晶体管电路的应用教材.ppt

模块三模块三晶体管电路的应用晶体管电路的应用任务一任务一认识晶体管及特性认识晶体管及特性单元目标：熟悉晶体管的结构和符号表达；单元目标：熟悉晶体管的结构和符号表达；掌握晶体管的输入输出特性；掌握汽车晶掌握晶体管的输入输出特性；掌握汽车晶体管的型号体管的型号(xngho)命名；熟练掌握晶体命名；熟练掌握晶体管的简易测试方法管的简易测试方法 第一页，共31页。活动一 认识晶体管的结构和符号(fho)晶体管类似于两个背靠背连接的二极管，通过图1-21的实物形状请你想一想怎样把两个PN结画在一起。图1-21 晶体管 图1-22晶体管结构(jigu)和符号 第二页，共31页。知识链接知识链接晶体管也称为晶体三极管，是电子电路中最重要的器件。它最王要的晶体管也称为晶体三极管，是电子电路中最重要的器件。它最王要的功能是电流放大和开关作用，配合其他元件还可以构成振荡器等。功能是电流放大和开关作用，配合其他元件还可以构成振荡器等。三极管由两个三极管由两个PN结构成，具有结构成，具有3个电极。共用的一个电极为三极管个电极。共用的一个电极为三极管的基极的基极(用字母用字母b表示表示)，其他的两个电极为集电极，其他的两个电极为集电极(用字母用字母c表示表示)和发和发射极射极(用字母用字母e表示表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的型的三极管，三极管，一种是一种是PNP型的三极管。三极管的符号中有一个箭头的电型的三极管。三极管的符号中有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是型三极管，而箭头朝内的是PNP型。型。实际上箭头所指的方向就是电流的方向，如图实际上箭头所指的方向就是电流的方向，如图1-22所示。所示。三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。例如，按工三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。例如，按工作频率分有低频、中频、高频、超高频；按功率分有小功率、中功率、作频率分有低频、中频、高频、超高频；按功率分有小功率、中功率、大功率等；按材料分有硅管、锗管；接工艺分有平面型、台金型等；大功率等；按材料分有硅管、锗管；接工艺分有平面型、台金型等；按封装分有塑料按封装分有塑料(slio)封装、金属封装等；按载流子数目分有双极封装、金属封装等；按载流子数目分有双极型、单极型等。型、单极型等。第三页，共31页。活动二 认识(rn shi)晶体管的特性和基本工作原理 图1-23 晶体管的特性(txng)第四页，共31页。晶体管和二极管工作时一样，是由N型材料提供自由电子、P型材料提供空穴从而来传导电流。基极控制决定了晶体管的通断，如图1-23所示，控制电流类似于水龙头工作方式控制主要电路。在基极上施加合适的电压和正确的极性时才能传导电流。三极管的基极和发射极之间有一个小电流流通时，主要的电路电流将穿过晶体管的另外两个部分：发射极e和集电极c，将三极管接通，使得一个较大的电流可以从集电极流向发射极。如果基极电流被断开(dun ki)，那么从集电极到发射极的电流也将被断开(dun ki)。控制基极的电流称为控制电流，控制电流须高于一定值才能断开(dun ki)或者接通晶体管。控制电压又叫门电压，对锗二极管必高于03 V，硅二极管必须高于06 V。晶体管这时的作用就象开关一样，因此称之为晶体管的开关作用。第五页，共31页。晶体管以微小电流流过基极，控制较大电流导通发射极和集电极，好像把电流放大的作用，我们称之为晶体管的放大作用。大多数的晶体管都具有放大功能，例如，在一个(y)PNP晶体管里，如果基极电压高于发射极电压(大概O6 v或者更多)，电流将从集电极流向发射极。然而，随着基极电流的增加，从集电极到发射极的电流也会相应增加直到达到一个(y)饱和点。