W 60W 80W 120W 等二电热褥的基本结构一般由电热线褥体和控制电路 ( 调节器 ) 组成, 图 41 为电热毯结构图图 41 为电热褥结构图

6 电热线是电热褥的发热体, 是电热褥的关键元件一般采用绳状电热元件通常用高强度聚脂漆包镍铬丝为电热线, 采用螺旋缠绕工艺均匀地绕在玻璃纤维芯上或石棉线芯上, 然后在外部包敷耐热尼龙编织层与树脂涂层 ; 具有较高的抗拉强度和抗曲折性能, 抗老化性能更安全的双层螺旋感温发热毯, 如图 36 自动控温型电热褥, 包括发热层和检测层内层发热, 外层为安全检测和保护丝, 并且外层金属线可以与控制器组合成超温断电保护装置 ; 即当出现局部高温时, 控制器即刻断电电热线的布线方式一般采用波纹迂回方式, 可以避免因底料松弛而导致将电热线拉断

7 4.2 器件原理半导体二极管 PN 结 V V 2CZ54C H 2CZ54C H 3 V U 3 V S R S R (a) (b) 图 4.21 半导体二极管导电性能的实验

8 图 4.21 表示的是由二极管灯泡限流电阻开关及电源等组成的简单电路电路演示如下 : 按图 (a) 所示, 闭合开关 S, 灯泡发光, 说明电路导通若二极管管脚调换位置, 如图 (b) 所示, 闭合开关 S, 灯泡不发光由以上演示结果可知 : 二极管具有单向导电性 1. 自然界中的各种物质, 按导电能力划分为 : 导体绝缘体半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间它具有热敏性光敏性和掺杂性利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻 ; 利用热敏性可制成各种热敏电阻 ; 利用掺杂性可制成各种不同性能不同用途的半导体器件, 例如二极管三极管场效应管等

9 2. 半导体的共价键结构在电子器件中, 用得最多的材料是硅和锗, 硅和锗都是四价元素, 最外层原子轨道上具有 4 个电子, 称为价电子每个原子的 4 个价电子不仅受自身原子核的束缚, 而且还与周围相邻的 4 个原子发生联系, 这些价电子一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上这样, 相邻的原子就被共有的价电子联系在一起, 称为共价键结构如图 4.22 所示大块晶体中的局部结构两个电子的共价键正离子核图 4.22 硅和锗的共价键结构

10 当温度升高或受光照时, 由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧, 价电子从外界获得一定的能量, 少数价电子会挣脱共价键的束缚, 成为自由电子, 同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位, 这个空位称为空穴, 如图 4.23 所示由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后留下的空穴图 4.23 本征激发产生电子空穴对示意图

11 自由电子和空穴是成对出现的, 所以称它们为电子空穴对在本征半导体中, 电子与空穴的数量总是相等的我们把在热或光的作用下, 本征半导体中产生电子空穴对的现象, 称为本征激发, 又称为热激由于共价键中出现了空位, 在外电场或其他能源的作用下, 邻近的价电子就可填补到这个空穴上, 而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位, 以后其他价电子又可转移到这个新的空位上, 如图 4.24 所示原空穴处价电子填补轨迹现空穴处图 4.24 电子与空穴的移动

12 为了区别于自由电子的运动, 我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动, 认为空穴是一种带正电荷的载流子, 它所带电荷和电子相等, 符号相反由此可见, 本征半导体中存在两种载流子 : 电子和空穴而金属导体中只有一种载流子电子本征半导体在外电场作用下, 两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同, 如图 4.25 所示 I 自由电子空穴 U A 图 4.25 两种载流子在电场中的运动

13 3. 杂质半导体 1) N 在纯净的半导体硅 ( 或锗 ) 中掺入微量五价元素 ( 如磷 ) 后, 就可成为 N 型半导体, 如图 4.26(a) 所示在这种半导体中, 自由电子数远大于空穴数, 导电以电子为主, 故此类半导体亦称电子型半导体 2) P 在硅 ( 或锗 ) 的晶体内掺入少量三价元素杂质, 如硼 ( 或铟 ) 等硼原子只有 3 个价电子, 它与周围硅原子组成共价键时, 因缺少一个电子, 在晶体中便产生一个空穴这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子, 具有导电性能 P 型半导体共价键结构如图 4.26(b) 所示在 P 型半导体中, 空穴数远远大于自由电子数, 空穴为多数载流子 ( 简称多子 ), 自由电子为少数载流子 ( 简称少子 ) 导电以空穴为主, 故此类半导体又称为空穴型半导体

14 杂质原子提供的多余的电子杂质正离子受主原子邻近的电子落入受主的空位留下可移动的空穴可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子 (a) (b) 图 4.26 (a)n 型半导体 ; (b)p 型半导体

