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2、特性:
二极管具有单向导电性。
即电流只能从正极端流向负极端,也就是只能顺着箭头方向流。
二极管的箭头是由P指向N。
3、分类
(1)按制造材料可分为锗二极管和硅二极管。
(2)按PN结的结构可分为点接触型和面接触型。
点接触型二极管,由于触点小,结电容小,适用于高频电路。
面接触型二极管,由于接触面积大,能通过的电流大,可以承受高电压,具有较大的功率,适用于整流和稳压元件。
玻璃封装的二极管一般为点接触型,其体积较小。
金属封装的二极管一般为面接触型,其体积较大。
近年生产的二极管,大都由塑料封装,体积大者为面接触型,体积小者为点接触型。
(3)按用途可分为普通二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光敏二极管等。
4、伏安特性:
二极管伏安特性是指流过二极管的电流与其两端电压的关系。
正向电压就是二极管正极加正电压,负极加负电压,(或者是正极加高电压,负极加低电压)。
反向电压就是二极管正极加负电压,负极加正电压(或者是正极加低电压,负极加高电压)。
正向电流就是顺着箭头流动,反向电流就是逆着箭头流动。
用坐标法表示出电流与电压的关系,横轴表示加在二极管两端的电压U,右边为正电压(正向电压)越往右表示正向电压越大;
左边为负电压(反向电压),越往左表示反向电压越大;
中间为0。
纵轴表示流过二极管的电流I,上边为正电流(正向电流),越往上,正向电流越大;
下边为负电流(反向电流),越往下,反向电流越大。
曲线表示二极管的I与U的关系。
由图中曲线知,当二极管加正向电压时,随着电压的增加,正向电流上升较慢;
当电压超过一定数值(这个数值称为阀值电压,锗管约0.3V,硅管约0.7V)以后,电流上升很快,此时二极管处于导通状态。
当二极管加反向电压时,反向电流很小,而且几乎不变,此电流称为反向饱和电流,它受温度影响较大。
当反向电压增加到某一数值时,反向电流会突然增加很多,这种情况叫PN结击穿。
发生击穿时的电压称为反向击穿电压。
PN结一旦击穿,它便失去单向导电性,而且永久损坏。
因此,为了保证二极管安全工作,加在二极管两端的反向电压,不能超过它的反向击穿电压。
硅二极管的阀值电压均一样,约为0.7V,锗二极管的阀值电压也均一样,约为0.3V。
二极管的阀值电压一般是不变的。
二极管串联后,其总的阀值电压为各阀值电压之和。
二极管所加正向电压,超过阀值电压后才能导通,否则不通(称截止)。
也就是不能说二极管加正向电压后一定会导通。
例1:
手电筒电路中正向串联两个硅二极管后,灯泡会变暗;
正向串联4个二极管后,灯泡会不亮。
例2:
万用表电阻挡测量电视机高压硅堆时,会发现低电阻挡量高压硅堆正反向均不通,R×
10K挡量高压硅堆正向时有点通,这是因为高压硅堆内串有十几个二极管,其总的阀值电压较高,又因为R×
10K挡表内电池电压高(9V),低电阻挡表内电池电压低(1.5V),也就是R×
10K挡内电池电压大于硅堆的总阀值电压,所以万用表会通。
低电阻挡内电池电压低于硅堆的总阀值电压,所以万用表不通。
二极管所能承受的反向电压也叫耐压。
二极管的型号不同其耐压也不同----即反向击穿电压不同,具体要看产品标注的参数。
二极管串联后,其总的反向击穿电压,为各二极管反向击穿电压之和,当一个二极管的反向击穿电压偏低时,就可再串二极管。
例:
电视机高压硅堆的反向击穿电压为几万伏,就因为内部串有十几个二极管。
