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电子技术与元器件的基础知识,第二章,电子技术与元器件的基础知识,2.1 电子元器件 2.2 元器件的修理常识,2.1 电子元器件,2.1.1 晶体二极管 1. 二极管的结构、符号、分类和型号 （1）二极管的结构、电路符号 二极管的内部结构如图2-1（a）所示。采用掺杂工艺，使锗或硅晶体的一边形成P型半导体区域，另一边形成N型半导体区域，在P型半导体与N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层，即PN结。从P区引出的电极为正极（或阳极），从N区引出的电极为负极（或阴极）。二极管一般用金属、塑料或玻璃材料作为封装外壳，外壳上印有标记便于区分正负电极。二极管的电路符号如图2-1（b）所示，箭头所指的方向为正向电流流通的方向，习惯用字母V（或D）代表二极管。,2.1 电子元器件,图2-1 （a）二极管的内部结构 （b）二极管的电路符号,2.1 电子元器件,稳压电源、收音机、电视机等电子产品中各种不同外形的二极管如图2-2所示。,图2-2 常见二极管外形图,2.1 电子元器件,（2）二极管的分类、型号 常见的二极管分类如下：按材料分为硅二极管和锗二极管；按PN结面积大小分为点接触型、面接触型和平面型；按功能分为整流、稳压、发光、光电、检波、激光和变容二极管等。各种不同类型的二极管，国内外都采用规定型号来区分。如2CW53表示硅稳压二极管，2AC1表示锗变容二极管等等。 根据中华人民共和国国家标准，半导体器件型号由五部分组成，其每一部分的含义见表2-1。 例如：2SA53表示高频PNP型三极管，1S92表示半导体二极管。,2.1 电子元器件,表2-1国产半导体器件的型号命名方法,2.1 电子元器件,由于目前欧洲各国没有明确统一的标准半导体器件型号命名法，故他们大都使用国际电子联合会的标准。例如：3AD50C表示低频大功率PNP型锗管；3DG6E表示高频小功率NPN型硅管。 根据美国电子工业协会（EIA）规定的半导体器件型号命名方法如表2-2所示。例如：1N4148表示开关二极管，2N3464表示高频大功率NPN型硅管。,2.1 电子元器件,表22美国半导体器件型号的命名法,2.1 电子元器件,日本半导体器件型号共用五部分组成，其表示方法如表2-3。,表2-3 日本半导体器件命名法,2.1 电子元器件,2. 二极管的重要特性单向导电性 (1)加正向电压导通 如果将电源正极与二极管正极相连，电源负极与二极管负极相连，称为正向偏置，简称正偏。此时二极管内部呈现较小的电阻，有较大电流通过，二极管状态为正向导通状态。 (2)加反向电压截止 如果将电源正极与二极管负极相连，电源负极与二极管正极相连，称为反向偏置，简称反偏。此时二极管内部呈现较大的电阻，几乎无电流通过，二极管状态为反向截止状态。由上可知，二极管加正偏压时导通，加反偏压时截止，即单向导电性是二极管最重要的特性。,2.1 电子元器件,3. 二极管的伏安特性 加在二极管两端的电压VD和流过二极管的电流ID之间的关系称为二极管的伏安特性，利用晶体管特性图示仪能方便地测出VD与ID关系曲线，即伏安特性曲线，见图2-3。,图2-3 二极管的伏安特性曲线,2.1 电子元器件,（1）正向特性 正向伏安特性曲线指VVIV坐标系的第一象限部分，其主要特点是： 外加电压较小时，二极管呈现的电阻较大，正向电流几乎为零，曲线OA（或OA）段称为死区，对应的死区电压值，硅管为0.5伏左右，锗管为0.2伏左右。 正向电压VV超过死区电压时，PN结内电场几乎被抵消，二极管呈现的电阻很小，正向电流ID增长很快，二极管正向导通。AB（或AB）段特性曲线陡直，VVIV关系近似于线性，此段称为导通区。导通后二极管两端的正向压降（或管压降）近似认为是导通电压。一般硅管为0.7伏左右，锗管为0.3伏左右。这个电压较稳定，几乎不随流过的电流变化。,2.1 电子元器件,（2）反向特性 反向伏安特性曲线指VVIV坐标系的第三象限部分，它的主要特点是： 当二极管承受反向电压VR时，加强了PN结内电场，使二极管呈现很大电阻，此时仅有极小的反向电流IR。曲线OC（或OC）段称为反向截止区，此处的IR称为反向饱和电流或反向漏电流。实际应用中IR越小越好。一般硅二极管的IR在几十微安以下，锗二极管的IR达几百微安，大功率二极管则更大些。 