15 4 PN 结及其单向导电特性在一块完整的晶片上, 通过一定的掺杂工艺, 一边形成 P 型半导体, 另一边形成 N 型半导体在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层, 称为空间电荷区, 并产生内电场, 其方向是从 N 区指向 P 区, 内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动, 随着内电场的加强, 多子的扩散运动逐步减弱, 直至停止, 使交界面形成一个稳定的特殊的薄层, 即 PN 结因为在空间电荷区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了, 或者说消耗尽了, 因此空间电荷区又称为耗尽层

16 在 PN 结两端外加电压, 称为给 PN P 变薄 N 1) PN 给 PN 结加正向偏置电压, 即 P 区接电源正极,N 区接电源负极, 此时称 PN 结为正向偏置 ( 简称正偏 ), 如图 4.27 所示由于外加电源产生的外电场的方向与 PN 结产生的内电场方向相反, 削弱了内电场, 使 PN 结变薄, 有利于两区多数载流子向对方扩散, 形成正向电流, 此时 PN 结处于正向导通状态 I 空穴 ( 多数 ) U 内电场外电场 ma 电子 ( 多数 ) 图 4.27 PN 结加正向电压 R

17 2) PN P 变厚 N 给 PN 结加反向偏置电压, 即 N 区接电源正极,P 区接电子 ( 少数 ) 空穴 ( 少数 ) 电源负极, 称 PN 结反向偏置 ( 简称反偏 ), 如图 4.28 所示 I R 内电场外电场 A R U 图 4.28 PN 结加反向电压

18 由于外加电场与内电场的方向一致, 因而加强了内电场, 使 PN 结加宽, 阻碍了多子的扩散运动在外电场的作用下, 只有少数载流子形成的很微弱的电流, 称为反向电流应当指出, 少数载流子是由于热激发产生的, 因而 PN 结的反向电流受温度影响很大综上所述,PN 结具有单向导电性, 即加正向电压时导通, 加反向电压时截止

19 4.2.2 半导体二极管 1. 半导体二极管的结构符号 ( 阳极 ) 外壳 ( 阴极 ) P N V ( 阳极 ) ( 阴极 ) 阳极引线 (a) 阴极引线 (b) 2AP 2CP 2CZ54 2CZ13 2CZ30 (c) 图 4.29 二极管结构 (a) 结构 ;(b) 符号 ;(c) 外形

20 2. 类型 (1) 按材料分 : 有硅二极管, 锗二极管和砷化镓二极管等 (2) 按结构分 : 根据 PN 结面积大小, 有点接触型面接触型二极管 (3) 按用途分 : 有整流稳压开关发光光电变容阻尼等二极管 (4) 按封装形式分 : 有塑封及金属封等二极管 (5) 按功率分 : 有大功率中功率及小功率等二极管

21 3. 半导体二极管的命名方法半导体器件的型号由五个部分组成, 如图 1.10 所示其型号组成部分的符号及其意义见附录一如 2AP9, 2 表示电极数为 2, A 表示 N 型锗材料, P 表示普通管, 9 表示序号用字母表示规格号用数字表示序号用字母表示类型用字母表示材料和极性用数字表示电极数目图半导体器件的型号组成

22 4. 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的核心是 PN 结, 它的特性就是 PN 结的特性单向导电性常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性若以电压为横坐标, 电流为纵坐标, 用作图法把电压电流的对应值用平滑的曲线连接起来, 就构成二极管的伏安特性曲线, 如图 1.11 所示 ( 图中虚线为锗管的伏安特性, 实线为硅管的伏安特性 ) 下面对二极管伏安特性曲线加以说明 U (BR) D C D C 30 i V / ma 锗 15 B B 10 I R 5 O A A ( A) 硅 u V / V 图二极管伏安特性曲线

23 二极管两端加正向电压时, 就产生正向电流, 当正向电压较小时, 正向电流极小 ( 几乎为零 ), 这一部分称为死区, 相应的 A(A ) 点的电压称为死区电压或门槛电压 ( 也称阈值电压 ), 硅管约为 0.5V, 锗管约为 0.1V, 如图中 OA(OA ) 段当正向电压超过门槛电压时, 正向电流就会急剧地增大, 二极管呈现很小电阻而处于导通状态这时硅管的正向导通压降约为 0.6~0.7V, 锗管约为 0.2~0.3V, 如图中 AB(A B ) 段二极管正向导通时, 要特别注意它的正向电流不能超过最大值, 否则将烧坏 PN 结二极管两端加上反向电压时, 在开始很大范围内, 二极管相当于非常大的电阻, 反向电流很小, 且不随反向电压而变化此时的电流称之为反向饱和电流 I R, 见图中 OC(OC ) 段

