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电子元件详解

山 川

三极管

三极管,全称为半导体三极管,也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号, 也用作无触点开关。

三极管,是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种。

PNP与NPN

三极管引脚

NPN三极管原理图

PNP三极管原理图

常见的三极管为9012、s8550、9013、s8050.单片机应用电路中三极管主要的作用就是开关作用。

其中9012与8550为pnp型三极管,可以通用。

其中9013与8050为npn型三极管,可以通用。

区别引脚:三极管向着自己,引脚从左到右分别为ebc,原理图中有箭头的一端为e,与电阻相连的为b,另一个为c。箭头向里指为PNP(9012或8550),箭头向外指为NPN(9013或8050)。

辨别三极管类型及三个电极

  1. 用指针式万用表判断 基极b 和三极管的类型:将万用表欧姆挡置R × 100R×1k处,先假设三极管的某极为基极,并把黑表笔接在假设的基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧 ),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管;
    同上,如果两次测得的电阻值都很大( 约为几千欧至几十千欧 ), 则假设的基极是正确的,且被测三极管为 PNP 型管。
    如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为“基极”,再重复上述测试。
  2. 判断 集电极c 和 发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置R × 100R × 1k处,以 NPN 管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住bc极 ( 不能使b、c直接接触 ), 通过人体,相当 b、C 之间接入偏置电阻 , 读出表头所示的阻值 , 然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小 , 说明原假设成立,因为 c、e 间电阻值小说明通过万用表的电流大,偏置正常。
  3. 用数字万用表测二极管的挡位也能检测三极管的PN结,可以很方便地确定三极管的好坏及类型,但要注意,与指针式万用表不同,数字式万用表红表笔为内部电池的正端。
    例:当把红表笔接在假设的基极上,而将黑表笔先后接到其余两个极上,如果表显示通(硅管正向压降在 0.6V 左右),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管。数字式万用表一般都有测三极管放大倍数的挡位(hFE),使用时,先确认晶体管类型,然后将被测管子 e、b 、c三脚分别插入数字式万用表面板对应的三极管插孔中,表显示出 hFE 的近似值。

三极管的工作原理

三极管是电流放大器件,有三个极,分别叫做集电极C,基极B,发射极E。分成 NPN 和 PNP 两种。我们仅以 NPN 三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

一、电流放大

下面的分析仅对于NPN型硅三极管。
如上图所示,我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic
这两个电流的方向都是流出发射极的,所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。

三极管的放大作用就是:集电极电流基极电流的控制(假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话),并且基极电流很小的变化,会引起集电极电流很大的变化,且变化满足一定的比例关系:集电极电流的变化量是基极电流变 化量的β倍,即电流变化被放大了β倍,所以我们把β叫做三极管的放大倍数(β一般远大于1,例如几十,几百)。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间,这就会引起基极电流Ib的变化,Ib的变化被放大后,导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的,那么根据电压计算公式U=R*I可以算得,这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来,就得到了放大后的电压信号了。

二、偏置电路

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。
这有几个原因。

  1. 由于三极管 BE结 的非线性(相当于一个二极管),基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生(对于硅管,常取0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时,基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小,如果不加偏置的话,这么小的信号就不足以引起基极电流的改变(因为小于0.7V时,基极电流都是0)。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流(叫做偏置电流,上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的,所以它被叫做基极偏置电阻),那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时,小 信号就会导致基极电流的变化,而基极电流的变化,就会被放大并在集电极上输出。
  2. 输出信号范围的要求,如果没有加偏置,那么只有对那些增加的 信号放大,而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0,不能再减小了)。而加上偏置,事先让集电极有一定的电流,当输入的基极电流变小时,集电极 电流就可以减小;当输入的基极电流增大时,集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

三、开关作用

下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图,因为受到电阻 Rc 的限制(Rc是固定值,那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压),集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大,不能使集电极电流继续增大 时,三极管就进入了饱和状态。
一般判断三极管是否饱和的准则是:Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后,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。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用:
当基极电流为0时,三极管集电极电流为0(这叫做三极管截止),相当于开关断开;
当基极电流很 大,以至于三极管饱和时,相当于开关闭合。

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。

四、工作状态

如果我们在上面这个图中,将电阻Rc换成一个灯泡,那么当基极电流为0时,集电极电流为0,灯泡灭。
如果基极电流比较大时(大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数 β),三极管就饱和,相当于开关闭合,灯泡就亮了。
由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了,所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加,那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前)。

LED 发光二极管

发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

工作原理

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线。

光的强弱与电流有关,它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以限制通过二极管的电流。它的反向击穿电压大于5伏。

主要分类

依据光源可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。

LED的控制模式有恒流和恒压两种,有多种调光方式,比如模拟调光和PWM调光,大多数的LED都采用的是恒流控制,这样可以保持LED电流的稳定,不易受VF的变化,可以延长LED灯具的使用寿命。

依据外形可分为贴片与直插方式。

直插

依据灯珠的宽度可分为 3mm(F3)、5mm(F5)、8mm(F8)、10mm(F10)。
依据形状分为草帽与圆头两种形状,区别是一个散光一个聚光。
草帽的发光角度为120度,散光效果好;
圆头形的发光角度为15~30度,聚光,光照强度高。

草帽
圆头

U/I

黄 电压: 1.9-2.1V 波长:588-590
红 电压:2.0-2.2V 波长:620-625
绿 电压:2.8-3.2V 波长:519-522
蓝 电压:2.8-3.2V 波长:460-465
白 电压:2.8-3.2V 无波长

I 最大为 20ma,但实际取值一般为 10ma~15ma。


References:
未做引用记录

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