基极到发射极的电流和集电极到发射极电流之间的比率称为晶体管增益，用希腊字母来表示，增益()=ICEIBEICE集电极到发射极电流 IBE 基极到发射极电流。若基极到发射极电流是49A，集电极到发射极电流是7.4mA，那么晶体管增益是=0.0074/0.000049=151,即流经晶体管集电极和发射极的电流是流经晶体管基极电流的100200倍。第六页，共31页。知识链接知识链接(lin ji)晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 图1-24晶体管特性(txng)曲线 第七页，共31页。晶体管的特性曲线是描绘(miohu)晶体管各电极电压和电流之间关系的曲线，是晶体管内部性能的外部表现。典型晶体管的特性曲线如图1-24所示。(1)输入特性曲线输入特性曲线是指集一射极间的电压为常UCE数时，输入回路中基极电流如与加在基一射极间的电压UBE之间的关系曲线，如图1-24(a)所示，其特点如下：当UCE=0时，晶体管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似，iB与UBE之比也是非线性关系。当UBE=1V时，曲线右移。可见，UBE对iB有一定的影响。当UCE1V时，其曲线与UCE=1 V时的曲线很接近，因此一般用UCE=1 V时的输入特性曲线代替UCEl V时的特性曲线。晶体管的输入特性曲线与二极管伏安特性曲线一样，也有导通电压(硅管约0.5 V，锗管约0.2 V)，只有UBE大于导通电压时晶体管中才会出现iB。当硅管的UBE接近07 V，锗管的UBE接近0.3 V时，电压稍有增高，电流就会增大很多。为避免UBE过大导致iB剧增而损坏管子,所以常在输入回路中串接限流电阻。第八页，共31页。(2)输出特性曲线 输出特性曲线是指基极电流如为常数时，输出电路中集电极电流iC与集-射极间电压(diny)UCE之间的关系曲线，如图1-24(b)所示。输出特性曲线是一组曲线簇，晶体管有三个不同的工作区。1)截止区 iB=O曲线以下的区域(阴影部分)称为截止区。该区域的主要特点是：iB=0、iC=iCEO(穿透电流)，UCE=UCC(RC上无压降)，相当于集-射极间断开。实验证明：当晶体管的发射结反偏或零偏时,管子就截止，即处于截止状态。2)饱和区曲线左侧的阴影部分，即iC近于直线上升的区域称为饱和区。该区域的主要特点是iC。不随iB的增大而增大，只取决于RC和UCC的大小，即ic=UCC/RC。饱和时管子呈低阻状态，UCE很小(小于1 V)，集-射极间相当于短路。实验证明：当晶体管的发射结和集电结都处于正偏时，管子就工作在饱和区，即处于饱和状态。3)放大区 iB=0的那条曲线以上的各条曲线间隔均匀，此区域称为放大区(也称线 性区)。该区的特点是：当iB增大时，相应的iC也增大，而与UCE基本无关，而且iC比iB的增加大得多。实验证明：当晶体管发射结正偏、集电结反偏时，管子就工作在放大区，即处于放大状态。第九页，共31页。活动三 晶体管电路的简易测试晶体管的质量、性能、类型及管脚判别，可用万用表的电阻挡(zdng)进行简易测试。请你根据下面的示意图1-25来测试晶体三极管 图1-25 晶体管极性判别(pnbi)第十页，共31页。1管脚和类型判别 (1)确定基极和类型用万用表的两根表棒分别对晶体管的三个管脚中的任意两个进行正接测量和反接测量各一次，如果在正、反接时测得的电阻(dinz)均较大，则此次测量中所空下的管脚即为基极。因为不论是NPN还是PNP型晶体管，都可以把它们的发射结和集电结等效为两个背靠背连接的二极管，当万用表的一根表棒和基极相接而另一表棒和其他任一极相接时，则在正、反接的过程中总有一次测得的是二极管的正向电阻(dinz)，其值很小。当万用表的两根表棒和集电极及发射极相接时，不论是正接还是反接，总是一个正向电阻(dinz)和一个反向电阻(dinz)相串联，其阻值必然远大于一般二极管的正向电阻(dinz)。当基极判定后，可用黑表棒(表内电池的正极)接到基极，用红表棒(表内电池的负极)分别和另外两个极相接，若测得的两个阻值都很小，则为NPN型管；反之则为PNP型管。