电子制作必备之技能连载( 三) 2019-12-17
应知的内容:半导体三极管的结构、类型、外形识别、及其在电路中的作用.相对应的电路符号
应会的内容:掌握决定三极管工作状态的正向偏置电压、反向偏置电压的特点
应用技巧:通过一些简单实用电路的制作提高动手能力及增加学习兴趣
1、半导体三极管的结构、特点及类型我们知道半导体二极管没有放大作用, 充其量也只能用于整流、检波、开关、稳压等, 在需要放大的电路中它就显得无能为力了,而三极管则可以担当此重任。所谓三极管就是指对信号有放大或开关作用, 且具有三个电极的半导体器件。由本刊上期的介绍我们知道,二极管是由一个户N 结构成的, 而三极管则由两个P N 结构成, 共用的一个电极是三极管的基极( 用字母b表示)。其他两个电极就是集电极( 用字母c 表示)和发射极( 用字母e 表示) , 由于两
个PN 结的组合方式不同, 故三极管有NPN 型和PNP型两种类型, 这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补,
所谓OTL 电路中的对管就是由PNP 型和NPN 型配对使用。三极管的内部结构及电路符号如图, 及2 所示。
图1 ( a) 所示三极管是NPN 型三极管, 对应的( b) 图是它的电路符号. 符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。同样图2( a)、(b) 所示分别为PNP型三极管的内部结构和电路符号。三极管在电路中常用字母丁或VT来表示。
2、三极管的分类及命名方法
(1) 三极管分类
三极管的种类很多, 按导电极性分有PNP和NPN 两种类别外, 按制造三极管材料分有硅管和锗管;按工作频率分, 有高频管和低频管; 按功率大小分有大功率、中功率及小功率三极管; 按封装形式分, 有金属封装和塑料封装;按用途不同分: 可分为放大管和开关管等; 按制造工艺分, 有合金管和平面管。常见三极管的外形如图3 所示。
图3 (a)是塑料封装(b) 是金属封装小功率管, 图(c) 金属封装大功率管
( 2) 三极管命名
电子制作中常用的三极管有9 0 x x 系列, 如: 低频小功率硅管9 0 1 3《N P N )、9 0 1 2 《P N P ) ; 低噪声管90 1 4( N P N ) ; 高频小功率管9 0 1 8(N P N )。国产三极管的命名规则是: 名称的第一个数字3 表示三极管。第二部分表示器件的材料和结构. 如A 表示PNP型锗材料; B 表示N P N 型锗材料: C 表示P N P型硅材料;D 表示NPN 型硅材料, 第三部分表示功能, 其中U 表示光电管; K表示开关管; X 表示低频小功率管; G 表示高频小功率管; D 表示低频大功率管; A 表示高频大功率管。另外,3DJ 型为场效应管, BT开头的表示半导体特殊元件等。
3、三极管的工作状态及在电路中的作用
三极管根据所加偏置电压的不同.有放大、截止、饱和这三种工作状态。当发射结加正向偏压, 集电结加反向偏压时, 三极管工作在放大状态。当发射结和集电结都加正向偏压时, 三极管工作在饱和状态当发射结和集电结都加反向偏压时, 三极管工作在截止状态. 当三极管在正常放大状态时, 硅管的U , 电压约为O.7V , 锗管的U , 电压约为0.3V。
在模拟电路中, 三极管最基本的功能之一就是在电路中对信号进行放大,衡量其放大能力的重要参数就是电流放大系数日, 当三极管的基极上加入一个微小的电流时, 在集电极上可以得到一个放大了p 倍的集电极电流, 由基极电流很小的变化而引起集电极电流很大变化的能力, 这就是三极管的放大作用。
三极管另一个重要功能就是利用它固有的开关特性在电路中作为开关使用, 在数字逻辑电路中, 三极管被作为开关元件工作在饱和与截止两种状态, 相当于一个由基极信号控制的无触点开关, 晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的开关特性。
4三极管极性判别:
以下内容要求大家掌握的皿点是:懂得三极管的在电路中二种基本的工作状态、三极管型号的识别、极性判别,好坏识别等。
(1)、判定基极: 用指针式万用表R x100 或R x lk 挡测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极. 而第二根表笔先后接触另外两个电极测得的阻值均很低时, 则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时, 要注意万用表表笔的极性, 如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时, 测得的阻值都较小, 说明被测三极管为P N P 型管; 反之若黑表笔接的是基极b , 红表笔分别接触其他两极时, 测得的阻值较小, 则被测三极管为N p N 型管。