5、主要参数:
(1)最高反向击穿电压。
指二极管在使用时所能承受的最高反向电压值。
如果超过此值,二极管就会击穿损坏。
说成二极管的耐压,会更好理解,所以今后就只说耐压。
(2)最大正向电流。
指二极管在正常工作时允许通过的最大正向电流平均值。
如果超过此值,PN结会因温度过高而烧毁。
对于大电流(大功率)二极管,为了降低PN结温度,需要安装散热片,查手册可知。
(3)允许频率。
低频二极管不可用在高频电路上,否则会烧坏。
例如:
现在普遍使用的开关电源的高频电路,其二极管必须使用高频二极管。
6、主要用途:
整流(检波其实也是整流)、限制电流的流向(电话机的输入端因为有桥式整流电路,所以电话线虽然是直流电但接线时不需要分正负极)。
7、更换时的注意事项:
二极管的耐压不能低于电路的要求。
二极管的最大正向电流不能低于电路的要求。
如果二极管的耐压低,可以串联使用。
如果二极管的允许电流小,可以并联使用。
检波二极管,必须使用锗二极管。
高频电路必须使用高频二极管。
8、二极管的测量:
利用二极管的单向导电性,可以用万用表的欧姆挡测量它的正向及反向电阻,从而判断二极管的好坏。
指针式万用表的电阻挡,黑表笔出电流,红表笔入电流。
由此判断二极管箭头的方向。
将指针式万用表置于R×
100或R×
1K挡,用两表笔任意接二极管两端,测出直流电阻,然后交换表笔,测出另一个直流电阻。
这两个直流电阻的数值相差很大时,说明这个二极管是好的,其中数值小的是二极管的正向电阻,数值大的是二极管的反向电阻。
测正向电阻时,黑笔所接为二极管的正极,红笔所接为二极管的负极。
测反向电阻时,黑笔所接为负极,红笔所接为正极。
有些二极管外壳上有正负极标志,可直接测其正反向电阻。
对于锗二极管,正向电阻为100—1000欧,反向电阻在100千欧以上;
对于硅二极管,正向电阻一般在几百欧至几千欧,反向电阻接近于无穷大。
也就是正反向电阻大者为硅二极管,稍小者为锗二极管。
由此可以区分硅还是锗二极管。
如果两次测出的阻值都是无穷大,表明二极管内部开路;
如果两次测出的阻值都是0,表明二极管内部短路;
如果两次测出的阻值差别不大,表明二极管已失去单向导电性,出现上述情况之一者均不能再使用。
对于耐压值较高的二极管,必须使用高电阻挡(R×
10K)测其反向电阻,而且阻值必须为无穷大。
否则不能用。
测电视机高压硅堆时,万用表必须置于R×
10K挡,否则测不出正向电阻。
也可将万用表拨至直流电压挡与硅堆串接于220V电网上,根据指针判别硅堆的好坏,并分出正负极。
由于二极管电流与电压不是按比例变化,即电压增加的倍数,不一定等于电流增加的倍数。
所以二极管不是线性元件,当用不同型号的万用表或不同倍率的欧姆挡进行测量时,所得的阻值是不同的,但正反向电阻应相差几百倍,这一原则不变。
测二极管必须测两步,既要测正向电阻,也要测反向电阻。
坏二极管有4种:
(1)开路(正反向电阻为无穷大)。
(2)短路(正反向电阻为0)。
(3)正向电阻变大(记住自己的万用表测量正规二极管的正向电阻应该是多大)。
(4)反向电阻变小。
数字万用表的电阻挡,红表笔出电流,黑表笔入电流,正好和指针万用表相反。
数字万用表有专门测量二极管的挡(标有二极管符号)。
9、发光二极管
具有单向导电性,正向导通时会发光(有红、绿、黄、白等颜色)。
有些发光二极管能发两种颜色的光。
其中一种是三个管脚,一个是公用脚,另两个脚分别通电能分别发出两种颜色的光。
其中另一种是两个脚,当电流方向改变时,发光颜色也改变。