第十一页，共31页。(2)集电极和发射极的判断(pndun)在基极判定之后，可把其余两个管脚中的任一个假定为集电极。通过一个100 k的电阻把假定的集电极和已测得的基极接通，如果是NPN型晶体管，则以万用表的黑表棒接到假定的集电极；红表棒接到假定的发射极(见图1-26)，这时从万用表上读出一个阻值。而后把第一次测量中所假定的集电极和发射极互换，把万用表的黑表棒接到第二次所假定的集电极上，进行第二次测量。在两次测量中，测得阻值小的那一次与黑表棒相接的极便是集电极,图5-24可以清楚地说明上述关系。在图1-26a中因为有基极电流IB，所以IC较大，晶体管呈现的电阻小，这时假定的集电极是正确的。而在图1-26b中，因晶体管不能导通，故呈现的阻值较大，此时所假定的集电极实际上是发射极。第十二页，共31页。图 1-26晶体管极性测试(csh)2管子(gun zi)好坏的粗略判别 根据晶体管内PN结的单向导电性，可以判别测量B、E极间和B、C极间PN结的正、反向电阻。如果正、反向电阻相差较大，说明管子(gun zi)基本上是好的。如果正、反向电阻都很大，说明管子(gun zi)内部有断路；如果正、反向电阻都很小或为零，说明管子(gun zi)极间短路或击穿。第十三页，共31页。任务二任务二晶闸管的结构晶闸管的结构(jigu)和特点和特点单元目标：单元目标：熟悉晶闸管的结构熟悉晶闸管的结构(jigu)和符号表达；和符号表达；掌握晶闸管的特性；学会晶闸管的简单测试方法掌握晶闸管的特性；学会晶闸管的简单测试方法 活动一活动一认识晶闸管的结构认识晶闸管的结构(jigu)和符号和符号 图 1-27 晶闸管 如图1-27有一种类似于三极管的半导体元件，我们(w men)称之为晶闸管。晶闸管过去称可控硅，全称为晶体闸流管，是一种“以小控大”的功率(电流)型器件。晶闸管能像闸门一样，控制大电流的流通而由此得名。晶闸管看似两个头尾相连的二极管组成，是由PNPN四层半导体构成的元件。它有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G。第十四页，共31页。请你通过以上图片和文字描述，试着画一下晶闸管的结构(jigu)和符号。晶闸管结构(jigu)和符号如图1-28所示。图 1-28 晶闸管结构(jigu)和符号 第十五页，共31页。小帖示小帖示晶闸管在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、寿命长、可靠性好及使用方便等优点，应用领域十分广泛，在家电、电子测量、工业自动化设备中都可见到它们。现在许多初级电子制作，如交流无触点开关、调光、调速、调压、控温、控湿及稳压等也采用了晶闸管。晶闸管按特性分类可分为单向的和双向的，单向的有MCR-100等，双向的有TLC336等。第十六页，共31页。活动二 晶闸管的特性1、反向(fn xin)阻断将晶闸管的阴极接电源的正端，阳极通过白炽灯HL接UAA的负端(此回路称为主回路)，然后将控制极通过开关SA接电源UGG的正端，阴极通过保护电阻R接的负端(此回路称为触发回路)。这时，不管开关SA闭合与否，白炽灯HL始终不亮。这说明当晶闸管接反向电压时，不管控制极是否加上正向(zhn xin)电压，它都不会导通而处于阻断状态，这种阻断状态称为反向阻断状态，如图1-29所示。图1-29 晶闸管反向(fn xin)阻断 2、正向阻断 图1-30 晶闸管的正向阻断 当晶闸管加上正向电压时，如果开关SA不闭合，灯也不亮。这就说明晶闸管尽管加上正向电压，但控制极未加正向电压时，也不会导通而仍处于阻断状态。这种阻断状态称为品闸管的正向阻断状态，如图1-30所示。第十七页，共31页。3、正向导(xingdo)通晶闸管加上正向电压的同时，合上开关SA，使其控制极也加上正向电压，灯才被点亮。若在灯亮后，把开关SA断开，则灯将继续点亮，如图1-31所示。由此可见，在阳极加上正向电压的同时，控制极也必须加上正向电压，晶闸管才能(cinng)导通。然而晶闸管一旦导通后，其控制极便失去了控制作用。