81 晶体三极管控制电磁阀精讲.docx
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81晶体三极管控制电磁阀精讲
项目八Project
汽车执行器与控制
项目描述
在汽车电控系统中，通过各个功能传感器采集的信号送入电脑进行处理，然后输出相应的控制信号至大功率晶体管驱动执行器，如电磁阀，喷油嘴，点火线圈等。
本项目我们重点学习执行器控制的原理和常用控制元件，包括晶体三极管，场效应管等。
学习任务一晶体三极管控制电磁阀
晶体三极管是最常用的半导体元件之一，其发挥的作用非常大。
在汽车电器、电控系统中几乎都离不开它，掌握三极管原理与检测是现代修车技术员必备的素质。
大功率三极管电路故障常常表现的是执行元件不工作。
请你检修由三极管控制的电磁阀电路。
晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件，它由两个PN结构成，在电路中主要作为放大和开关元件使用。
是内部含有两个PN结、外部具有三个电极的半导体器件。
晶体三极管（简称三极管，下同）结构如下图8-1所示。
图8-1三极管结构示意图
1、从上图中我们可以知道：
三极管内部有发射区、基区和集电区；引出电极分别为发射极e、基极b、集电极c。
发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。
2、三个电区的特点：
（1）使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；
（2）使基区掺杂浓度最小，且最薄，以有效地传输载流子；
（3）使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。
3、电路符号：
图8-2三极管的电路符号
三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：
按半体制造材料可分为硅管和锗管。
硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在自动控制设备中常用硅管。
按三极管内部基本结构可分为NPN型和PNP型两类。
目前我国制造的硅管多为NPN型（也有少量PNP型），锗管多为PNP型。
按工作频率可分为高频管和低频管。
工作频率高于3MHz为高频管，工作频率在3MHz以下为低频管。
按功率可分为小功率管和大功率管。
耗散功率小于1W为小功率管，耗散功率大于1W为大功率管。
按用途可分为普通放大三极管和开关三极管等。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。
这是三极管最基本的和最重要的特性。
我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。
电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
三极管还可以作电子开关，在数字电路和汽车电路中常用。
1、三极管放大条件
要使三极管能够正常放大信号，发射结应加正向电压，集电结应加反向电压。
如下图8-3所示：
图8-3三极管电路偏置电路
电源VCC通过偏置电阻Rb为发射结提供正向偏置，RC阻值小于Rb阻值，所以集电结处于反向偏置。
如下图8-4所示：
图8-4三极管各电极电流关系的测量电路
从实验中我们可以得出三极管电路有由下关系：
三极管电流分配关系：
IE=IC+IB
三极管电流放大倍数：
β=ΔIC/ΔIB，当ΔIB有一微小变化，就能引起ΔIC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。
1、输入特性曲线
图8-5三极管输入特性曲线
输入特性曲线是反映三极管输入回路电压和电流关系的曲线，如图8-5所示。
它是在输出电压VCE为定值时，iB与VBE对应关系的曲线。
当输入电压VBE较小时，基极电流iB很小，通常近似为零。
当VBE大于三极管的死区电压Vth后，iC开始上升。
三极管正常导通时，硅管VBE约为0.7V，锗管约为0.3V，此时的VBE值称为三极管工作时的发射结正向压降。
输入特性实质上就是二极管特性曲线。
图8-5三极管输入特性曲线
2、输出特性曲线
输出特性曲线是反映三极管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC与集电极电压VCE对应关系的曲线。
截止区：
习惯把IB=0曲线以下的区域称为截止区，三极管处于截止状态，相当于三极管内部各极开路。
在截止区，三极管发射结反偏或零偏，集电结反偏。
此时C、E相当于开关断开。
放大区：
它是三极管发射结正偏、集电结反偏时的工作区域。