反向击穿区 当反向电压增大到超过某个值（图中C或C点），反向电流急剧增大，这种现象叫反向击穿。CD（或CD）段称为反向击穿区，C（或 C）点对应的电压叫反向击穿电压VBR。击穿后电流过大将使管子损坏，所以除稳压管外，加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压。,2.1 电子元器件,4. 二极管的主要技术参数及选择 （1）主要参数 不同类型的二极管有不同参数供选用者参考，在实际应用中最主要的参数如下： 最大整流电流IFM 又称为额定工作电流，是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。如果实际工作时的正向平均电流值超过IFM，二极管内的PN结会过分发热而损坏。不同型号的二极管IFM参数悬殊很大。一些大电流的二极管要求使用散热片，且它的IFM是指带有规定散热片条件下的参数值，选用时要注意实际工作电流要比IFM小得较多才安全。,2.1 电子元器件,最高反向工作电压VRM又称为额定工作电压，是二极管允许承受的反向工作电压峰值。为了确保二极管安全稳定工作，通常标定的VRM是反向击穿电压的1/3至1/2。 反向饱和电流IR又称为反向漏电流，指管子未进入击穿区时的反向电流，其值越小管子的单向导电性能越好。温度增加时，二极管的反向电流会急剧增大。一般硅二极管超过150、锗二极管超过90时，会因反向电流急剧增大而造成热击穿，因此使用时要注意温度对管子的影响。 最高工作频率fM是保证管子正常工作时的最高频率。二极管的PN结具有结电容，随着工作频率的升高结电容充放电的影响将加剧，进而影响二极管的单向导电性。一般小电流二极管的fM高达几百MHZ，而大电流的整流管仅有几KHZ。,2.1 电子元器件,（2）器件手册的使用 二极管类型非常多，并且有很多的参数都可从不同侧面反映管子的性能。从晶体管手册中可以查出常用国产、进口二极管的技术参数和使用资料，这些是正确使用二极管的依据。通常晶体管手册包含以下基本内容：器件型号、主要参数、主要用途和器件外形等。表2-5列举了几种典型二极管的技术参数。,2.1 电子元器件,表2-5 典型二极管的技术参数,2.1 电子元器件,2.1.2 晶体三极管 三极管的结构、分类及符号 （1）三极管的外形 半导体三极管亦称双极型晶体三极管，简称晶体管。 功率不同的三极管体积和封装形式也不一样，近年来生产 的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率管多采用金 属封装，且其外壳和散热器连成一体便于散热。常见的三 极管外形如图2-4所示。,图2-4 常见的三极管外形,2.1 电子元器件,（2）三极管的结构、符号,（a）NPN型 （b）PNP 型 图25 三极管的结构和符号,2.1 电子元器件,晶体三极管的核心是两个靠得很近的PN结，如图2-5所示。内部有三个半导体区：发射区、基区、集电区，对应的三个电极分别为发射极e、基极b、集电极c；由三个区域半导体类型的不同，三极管分为PNP型和NPN型；发射区和基区之间的PN结称为发射结IC, 基区和集电区之间的PN称为集电结IC。注意：由三极管制造工艺的特殊性知，三极管并不是两个PN结的简单组合，使用时不能用两个二极管代替，也不能将发射极和集电极对调使用。,2.1 电子元器件,（3）三极管的分类和命名 三极管的种类很多，一般有以下几种分类：按照结构工艺分为NPN 型和PNP型（目前国产的硅三极管多为NPN 型，锗三极管多为PNP型）；按所用半导体的材料分为硅三极管和锗三极管（由于硅管温度稳定性好，所以在自控设备中常用硅管）；按允许耗散的功率大小分为大功率管（耗散功率大于几十瓦）和小功率管（耗散功率小于1瓦）；按工作频率不同分为高频管（f3MHZ且高频管的工作频率可以达到几百兆赫）和低频管（f3MHZ）；按用途分为普通三极管和开关三极管等。三极管型号的具体识别方法见表2-1。,2.1 电子元器件,2. 三极管的工作电压和主要参数 三极管工作时，通常在其发射结Je上加正偏电压，在集电结Jc上加反偏电压。加在基极和发射极间的电压叫偏置电压，一般硅管为0.7V左右，锗管为0.3V左右，加在集电极和基极间的电压一般为几伏到几十伏。 三极管的种类很多，从晶体管手册中可查出三极管的型号、主要参数、主要用途和外形等，这些技术资料是正确选用三极管的主要依据。