晶闸管导通时，阳极与阴极之间的正向压降很小，约为l V。晶闸管导通后，将阳极电流减小到一定程度，晶 闸管可由导通状态变为截止状态。由此可见，要维持晶闸管导通，它所通过的阳极电流必须在一定值以上。这个电流值就称为晶闸管的维持电流。因此，要关断已经导通的晶闸管，可以把阳极电压切除或反向。这时晶闸管的阳极电流迅速降低到维持电流以下，晶闸管也就关断了 第十八页，共31页。认真学习晶闸管的特性，再按以上认真学习晶闸管的特性，再按以上(yshng)三三张图自己动手连接一下，看看理论是否被验证。张图自己动手连接一下，看看理论是否被验证。晶闸管的特性：晶闸管的特性：当控制极不接电压时，阳极接反向电压或接正向电压都不导通。当控制极、阳极与阴极同时接正向电压时，晶闸管就会导通，而一旦导通后控制极电压无论有否或极性反向都不会使晶闸管关断。如果要关断晶闸管，需要把阳极电压降到某一临界值或反向。第十九页，共31页。活动三用小电珠简易测试晶闸管请你按图1-32准备好实验器材(qci)进行接线测试。图1-32 电珠(dinzh)测试晶闸管 图中VT为被测试的晶闸管。开关SA未合上时，指示灯不应亮，否则表明管子阳极和阴极之间已短路。合上开关SA指示灯亮，再断开开关SA，指示灯仍然亮，表明管子工作(gngzu)正常，可以使用。否则可能是控制极已损坏或阳、阴极已击穿而断路。第二十页，共31页。小帖示小帖示晶闸管使用注意事项(1)在选择晶闸管额定电压、电流时应留有足够的安全余量。(2)应有过电流、过电压保护和限制电流、电压变化率的措施。(3)晶闸管的散热系统应严格遵守规定要求，使用中若冷却系统发生故障，应立即停止使用或将负载减小到额定值的三分之一，作短时应急使用。(4)严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。第二十一页，共31页。任务三晶体管在汽车上的应用单元(dnyun)目标：熟悉晶体管的开关电路；掌握晶体管放大电路；掌握晶闸管的控制电路活动一晶体管的开关电路请先根据前面所学的晶体管知识，分析图1-33的晶体管在电路中如何工作的。（a）晶体管基本(jbn)开关电路 提示：图1-33（a）中晶体管V是开关元件；-UBB和Rb是为了保证当输入为低电位时晶体管能可靠地截止而设置的；Rb是集电极限流电阻，用以限制集电极电流(dinli)，使之不超过晶体管允许的ICM；RK是基极限流电阻。设输入电压为矩形波，其高电位为3 V，低电位为O V。第二十二页，共31页。图 1-33（b）输入与输出(shch)波形 工作原理 当输入为低电位(Ui=0 V)时，基极电源-UBB经Rk和Rb分压，使基极电位为负(即UBE0)，发射结处于反向偏置，保证了晶体管可靠地截止(jizh)，此时输出为高电位(u0UCC)；当输入为高电位(ui=3 V)时，输入信号经Rk和Rb分压，使基极电位为正，发射结处于正向偏置。如果Rk和Rb选择得适当，晶体管能获得足够大的基极电流，满足ibIBS的条件，使晶体管由截止(jizh)状态变为饱和状态。此时输出为低电位(u00)。从以上的分析可见，当输入为低电位(din wi)时，输出为高电位(din wi)；当输入为高电位(din wi)时，输出为低电位(din wi)。输入与输出的波形如图1-33（b）所示。由于输入与输出的相位相反，所以又称为反相器。又因为它相当于一个没有机械触点的开关，所以又称为无触点开关。第二十三页，共31页。活动二晶体管的放大电路晶体管的放大特性(txng)其实是“以小带大、以小控大”，即基极小电流控制集电极与发射极导通，请试分析图1-34电路中的晶体管是如何工作的?图 1-34 晶体管放大电路的三种连接(linji)方式 第二十四页，共31页。图1-34是基本的低频小信号放大(fngd)电路，它由晶体管、电阻、电容和直流电源组成。