最主要特点是IC受IB控制，具有电流放大作用。
饱和区：
当VCE小于VBE时，三极管的发射结和集电结都处于正偏，此时IC已不再受IB控制。
此时管子的集电极—发射极间呈现低电阻，相当于开关闭合。
图8-6三极管输出特性曲线
（1）集电极最大直流耗散功率（Pcm）
一般要求用Pcm与原管相等或较大的晶体管进行置换。
但经过计算或测试，如果原晶体管在整机电路中实际直流耗散功率远小于其Pcm，则可以用Pcm较小的晶体管置换。
（2）击穿电压
用于置换的晶体管，必须能够在整机中安全地承受最高工作电压；
（3）集电极最大允许直流电流（Icm）
一般要求用Icm与原管相等或较大的晶体管进行置换。
（4）频率特性
晶体管频率特性参数，常用的有以下2个：
（1）特征频率Ft：
它是指在测试频率足够高时，使晶体管共发射极电流放大系数时的频率。
（2）截止频率fb：
在置换晶体管时，主要考虑Ft与fb。
通常要求用于置换的晶体管，其Ft与fb，应不小于原晶体管对应的Ft与Fb。
在汽车电路中，三极管通常用做开关。
图8-7所示，即为三极管电子开关的基本电路图。
由图8-7可知，负载电阻接在三极管的集电极与电源之间，位于三极管Ic电流回路上。
截断时相当于开关断开饱和时相当于开关闭合
图8-7三极管开关原理
输入电压VB则控制三极管开关的断开与闭合动作，当三极管在截止状态时，C、E极间呈断开状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管在饱和状态时，C、E极间呈闭合状态时，电流便可以流通。
（1）三极管开关不具有活动接点部分，因此不会有机械磨损，可以使用无限多次，一般的机械式开关，由于接点磨损，顶多只能使用数百万次左右，而且其接点易受污损而影响工作，因此无法在脏乱的环境下长期运作，三极管开关既无接点又是密封的，无此顾虑。
（2）三极管开关的动作速度比一般的开关快，一般开关的启闭时间是以毫秒（ms）来计算的，三极管开关则以微秒（μs）计算的。
（3）三极管开关没有跃动现象，一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。
（4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产生。
反之，当机械式开关开启时，由于瞬间切断了电感性负载上的电流，因此电感产生的瞬间感应电压，将在接点上引起弧光，这种电弧不但会侵蚀接点的表面，而且可能会造成干扰或危害。
各小组成员制定实施本次实训任务的具体步骤、操作方法，预期效果。
步骤
内容
1
2
3
4
5
做出决策
教师根据学生提交的计划进行审核评价，如果不通过则由教师提出整改意见，通过之后每小组根据本小组制定的计划实施任务。
小组
评价
1
2
续上表
3
4
5
实施计划
一、任务准备
积木连线实训板
万用表
可调锂电池模块
三极管元件板
开关熔丝板
三极管驱动板
三极管特性实训板
电流电压表积木板
负载积木板
电磁阀特性实训板
连接导线
二、任务要求
分组实训:
全班____人，每____人一组，分为____组，___套实训器材，每组小组长一名。
2职责分工
教师职责：
课堂纪律与安全管理、实训器材管理、指导与巡查。
学生职责：
班长协助教师对班级全面管理与监控、学习委员负责器材管理和检查、团委书记负责安全与纪律及素质评价、副班长负责收集和反馈学生意见，实训小组长负责指导组内学习和交流。
三、任务步骤
步骤
图示
任务内容
完成情况
1
检查固定电压输出、可调电压输出、电压显示是否正常。
是□否□
2
波动万用表档位开关，检查液晶显示是否正常。
是□否□
3
打开熔断丝盒，检查熔断丝是否良好；波动开关，检查是否正常。
是□否□
续上表
4
读识电路原理图与对应接线端子的功能，检查元件外观有无异常。
是□否□
5
检查灯泡有无破裂，灯丝是否良好；观察电机是否良好，有无卡死。
是□否□
6
读识三极管电路符号与接线端子的功能，检查各个三极管外观有无异常。
是□否□
7
读识积木板电路原理图与各接线端子功能，检查各元件外观有无异常。
是□否□
8
观察面板标示，按下电源开关，检查液晶显示是否正常。
是□否□
9
读识积木板电路原理图与各接线端子功能，检查电磁阀外观有无异常。
是□否□
步骤
图示
工作页
1
读识电路板上的原理图，晶体三极管型号分别为______、_______、_______；其中_________是NPN型管；_________是PNP型管。
三极管的三个电极分别是_________、_________、_________。
2
三极管管脚判别与性能测试，用万用表二极管档分别测量三极管三个电极的导通情况，填写下表。
3
测量次数
连接特点
数字表显示
8050
8550
TIP41
第一次
红表笔固定B极
C
E
第二次
红表笔固定C极
B
E
第三次