发光二极管正常发光电流为10mA左右,可是只要有0.5mA的电流就能发光,发光亮度正比于电流。
优点:
适用电压范围广、省电、寿命长、发热量小,一管可发两种颜色的光。
高亮度发光管比指示灯泡还要亮。
现在马路十字口的红绿灯以及汽车的防雾灯,已经全部使用高亮度发光二极管。
矿工使用的头灯已经开始用高亮度发光二极管。
缺点:
普通发光二极管发光亮度小。
现在电气产品的指示灯已逐步被发光二极管所取代。
尤其是井下光线暗,最适合用发光二极管作指示。
10、光敏二极管:
无光照时,阻值很大,有光照时,阻值变小。
楼道照明现在使用声、光控制。
只有在晚上并且有声音时才点亮灯泡。
就是靠光敏二极管判断是否为晚上的。
三、三极管
三极管是由两个背靠背的PN结组成。
因为它有三个引线,所以叫三极管。
当P端相靠时,组成NPN型三极管,当N端相靠时,组成PNP型三极管。
下图是组成结构和电路符号。
中间的引线叫基极,符号为b或B,带箭头的引线叫发射极,符号为e或E,另外一条引线叫集电极,符号为C。
三极管的电路符号,发射极带箭头,其箭头方向和二极管相同,即由P指向N。
记住此点就可根据电路符号,容易的标出管子的型号是NPN还是PNP型。
基极与发射极之间的PN结叫发射结,基极与集电极之间的PN结叫集电结。
发射极与集电极内部同是一种型号的半导体,但制造时所掺杂质数量不同。
所以使用时不能互换,如果弄错,将使放大倍数大大降低。
管子的NPN型或PNP型比较难记,容易弄糊涂,既好记又好说而且测量时又很方便的方法是:
记其发射极箭头方向,NPN型为箭头朝外的管子,PNP型为箭头朝里的管子。
虽然三极管有两个PN结组成,但两个二极管却不能代替一个三极管,相反,三极管可以代替二极管。
(1)按制造材料可分为锗三极管和硅三极管。
(2)按PN结的结构可分为NPN型和PNP型三极管,即箭头朝外的管子和箭头朝里的管子。
(3)按用途可分为开关管和放大管。
(4)按工作频率可分为低频管和高频管。
(5)按集电极耗散功率大小,可分为小功率管、中功率管和大功率管。
(6)按外壳材料,可分为金属壳管和塑料壳管(简称塑封管)。
3、电流的关系和流向
发射极电流等于基极电流加集电极电流。
Ie=Ib+Ic
Ie的方向与电路符号中箭头方向相同。
由此可画出NPN型和PNP型三极管的各电流方向。
三极管用作放大时,Ib远小于Ic,Ic与Ib的比值为一固定不变的值,称为三极管的放大倍数β。
β=Ic/Ib三极管制造出后,β值就固定了(在一定条件下)。
因为Ic=β×
Ib,所以Ib增加,将引起Ic也增加,Ib减小Ic也减小;
Ib不变Ic也不变。
因为Ib远小于Ic,所以β值远大于1。
近期生产的管子β一般在70—200之间。
4、主要参数
(1)电流放大倍数β
β=Ic/Ib代表了基极电流Ib对集电极电流Ic的控制能力,β值越大,控制能力越强,即电流放大能力越强。
但β过高的三极管,工作稳定性差,β过低的三极管放大能力过小。
要根据电路要求选择管子,要求稳定性强的电路,则选β不要太高的管子,如果一级放大不够,可多做几级放大;
要求稳定性不严格的电路,可选用β高的管子,这样可以少做几级放大,使电路简单。
β值可用万用表测到。
现在的数字万用表都有测量β值的插孔。
(2)耐压UcBo
它是发射极开路时,集电极与基极之间所能受的最大反向电压。
管子型号不同,则UcBo也不同,可查手册。
供电电压高的电路,必须选用耐压高的管子。
供电电压低的电路,选耐压低的管子就可以了。
耐压高的管子,价格也高。