电路中，晶体管VT起电流放大(fngd)作用；电阻RB叫基极偏置电阻，为晶体管提供合适的电流(也称偏流)，以保证放大(fngd)电路处于合适的工作状态；集电极电源UCC的作用有两个：一是为放大(fngd)电路提供能量，二是保证晶体管发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置；集电极电阻RC，一方面给集电极提供合适的直流电位，另一方面通过它将集电极电流的变化转换成电压的变化，以实现电压放大(fngd)；电容C1、C2称为隔直耦合电容，起传送交流信号、隔断直流信号的作用。第二十五页，共31页。小帖示达林顿管小帖示达林顿管 如图所示复合晶体管包含两个连接在一起的晶体管，这种组合可以用非常小的电流控制大电流。复合晶体管组又叫达林顿管，它是根据美国贝尔实验室的物理学家西得尼达林顿(19291971年)的名字而命名的。达林顿放大器电路普遍用于电子(dinz)点火系统、发动机电脑控制电路和许多其他的电子(dinz)应用场合。第二十六页，共31页。活动三晶闸管在汽车电路中的应用晶闸管在汽车电路中应用较广，特别是在电容储能电子点火系统中最为典型。图1-35所示的就是该点火系统的原理，其中主要组成部分有：1.直流升压器 作用是将电源的低压直流电变为300500 V的高压直流电，以便给储能电容充电。2.储能电容用来储存点火所需的能量，并通过点火线圈初级绕组放电(fng din)在次级绕组中感应出火花塞跳火所需的高压电动势。储能电容容量一般为O.52A 3.晶闸管起开关作用，控制点火线圈初级电路的通断。4.触发器用来产生点火信号，触发晶闸管导通。5.点火线圈将储能电容300500 V的低压电转变为20-30kV的高压电，为火花塞提供工作电压。第二十七页，共31页。图 1-35 晶闸管在电容储能式电子点火系统中应用(yngyng)1-蓄电池；2-点火开关；3-晶闸管；4-储能电容；5-点火线圈；6-分电器；7-触发器；8-火花塞第二十八页，共31页。接通点火开关，直流升压器工作，把蓄电池12 V直流低压电转换300500 V的高压直流电。当晶闸管3关断时，由直流升压器输出的300500 V的直流电向储能电容4充电，由于充电回路电阻很小，电容器电压迅速升高，充电电流迅速减小，电容器电压接近升压器输出电压。同时(tngsh)电容器两端的电压通过搭铁和点火线圈初级绕组加在晶闸管的阳极和阴极之间，使晶闸管阳极和阴极之间承受正向电压。当触发器输出的信号使晶闸管的控制极和阴极之间承受正向电压时，晶闸管阳极和阴极导通。储能电容4通过晶闸管3向点火线圈的初级绕组放电，由于初级绕组电流急剧升高，在点火线圈次级绕组中就感应出很高的电动势。当点火线圈次级绕组中的感应电动势高于火花塞击穿电压时，火花塞间隙击穿、跳火。随着火花塞跳火，储能电容电压迅速下降，直流升压器因输出端被点火线圈初级绕组短路而无输出，当储能电容电压低于一定值时，晶闸管因阳极和阴极之间的电压过低由导通转变为截止(注意：为了保证晶闸管截止后不会马上导通，触发器在触发晶闸管导通后其输出信号一直使晶闸管控制极承受反向电压)。第二十九页，共31页。晶闸管截止后，切断了直流升压器和点火线圈初级绕组之间的连接，振荡器重新开始插荡，直流升压器又开始给储能电容充电，同时使晶闸管阳极和阴极之间承受(chngshu)越来越高的正向电压。直至触发器输出的信号使晶闸管的控制极和阴极之间承受(chngshu)正向电压时，晶闸管再次导通重复点火过程。说明说明晶闸管的控制极只控制晶闸管的导通，而不能控制晶闸管截止。晶闸管导通后，控制极失去对晶闸管工作状态的控制作用，晶闸管的工作状态完全由阳极和阴极之间的电压决定，只有当阳极和阴极之间的电压低于一定值(死区电压)或为负值时，晶闸管才由导通转变为截止。第三十页，共31页。单元思考与练习单元思考与练习1、请思考晶体管的特性画出三种晶体管放大、请思考晶体管的特性画出三种晶体管放大电路的连接方法。电路的连接方法。2、请简述晶闸管的工作过程。、请简述晶闸管的工作过程。3、练习：用万用表简易判断晶体管三个引脚、练习：用万用表简易判断晶体管三个引脚的极性及性能好坏。的极性及性能好坏。4、请思考设计并制作、请思考设计并制作(zhzu)简单晶体管电简单晶体管电压调节电路。压调节电路。第三十一页，共31页。