红表笔固定E极
B
C
从上表中我们可以得出什么结论？
______________________________________________________________________给你一个陌生的三极管你能用数字表测量出三个电极吗？
步骤
图示
工作页
1
读识电路原理图，三极管电流放大特性实训电路是以三极管为核心，调节Ib电流控制Ic电流的变化，通过负载灯泡亮度和测量电表的变化得出实训数据，进而分析三极管的电流放大特性原理。
2
用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，连接电路比较复杂，请同学们细心连接，注意连接前先关闭电源开关。
3
检查无误后接通电源，调节电源电压为10V。
各测量电表的认识：
Ib测量的是_________；Vbe测量的是_________；Ic测量的是_________；Ie测量的是_________；Vce测量的是_________。
从左至右调节电位器，观察灯泡亮暗变化和各电表的读数的变化，填写下表：
续上表
4
电位器位置
Ib
Ic
Ie
Vbe
Vce
最左端
向右旋转1
向右旋转2
向右旋转3
最右端
从上表测量结果我们可以得出结论：
_________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
步骤
图示
工作页
1
读识电路原理图，理解各个元件的作用。
电源：
____________________________
三极管：
__________________________
开关：
____________________________
基极电阻：
________________________
灯泡：
____________________________
2
用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。
续上表
3
检查无误后接通电源，当开关断开时，三极管处于________状态，用万用表测量Vce=________，C、E相当于开关_______，灯泡________（填“亮”或“不亮”）。
4
当开关闭合时，三极管处于__________________状态，用万用表测量Vce=_________________，C、E相当于开关_______，灯泡__________，此时对Rb有何要求？
______________________。
从实训中我们可以得出结论，三极管作为功率控制元件是以Ib信号小电流控制Ic负载大电流。
负载可以是多种多样的，
5
依照三极管控制灯泡电路完成三极管控制模拟电磁阀电路，记录实验数据。
步骤
图示
工作页
1
读识达林顿管内部结构图
续上表
知识链接：
什么是达林顿管？
达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。
具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。
2
用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。
3
检查无误后接通电源，当开关断开时，达林顿管处于________状态，灯泡________（填“亮”或“不亮”）。
4
当开关闭合时，达林顿管处于________状态，灯泡__________。
检查项目
结果或数据
检查项目
结果或数据
检查项目
结果或数据
连线是否规范
是否认真观察实训现象
是否单独完成工作页
是否出现异常现象
测量数据是否准确
是否严格执行6S管理
一、自我评价
在知识与技能方面的收获：
掌握的程度
牢固掌握
基本掌握
模糊不清
能够说明晶体三极管内部结构特点
能够使用万用表检测辨别三极管引脚
能够连接并分析三极管电流放大特性积木电路
能够连接三极管开关电路
能够分析三极管开关电路原理并能排除电路故障
能够说明达林顿管的特点并能连接达林顿管开关电路
希望自我改进的地方
希望老师改进的地方
实训小组学生：
完成时间：
年月日
二、小组和教师对本学习任务进行评价
考核项目
评分标准
分数
学生自评
（权重20%）
小组互评
（权重60%）
教师评价
（权重20%）
小计
团队合作
是否协调信任
5
活动参与
是否积极主动
5
安全实训
有无安全隐患
10
现场6S
是否做到
10
任务方案
是否正确、合理
5
实训过程
是否独立完成实训
工作页完成情况
40
任务完成情况
是否圆满完成
5
工具和设备使用
是否规范、标准
10
问答
是否能够回答正确
5
实训设备
是否完好
5
总分
100
教师签名：
年月日
得分
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