(3)集电极最大允许功率Pcm(有时称耗散功率)
三极管工作时,集电结加的是反向电压,结电阻较大,当Ic通过时,会产生较大的功率损耗,从而使温度升高,严重时会损坏管子。
为了不使温度过高,三极管都规定了集电极最大允许功率Pcm。
管子个头大则Pcm大,个头小则Pcm小。
个头一样(型号不一样),Pcm不一定一样,可查手册。
Pcm大,价格高。
Pcm小于1W的管子称小功率管,Pcm大于1W的管子,称为大功率管。
大功率管一般要加散热板。
(4)集电极最大允许电流Icm
Ic超过一定数值时,β要下降,一般把β下降到最大值的2/3时,所对应的Ic叫集电极最大允许电流Icm。
管子个头大,则Icm大,个头小则Icm小,个头一样Icm不一定一样,可查手册。
Icm大价格高。
(5)截止频率fβ、特征频率fT
β是随着工作频率的升高而下降的。
随着频率的上升,当β下降到低频时的2/3时,所对应的频率为fβ,当β下降到1(即Ib=Ic,无放大能力时),所对应的频率为fT。
fβ大的管子价格也高。
选管子时,通常要求fβ大于工作频率,可查手册。
5、三极管的识别
小功率管一般有三根引线,有的高频管有四根引线,其中一根与管壳相连,用来接地起屏蔽作用。
大功率管其外壳为金属壳时,有两个引线,外壳为集电极,其外壳为塑料壳时,有三个引线。
三极管管壳顶部用色点表示其β值范围,其色点颜色为:
红色表示β=10—30,橙色表示β=35-45,黄色表示β=45-65,绿色表示β=65-100,兰色表示β=100-150,白色表示β=150-200。
三极管管壳上标有型号,通过手册可查得各参数、管脚排列。
某些通用型管脚排列如下:
型状一样的管子,管脚排列可能不一样,例如塑封管。
有的b极在中间,有的b极在左,有的b极在右。
有些塑封管外壳上标出了各管脚的名称,一般为大写字母。
C、B、E。
中功率塑封三极管有3个脚,铝外壳是集电极,与中间脚相连,外壳有用于固定散热器的孔。
6、晶体管命名法
就是说晶体管外壳上的字母与数字代表什么。
第一部分
第二部分
第三部分
符号
意义
2
3
2极
3极
A
B
C
D
锗材料,对于三极管,其箭头朝里。
锗材料,对于三极管,其箭头朝外。
硅材料,对于三极管,其箭头朝里。
硅材料,对于三极管,其箭头朝外。
P
Z
K
W
X
G
T
普通管
整流管
开关管
稳压管
低频小功率管
高频小功率管
低频大功率管
高频大功率管
可控管
常用管子的型号:
2AP、2CZ、2CW、3DG、3CG、3DD、3DA
进口管和进口生产线制造的管子,与上述命名法不同,可查看世界晶体管手册。
上世纪八十年代以前主要是国产管子,一本手册几乎都可查到,弱电修理工都有手册可查。
近年使用的管子,几乎都是进口线生产的或进口的,型号比较杂,有日本、欧洲、美国等型号,手册较多,难以查找,一般的修理工不买手册了。
7、用万用表测量三极管好坏、选基极、确定箭头朝外还是朝里(NPN、PNP)。
当怀疑某线路板上的三极管不正常时,就需要测量其好坏。
当更换三极管时,也需要测量其好坏,要知道那个是基极,确定箭头朝外还是朝里。
由前面可知,三极管由两个背靠背的PN结组成,测量三极管的好坏,就是测量两个PN结的好坏。
(测PN结的好坏就是测其正反向电阻)。
两个PN结相当于两个二极管,如下图连接。
测两个二极管的好坏比较容易。
使用指针式万用表R×
100档。
必须最少量六步。
才能证明管子是好的。
(1)当量一个三极管符合A图的两二极管时,就是箭头朝外的管子。
并能找出b极。