总的来说，有以下几类常用参数：,2.1 电子元器件,（1）共发射极电流放大系数 共发射极直流电流放大系数（或hFE），共发射极交流电流放大系数（或hfe），同一个三极管在相同条件下hfe略大于hFE，但应用时二者可相互代替。 （2）极间反向饱和电流 集电极基极间反向饱和电流ICBO，集电极发射极间反向饱和电流ICEO（又称穿透电流）。ICEO=（1+）ICBO。 （3）极限参数 集电极最大允许电流ICN（当IC超过ICM将下降到不能工作的地步）；集电极最大允许耗散功率PCM（PC=ICVCE超过此值三极管会过热而烧坏）；集电极发射极间反向击穿电压V（BR）CEO，当基极开路时，集射极间电压超过此值后会由电击穿导致热击穿而损坏管子。,2.1 电子元器件,3. 三极管内电流分配和电流放大作用 三极管各极电流分配关系为：IE=IB+IC其中，由于IB远小于IC，所以IEIC； 三极管具有电流放大作用：共发射极电流放大系数，=IC/IB，=IC/IB； 4. 三极管的工作特性 在模拟电路中，三极管应用较多的是共发射极电路，输入电压VBE与输入电流IB间的数量关系称为三极管的输入特性；输出电压VCE与输出电流IC间的数量关系称为三极管的输出特性；三极管的输入输出特性，统称为三极管的工作特性。三极管的输入、输出特性曲线如图26（a）、（b）。,2.1 电子元器件,（a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线 图2-6 三极管共发射极特性曲线,由三极管输入特性曲线看出：当VBE很小时，IB=0，三极管时截止的，只有在VBE大于三极管的门坎电压（硅管约0.5伏，锗管约0.2伏）后，三极管才产生IB开始导通。导通后的IB迅速增大，但VBE变化很小，此时的VBE值称为三极管工作时的发射结正向压降或导通电压值（硅管约为0.7伏，锗管约为0.3伏）。由此分析，三极管的输入特性曲线是非线性的。,2.1 电子元器件,通常把三极管输出特性曲线分成三个工作区来分析其工作状态，即放大区、截止区和饱和区。截止区是图2-6（b）中iB=0曲线下方的区域，三极管处于截止状态。在iB=0时，iC并非为零，这时电流就是穿透电流ICEO；饱和区在uCE较小的区域，此区域三极管iC不随iB增大而变化，即处于饱和状态，饱和时的uCE值称为饱和压降VCES（小功率硅管约0.3伏，锗管欲0.1伏）；放大区在截止区和饱和区之间，此区域内三极管iC受iB的控制，即iC=iB，具有电流放大作用，三极管处于放大状态。且iB一定时，IC不随VCE变化而保持恒定，这种现象称三极管的恒流特性。 由上述特性总结，三极管工作的外部条件为：当三极管的发射结正偏，集电结反偏时处于放大状态；发射结反偏（或零偏）时，处于截止状态；发射结正偏，集电结正偏时，处于饱和状态。注：工作的内部条件由三极管制造工艺决定。,2.1 电子元器件,2.1.3 晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称，又叫做可控硅。是一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层叁端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅(SCR)。结构上分为单向晶闸管、双向晶闸管、快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和光控晶闸管等，是一种大功率的半导体器件；外形上分为螺栓形、平板形和平底形。下面介绍单向晶闸管。图2-7（a）、（b）、（c）是常见单向晶闸管外形图。,2.1 电子元器件,（a）小功率 （b）中功率 （c）大功率管 图2-7 单向晶闸管外形图,2.1 电子元器件,单向晶闸管的结构和符号如图2-8（a）、（b）所示。内部结构有四层半导体区、三个PN结，外部有三个引脚即阳极A、阴极K和控制极（又称门极）G。晶闸管导通必须具备两个条件：即在阳极、阴极间加正偏压，同时在控制极和阴极间加正向触发电压。管子一旦导通后门极即失去控制作用，无论门极有无电压，管子仍然保持导通状态。关断晶闸管有两种方法：一是将阳极电压降低到足够小或瞬间反向电压；二是将阳极瞬间开路。,（a）内部结构 （b）符号 图2-8 单向晶闸管的结构和符号,2.1 电子元器件,单向晶闸管的工作原理及基本特性： 晶闸管是P1N1P2N2四层叁端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图2-9所示。