24 反向击穿特性二极管反向电压加到一定数值时, 反向电流急剧增大, 这种现象称为反向击穿此时对应的电压称为反向击穿电压, 用 U BR 表示, 如图中 CD(C D ) 段由于二极管的核心是一个 PN 结, 它的导电性能与温度有关, 温度升高时二极管正向特性曲线向左移动, 正向压降减小 ; 反向特性曲线向下移动, 反向电流增大

25 5. 半导体二极管的主要参数 1). 最大整流电流 I F : 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值, 其值与 PN 结面积及外部散热条件等有关 2). 最大反向工作电压 U RM : 加在二极管两端的反向电压高到一定值时, 会将管子击穿, 失去单向导电能力 3). 反向饱和电流 I R : 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下, 流过二极管的反向电流反向电流越小, 管子的单方向导电性能越好 4). 二极管的直流电阻 R 5). 最高工作频率 f M

26 4.2.3 二极管应用 1. 单相半波整流电路 1) 电路的组成及工图 4.212(a) 所示为单相半波整流电路由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波, 故称半波整流 T A V u 1 u 2 R L u O B (a) i V i O

27 2) 直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值即 U O 1 2π 2π 0 U O d( ωt) 1 2π π 0 2U 2 sinωtd ( ωt) 2 2 2π U U 2 (4.1) 流过负载 R L 上的直流电流为 3) I O U R O L 0.45 U R 2 L (4.2) 由图 1.14(a) 可知, 流过整流二极管的平均电流 I V 与流过负载的电流相等, 即 I V I O U RL (4. 3) 当二极管截止时, 它承受的反向峰值电压 U RM 是变压器次级电压的最大值, 即 U 2 RM U 2 (4. 4)

28 u 2 2U t u O 2U 2 0 t i V =i O 0 0 u V t t 图单相半波整流电路及 2U 2 (b) (a) 电路图 ;(b) 波形图

29 2. 滤波电路常见的电路形式如图 1.19 所示 L C 电感滤波器

30 L C L 倒 L 型滤波器 R C C C C 型滤波器电阻型滤波器图各种滤波电路

31 1) 图 4.214(a) 为单相半波整流电容滤波电路, 它由电容 C 和负载 R L 并联组成其工作原理如下 : 当 u 2 的正半周开始时, 若 u 2 >u C ( 电容两端电压 ), 整流二极管 V 因正向偏置而导通, 电容 C 被充电 : 由于充电回路电阻很小, 因而充电很快,u C 和 u 2 变化同步当 ω t =π/2 时,u 2 达到峰值,C 两端的电压也近似充至 u 2 值 T V u 1 u 2 C R L u O i O (a)

32 u O 充电放电充电放电 a b V 截止 (b) V 导通 t 图半波整流电容滤波电路及波形

33 4.2.4 特殊二极管前面主要讨论了普通二极管, 另外还有一些特殊用途的二极管, 如稳压二极管发光二极管光电二极管和变容二极管等, 现介绍如下 1. 1) 稳压二极管简称稳压管, 它的特性曲线和符号如图所示 2) (1) 稳定电压 U Z 稳定电压 U Z 即反向击穿电压 (2) 稳定电流 I Z 稳定电流 I Z 是指稳压管工作至稳压状态时流过的电流当稳压管稳定电流小于最小稳定电流 I Zmax 时, 没有稳定作用 ; 大于最大稳定电流 I Zmax 时, 管子因过流而损坏

34 I / ma U Z U Z U B U A O A I A (I Zmin ) U / V V I Z I Z B I B (I Zmax ) (a) 图稳压二极管 (a) 伏安特性曲线 ;(b) 符号

35 2. 发光二极管与普通二极管一样, 也是由 PN 结构成的, 同样具有单向导电性, 但在正向导通时能发光, 所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件电路符号如图所示 V 图发光二极管电路符号

36 1) 普通发光二极管工作在正偏状态检测发光二极管, 一般用万用表 R 10k(Ω) 挡, 方法和普通二极管一样, 一般正向电阻 15kΩ 左右, 反向电阻为无穷大 2) 红外线发光二极管红外线发光二极管工作在正偏状态用万用表 R 1k(Ω) 挡检测, 若正向阻值在 30kΩ 左右, 反向为无穷大, 则表明正常, 否则红外线发光二极管性能变差或损坏 3) 激光二极管根据内部构造和原理, 判断激光二极管好坏的方法是通过测试激光二极管的正反向电阻来确定好坏若正向电阻为 20~ 30kΩ, 反向电阻为无穷大, 说明正常, 否则, 要么激光二极管老化, 要么损坏