(2)当量一个三极管符合B图的两二极管时,就是箭头朝里的管子。
(3)当量一个三极管既不符合A图又不符合B图的两二极管时,说明此管子坏了。
测量步骤:
(以指针式万用表为例)
(1)找出2个相通的极,其中就有1个是基极(对于好管子)。
(2)假定黑笔所接是基极(因为,多数管子的箭头是朝外的),黑笔仍然接原来的极,红笔倒接在另外1个极上。
如果通,就表示假定正确—黑笔所接是基极并且属于箭头朝外的管子(NPN型);
如果不通,则假定错误,重新假定原红笔所接是基极,红笔仍然接原来的极,黑笔倒接在另外1个极上,此时应该通,红笔所接是基极并且属于箭头朝里的管子(PNP型)。
(3)确定了基极和箭头朝向后,需要测量2个PN结的反向电阻,应该无穷大,并且c、e极之间正反向电阻都应该无穷大。
(4)如果不符合上述,则属于坏管。
硅三极管的正反向电阻比锗管大(与二极管相同)。
由此可判断管子是硅管还是锗管。
三极管损坏后主要表现为:
短路(击穿)、开路、放大倍数变小,正向电阻变大、反向电阻变小、内部接触不好。
三极管的一个PN结损坏后,另一个PN结可当二极管使用。
8、万用表判断集电极
根据上面测出管子没有损坏,并且找出基极b,确定了箭头方向后,就需要确定另外两极,c极和e极。
三极管的基极已经确定,另外2个极暂时定为不知名极。
使用R×
100档,把手指弄湿。
(1)箭头朝外的三极管
湿手指始终同时捏基极和黑表笔的导电部分,红黑表笔分别搭另外2个不知名极,看表针;
对调表笔,看表针,那次表针摆动大,那次黑表笔所搭的就是集电极C。
注意:
湿手指始终捏基极b和黑表笔。
(2)箭头朝里的三极管
湿手指始终同时捏b极和红表笔的导电部分,红黑表笔分搭另外2不知名极,看表针;
对调表笔,看表针。
那次表针摆动大,那次红表笔所搭的就是C极。
湿手指始终捏b极和红表笔。
9、万用表估测放大倍数β值。
各个三极管的β值不一定一样,使用时就需要根据电路要求选β值合适的管子。
电路出现故障,有时就怀疑是由电路中的某个管子的β值变低引起的。
这时就需要焊下来量一量β值。
100档,将手指弄湿。
(1)、箭头朝外的三极管
黑笔搭c极,红笔搭e极,湿手指同时捏b极和c极,看表针,摆动大,则此管子的放大倍数大;
摆动小,则此管子的放大倍数小。
(2)、箭头朝里的三极管
红笔搭c极,黑笔搭e极,湿手指同时捏b极和c极。
看表针,摆动大,则此管子的放大倍数大;
上述方法只能估测β值的大小,测量不准确。
对于新手,(初学者),还不能估测其β值大概为多少。
在多个管子中可对比β值的大小。
有些万用表有专用测量β值的插孔,可直接显示出三极管的β值。
10、三极管的导通与截止
三极管电路,大部分做成从基极输入信号,从集电极输出。
当集电极无电流时,称此三极管截止。
当集电极有电流时,称此三极管导通。
Ic大,则说管子导通大;
Ic小则说管子导通小。
三极管导通的条件是:
发射结加正向电压(称正偏),同时集电极加反向电压(称反偏)。
箭头朝外的三极管,导通时三个极上电压大小为:
Uc>
Ub>
Ue。
箭头朝里的三极管,导通时三个极上电压大小为:
Ue>
Uc。
箭头朝外和朝里的管子都符合以下条件:
Ub越靠向集电极电压,管子越导通,Ic越大。
Ub越远离集电极电压,管子导通越小,Ic越小。
11、放大用三极管的典型电路:
有时从发射极输出,称为射极跟随器。
放大交流信号时,集电极不接Rc而是接电感线圈,Re两端有时并联电容,称旁路电容(目的是提高输电电压,容量在10uF—30uF之间)。