,图2-9 可控硅等效图解,2.1 电子元器件,当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使ib2不断增大，如此正反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，使可控硅饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。,2.1 电子元器件,晶闸管的优点很多，例如：具有容量大、效率高、成本低、重量轻、体积小、控制灵敏等优点；以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍，可实现小信号功率对大信号功率的变换和控制；在脉冲数字电路中可作为功率开关管使用；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音等。缺点：抗干扰能力和过载能力较差，工作电路较复杂，静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。,2.2 元器件的修理常识,2.2.1 元器件的检测和故障分析 元器件的检测是维修电工的一项基本功，如何准确有效地检测元器件的相关参数，判断元器件是否正常，没有千篇一律的方法，必须根据不同的元器件采用不同的方法，从而判断元器件是否正常。特别对初学者来说，熟练掌握常用元器件的检测方法是很必要的，以下介绍常用电子元器件的检测方法供读者参考。,2.2 元器件的修理常识,2.2.1.1 二极管的检测和故障分析 从外形上判断二极管管脚如图2-10所示。,阴极,阳极,图2-10普通整流管（1N4007型）管脚图,2.2 元器件的修理常识,可以用晶体管特性图示仪对二极管作较准确的测量。为操作方便，基于二极管的单向导电性原理，实践中常用万用表来检测判别其管脚和性能。操作如下： 先将万用表调至欧姆挡的R1K或R100（此时黑表笔接内部电池的正极，红表笔接内部电池的负极）；然后将万用表的红、黑表笔分别接到二极管两端，若测得电阻较小（几千欧以下），再将红、黑表笔对调后接于二极管两端时，测得的电阻较大（几百千欧），则可判断该管质量较好，且测得电阻较小的那次黑表笔接的是二极管的阳极。 故障分析：若上述检测中二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，表明管子内部短路；若测得二极管的正、反向电阻都很大，表明内部已断路。,2.2 元器件的修理常识,实用时根据情况也可用其他方法，举例如下： （1）检测1N400型二极管 平时装配和检修各类电子电器的整流电源时，1N400型二极管的应用是相当多的。检测二极管性能采用电筒电路，能迅速地判断其好坏。让电池的正极先、后接二极管两脚，如果电珠一次发出微弱光，另一次不发光，则电珠发光那次电池正极处接的是二极管阳极，不发光的那次是二极管的阴极，同时也说明该二极管性能良好；如果电池正极碰触二极管任一脚小电珠都能发光，说明此二极管内部已短路；若电珠都不亮，则二极管内部已断路。注意：此法不能确定二极管的耐压。,2.2 元器件的修理常识,（2）检测发光二极管 发光二极管因其工作电压低，所以用电筒电路能直观地判断其性能和质量好坏。如果将待测发光二极管跨接入电路后发光二极管不点亮，而将其调换极性后再次接入电路时，发光管微微发光，那么证明该管性能良好，同时可以判断发光管与电池负极相接的管脚即为发光管的负极，另一脚为正极。但如果通过上述两次接入电路二极管均不发光点燃，则说明该管已坏。但反过来说，如发光管两次接入电路，虽然发光管均不亮，但电路中的小电珠却已闪亮发光，则说明该发光管内部已击穿导通。,2.2 元器件的修理常识,（3）检测光电二极管 光电二极管是一种能把光照强弱的变化转换为电信号的半导体器件。其顶端有一个能射入光线的窗口，光线通过窗口照射到管芯上，在光的激发下，光电二极管产生大量“光生载流子”，光电二极管的反向电流大大增加使内阻减小。常用的光电二极管为2CU、2DU型。其正向电阻不随光照强弱而变化（约为几千欧）；反向电阻在无光时约200K，受光照射时光线越强反向电阻越小，小到几百欧，去除光照反向电阻立即恢复到无光时的阻值。根据上述原理用万用表检测即可。,2.2 元器件的修理常识,2.2.1.2 三极管检测和故障分析 普通三极管的管脚排列如图2-11所示。