37 3. 光电二极管工作在反偏状态, 它的管壳上有一个玻璃窗口, 以便接受光照光电二极管的检测方法和普通二极管的一样, 通常正向电阻为几千欧, 反向电阻为无穷大否则光电二极管质量变差或损坏当受到光线照射时, 反向电阻显著变化, 正向电阻不变 V 图光电二极管电路符号

38 C j / pf 4. 变容二极管变容二极管是利用 PN 结电容可变原理制成的半导体器件, 它仍工作在反向偏置状态它的压控特性曲线和电路符号如图所示 80 V (a) U / V (b) 图变容二极管 (a) 电路符号 ;(b) 压控特性曲线

40 二极管使用注意事项二极管使用时, (1) 二极管应按照用途参数及使用环境选择 (2) 使用二极管时, 正负极不可接反通过二极管的电流, 承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值 (3) 更换二极管时, 应用同类型或高一级的代替 (4) 二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于 2mm, 以免造成引线折断或外壳破裂

41 4.3 电热毯电路分析及测量 1. 电路原理分析常见的电热褥控制电路有普通型, 二极管整流调温型, 电热线串并联换接调温型, 晶闸管调温型及电子线路调温型等图 4.31 为二极管整流调温型电热褥电路

42 当开关 S 在位置 1 时, 电热线 RL 断电 ; 当 S 打在位置 3 时, 电热线得到 220V 电压, 为高温档 ; 当 S 打到位置 2 时, 二极管 VD 与电热线串联, 通入电热线的是经 VD 半波整流后的脉动直流电, 发热功率减少一半, 为低温档即通过二极管与转换开关配合来改变电热毯的发热功率, 实现调温

43 2. 电路测量将万用表置于 R 100 或 R 1k(Ω) 挡 (R 1 挡电流太大, 用 R 10k(Ω) 挡电压太高, 都易损坏管子 ) 如图所示, 黑表棒黑表棒红表棒表头电池红表棒 (a) (b) 图 4.32 (a) 电阻小 ;(b) 电阻大

44 当开关 S 在位置 1 时, 用万用表测试电热丝或者二极管流经的电流 ; 当 S 打在位置 3 时, 用万用表测试电热丝或者二极管流经的电流 ; 当 S 打到位置 2 时, 用万用表测试电热丝或者二极管流经的电流 ; 与产品参数相比是否吻合

46 3. 电热毯的使用注意事项 1. 注意电热褥的额定电压与家中的电源电压是否一致, 使用前应通电检查 ;( 几分钟后是否正常 ) 2. 电热褥一般只做预热用, 不宜整夜开启, 睡前 30 分钟通电, 用棉被将电热褥全部覆盖, 上床后即关断电源 3. 电热褥不能与其他热源同时使用 4. 使用中, 不能反复折叠电热褥直线型电热褥不适合铺在网丝床棕床或沙发床上 5. 电热褥不宜铺在厚褥子下想想为什么?

47 6. 电热褥通电后, 需注意观察有无异常情况 ( 冒烟 ), 最好使用有自动控温装置的 7. 电热褥不能常洗, 可用清水刷, 但不能用手揉搓 8. 使用中的电热褥, 如遇停电, 应关闭开关, 防止来电时未知而发生意外五电热褥的常见故障与检修见表 41

48 故障现象故障原因检修方法通电后不发热不能调温通电后, 有焦臭味漏电 1. 电源插头与插座接触不好 2. 电源开关接触不良或损坏 3. 电热丝断路 1. 调温开关接触不良 2. 调温部分失灵 1. 电热线间呈半断状态, 产生打火发出焦味 2. 电热线引出线与电源接触不良, 产生电弧 3. 长时间通电使用, 温度过高绝缘材料发焦 1. 电热线绝缘层破损 2. 过分潮湿 1. 修理插头, 插座使其接触良好 2. 修理微型床头开关, 使其接触良好, 严重损坏时应换用新件 3. 用万用电表 R 1k 档检测电热毯电源线两端一般应为 500Ω~800Ω, 如指针不动则为断路, 仔细找出断路处, 缠结焊好, 并做好绝缘处理 1. 检查开关使其接触良好 2. 视具体调温原理检修 1. 查出断路处, 焊接好并用绝缘材料重新包好 2. 重新进行连接, 并保证可靠的接触 3. 严格按产品说明书的要求使用, 不能过长时间通电, 以免发生事故 1. 找出破损处, 用绝缘材料重新包好 2. 用电吹风热风或太阳光晒干再使用, 电热毯在使用中一定要保持干燥

49 复习思考 : 半导体二极管的其他应用

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路

第四章 生活中的电子-取暖器

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