(2)、判定集电极和发射极: (以PNP为例) 将指针式万用表置于R x 100或Rx lk 挡, 红表笔基极b , 用黑表笔分别接触另外两个管脚时, 所测得的两个电阻值会是一个大一些, 一个小一些。在阻值小的一次测量中, 黑表笔所接管脚为集电极; 在阻值较大的一次测量中,黑表笔所接管脚为发射极。
本内容学习的难点是: 三极管的极I性测量, 所以要求大家多实践, 从而掌握其中的测量技巧。
5、三极管的应用:
在实际制作中, 常用的三极管有放大管、光敏三极管及开关三极管等, 下面通过一些例子向大家介绍这些三极管的实际用途。
本内容要求大家掌握的重点是: 懂得各种三极管的性能、用途, 通过下面的一些简单例子, 达到举一反三的效果. 并自己动手把这些小制作完成。
( 1)三极管在电路中作信号放大用
三极管的放大作用就是: 集电极电流受基极电流的控制, 并且基极电流很小的变化, 会引起集电极电流很大的变化, 且集电极电流的变化量是基极电流变化量的p倍, 即电流变化被放大了p 倍, 所以我们把p 叫做三极管的放大倍数( 日一般远大于1, 例如几十, 几百倍)。如图4 所示是基本的三极管放大电路, 被放大的信号Vi 从基极输入,经三极管1T 放大后从集电极输出到负载电阻R。, 图4 中C l 和C Z 是信号耦合电容。
三极管在实际的放大电路中使用时, 还需要加合适的偏置电路。即开始时用电阻器分配好三极管的各极直流电压,这种电路叫做偏置电路,如图4 中Ec电压就是通过Rb、R c 电阻为三极管各极提供合适的工作电压。加上偏置电路后, 事先让基极和集电极有一定的电流, 改变R匕电阻值可改变放大电路集电极电流。
( 2) 三极管在电路中作开关管用如图4 中, 当三极管基极电流不断增大, 集电极电流不可能继续增大时,三极管就进入了饱和状态。进入饱和状态后, 三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小, 可以理解为一个开关闭合了。当基极电流为O 时, 三极管集电极电流为O , 这时三极管截止, 相当于开关断开, 这样我们就可以把三极管当作开关使用, 如果三极管主要工作在截止和饱和状态, 那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
如果我们在图4 中将电阻Rc 换成一个小灯泡, 那么当基极电流为O时, 集电极电流为O , 灯泡灭。如果基极电流从O 慢慢增加, 那么小灯泡的亮度也会随之增加(在三极管未饱和之前)。
三极管开关电路如图5 所示,注意三极管e、b、c 三个管脚及发光二极管的极性不要接错。R1是三极管基极的偏置电阻, 电阻R2有限流作用,也是三极管集电极的负载电阻. 发光二极管O作指示管, 三极管下作开关使用,电池E供电。若在输入端1、2 处有信号输入,三极管基极有偏置电流使三极管导通发光二极管O 发光。若1、2 端没有信号输入, 三极管截止, 发光二极管O 不发光。
( 3 )光电三极管的用途
硅光电三极管是一种将光信号转变为电信号的半导体器件, 由它组成的光电开关不仅体积小、寿命长和抗干扰能力强, 而且还具有无触点输入和输出等优点, 故被广泛地应用在工农业生产、国防军事及日常生活等领域中。
光电三极管具有测量及传输光亮度信号的作用, 与发光二极管配合使用作为信号接收装置。常见的有光电祸合器, 内部电路结构如图6 所示。
光电祸合器主要由光发射( 发光二极管)部分、光接收及信号放大( 由光电三极管完成)部分组合而成, 输入的电信号加到器件的输入端, 使发光二极管V1 发光, 光电三极管V Z 受到光照后在输出端输出光电流, 再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换。光电祸合器的主要优点是: 信号单向传输, 输入端与输出端具有良好的隔离作用, 输出信号对输入端无影响, 抗干扰能力强, 工作稳定, 无触点, 使用寿命长, 传输效率高。被广泛用于电气绝缘、级间祸合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中, 利用线性光祸合器可构成光祸反馈电路, 通过调节控制端电流来改变占空比, 达到精密稳压目的。