c、b两端有时并联电容,称中和电容(目的是防止自激,容量在几PF~几百PF之间)。
12、放大原理
(1)电流放大
因为Ic大于Ib,它们的比为一固定值。
β=Ic/Ib,β远大于1。
Ib有个小变化,Ic就有个大变化。
即电流得到了放大。
因为Ic=β×
Ib。
某一管子β=50,当Ib增加0.02mA时,则Ic增加了50×
0.02=1mA;
当Ib增加1mA时,则Ic增加50×
0.1=5mA;
当Ib减小0.02mA时,则Ic减小50×
0.02=1mA。
Ic能够变化,其原因就是Rc.(C极到E极之间管内的等效电阻)在变化。
IC的增减,就是Rc的减增。
(2)电压放大
b极和e极之间是一个PN结,即发射结。
由二级管伏安特性知,发射结正向电压Ub低于阀值电压时,Ib与Ub,成正比,又因为Ic于Ib成正比(Ic/Ib=β),URC与Ic成正比(URC=Ic×
Rc)所以URC与Ub成正比,输出电压与输入电压成正比,其比值约为β,Ub(输入电压)有个小变化。
URC(输出电压)就有个大变化。
即电压得到了放大。
13、三个工作区
(1)截止区
发射结电压为0或加反向电压时,Ib=0,Ic=0(相当于RC为无穷大),此时称三极管截止。
(2)饱和区
发射结加正向电压,超过其阀值电压很多时,Ib很大,Ic也很大。
RC接近短路。
即使Ub再增加,Ib再增加,而Ic都不在增加。
此时称三极管饱和。
三极管工作在截止区和饱和区,均不能放大信号,但可以当开关使用,截止相当开关断开,饱和导通相当于开关的闭合。
(3)放大区
由二极管伏安特性知,PN结正向电压小于阀值电压时,其电流正比于电压,同理发射结正向电压Ube小于阀值电压时,其Ib正比于Ube,Ic正比于Ube,输出电压正比于Ube。
Ube小变化,将引起输出电压大变化,此时称三极管工作在放大区。
14、静态工作点
对于箭头朝外的三极管,为了完全放大交流信号,就必须预先给三极管加一定的正向的电压Ubeo——称正向偏置。
这是因为交流信号有正负半波,如果三极管预先没有正向电压,则只能放大交流信号的正半波,因为负半波期间Ube为负、Ib=0、Ic=0,起不到放大作用。
要想把负半波放大,必须预先(无输入信号时)给基极加固定不变的正向电压——Ube,这样当负半波到来时,就会减小Ube,使Ib、Ic减小。
输出电压也减小——从而将交流信号全部放大。
同理:
箭头朝里的管子,预先也给发射结加正向电压,才能将交流信号全部放大。
预先所加正向电压Ube。
因其无信号时也存在。
而且是固定不变,所以称为静态值,其符号为Ubeo。
由Ubeo而产生的集电极电流为Ico。
无输入信号时,三极管各极电压、电流,所具有的数值是不变的。
其集电极电流Ico之值称为三极管的静态电流或静态工作点。
理解:
放大交流信号时,交流信号好比是船,静态电流电流好比是水。
交流信号的大小,好比船颠簸的高低。
静态电流的大小,好比水的深浅。
交流信号大,要求静态电流大。
好比船颠簸大就要求水深一些。
交流信号小,要求小的静态电流就可以了。
好比船颠簸小,水浅就可以了。
所以对于多级放大器,前级的静态电流小,后级的静态电流要大。
静态电流的作用就是保证不失真地放大交流信号。
静态电流太小,容易使三极管进入截止区,静态电流太高。
一方面耗电多,管子发热。
另一方面容易使三极管进入饱和区,所以静态电流的大小要调整合适。
静态电流的大小,主要由三极管基极上所加电阻的大小决定,此电阻称为偏置电阻。
15、偏置电阻
基极上的电阻,靠向集电极者为上偏置电阻,简称上偏置。
靠向发射极