,图211普通三极管的管脚图,可以用晶体管特性图示仪对三极管作较准确的测量。为操作方便，基于三极管的内部结构（“三区两结”），常用万用表来检测判别其管脚及性能。操作如下：对于功率在1W以下的中小功率三极管，可用万用表的R1K或R100挡测量，对于功率在1W以上的大功率三极管，用万用表的R10或R1挡测量。,2.2 元器件的修理常识,1. 用万用表判别管脚和管型 第一步：判别基极和管型 用黑表笔接触某一管脚，用红表笔分别接触另两个管脚，用此方法几次试探，如表头电阻读数都很小，则与黑表笔接触的管脚是基极，同时可确定为NPN型三极管；若用红表笔接触某一管脚，用黑表笔分别接触另两个管脚，如表头读数都很小，则与红表笔接触的管脚是基极，同时可确定为PNP型三极管。 第二步：判别发射极e和集电极c以NPN型三极管为例，当基极确定后，假设余下的两脚中的一脚是集电极，将黑表笔接到此脚上，红表笔接到余下的假设发射极上，用稍潮湿的手捏在基极和假设的集电极之间（注意：b、e极不要相碰），观察并计下此时的阻值。再把两脚作相反假设，用同样的方法测试并计下阻值。比较两次读数大小，则阻值小的那次黑表笔接的就是NPN管的集电极c，余下的一脚便是发射极e。判别PNP型三极管方法同上，但必须把上述表笔极性对调一下测试。 估测三极管的电流放大系数 把万用表拨到相应的欧姆挡，测量集电极与发射极间的电阻，再用潮手捏在基极b与集电极e之间（潮手代替基极偏置电阻RB，约100K左右），观察指针摆动幅度大小，摆动越大则越大。,2.2 元器件的修理常识,2. 用万用表直接测量 一般的万用表都有测的功能，将万用表拨到HFE挡，三极管插入测试孔中即可从刻度盘上直读值。若c、e极未知，只要将c、e对调以下测两次，指针偏转较大的那次插脚正确，且从表插孔旁边标记即可判别出c极和e极。 实践小经验：对于常用的小功率三极管而言，如9013、9014等三极管，也可以利用电筒电路，快速地粗测其性能判断好坏。将电路中的电池正极接三极管的基极，电池的负极分别碰触三极管的集电极与发射极。如果在碰触集电极时电珠即发光呈暗红色亮光，而碰触发射极时电珠也发亮光，则证明该管性能基本良好。若碰触集电极或发射极时，只有其中一次电珠不亮，则说明该管的一个电极存在断路。但当电池负极碰触集电极和发射极时，电珠均不发光，那么证明该管内部已开路。,2.2 元器件的修理常识,2.2.1.3 单向晶闸管检测 单向晶闸管的管脚排列如图2-12所示。,图2-12晶闸管的管脚排列,2.2 元器件的修理常识,1. 电极检测判别 由晶闸管内部结构知，控制极G和 阴极K间是一个PN结，而GA和AK间存在反向的PN结。检测时先将万用表拨到R1K挡，假定晶闸管某一端为控制极G且接上黑表笔，然后用红表笔分别触及另外两脚，若有一次正向导通，则假定的控制极是对的，而导通的那次红表笔接的是阴极K。余下的一极是阳极A。如果两次都不导通，则假定错误，再重新设定检测。,2.2 元器件的修理常识,2. 质量判别 应用电筒电路亦能估测可控硅管子的好坏及导通和阻断情况。将单向可控硅的阴极与电池负极相连接，阳极A与电池正极相接，这时电路中的小电珠若无光亮，则证明可控硅的正向阻断性能基本良好。再找一根细导线将电池的正极端与可控硅的控制电极（G）迅速碰触一下，这时电珠若闪光发亮，则说明可控硅的导通性能良好。若导线碰触时电珠不亮，或小电珠瞬间闪亮一下又即刻熄灭，则说明该管的导通能力很差，根本无法导通。 故障分析 如果GK之间的正、反向电阻都等于零，或GK与AK之间的正、反向电阻都很小，说明晶闸管内部短路；如果GK之间的正、反向电阻都为无穷大，说明晶闸管内部断路。,2.2 元器件的修理常识,2.2.2 元器件的替代 在维修中若已判断某一器件损坏，如果现有或能购到同样的器件并将其换上最好，但有时很难买到同样的器件，此时则应考虑替代的问题。 1. 半导体器件的替代 替代之前应确认元器件是否已损坏。因为半导体器件不如电容电阻那样耐焊易拆卸，在拆卸中，人为损坏较多。记录下各电极的位置，再将器件取下，并再次确认原器件是否损坏，在确认已损坏时，应记录下器件的型号、制造厂家。最好的替代是同一制造厂家、同一型号的产品。如果不具备这一条件，应通过器件手册查找元器件的主要参数。再根据这些主要参数选择替代品，替代品应符合下述,2.2 元器件的修理常识,几个条件：材料相同，即锗锗、硅硅替代；极性相同，即PNPPNP、NPNNPN替代； 种类相同，三极管三极管、场效