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電路設計知識:電阻、電容、電感、二極管、三極管、mos管

電阻

1概念

電阻元件的電阻值大小一般與溫度,材料,長度,還有橫截面積有關,衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數,其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。

導體的電阻通常用字母R表示,電阻的單位是歐姆(ohm),簡稱歐,符號是Ω(希臘字母,讀作Omega),1Ω=1V/A。比較大的單位有千歐(kΩ)、兆歐(MΩ)(兆=百萬,即100萬)。

1TΩ=1000GΩ;1GΩ=1000MΩ;1MΩ=1000KΩ;1KΩ=1000Ω(也就是一千進率)

串聯: R=R1+R2+...+Rn

定義式:R=U/I

電阻元件的電阻值大小一般與溫度有關,還與導體長度、橫截面積、材料有關。衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數,其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。多數(金屬)的電阻隨溫度的升高而升高,一些半導體卻相反。

如:玻璃,碳在溫度一定的情況下,有公式R=ρl/s其中的ρ就是電阻率,l為材料的長度,單位為m,s為面積,單位為平方米??梢鑰闖?,材料的電阻大小正比于材料的長度,而反比于其面積。

2電阻應用

電阻通常分為三大類:固定電阻,可變電阻,特種電阻。

RX型線繞電阻,近年來還廣泛應用的片狀電阻。

按照功率可以分為小功率電阻和大功率電阻。大功率電阻通常是金屬電阻,實際上應該是在金屬外面加一個金屬(鋁材料)散熱器,所以可以有10W以上的功率;在電子配套市場上專門賣電阻的市場上可以很容易地看到。

電阻在電路中起到限流、分壓等作用。通常1/8W電阻已經完全可以滿足使用。但是,在作為7段LED中,要考慮到LED的壓降和供電電壓之差,再考慮LED的最大電流,通常是20mA(超高亮度的LED),如果是2×6(2排6個串聯),則電流是40mA。

電位器又分單圈和多圈電位器。單圈的電位器通常為灰白色,面上有一個十字可調的旋紐,出廠前放在一個固定的位置上,不在2頭;多圈電位器通常為藍色,調節的旋紐為一字,一字小改錐可調;多圈電位器又分成頂調和側調2種,主要是電路板調試起來方便。

排電阻 ,光敏電阻 ,使用光敏電阻可以檢測光強的變化。

電阻的封裝有表面貼和軸向的封裝。軸向封裝有:axial0.4、axial0.6、axial0.8等等;axial在英語中就是軸的意思;表面貼電阻的封裝最常用的就是0805;當然還有更大的;但是更大的電阻不是很常用的。

電阻作為限流應該是最常用的應用之一,對于單片機外圍設計來說,電阻的應用非常重要,在很多時候,我們必須在單片機的I/O端口上連接一個限流電阻,保證外圍電路不會應用短路、過載等原因燒壞單片機的I/O端口,甚至整個單片機。

面對這些問題,恐怕很多人都是知其然不知其所以然,完全憑靠經驗獲取,并沒有完全按照電路的要求計算取值。為此,在這里提出這些問題,并不想教大家怎么去計算這些值,知道歐姆定律的人都應該知道該怎么計算吧,所以,只是希望大家在選擇之前,先了解單片機的這些參數,然后,根據參數進行計算。在計算時一定要留一定的預留空間。

在看一些元器件的DATASHEET文件時,經?;崤齙皆骷牟問?,IOL,IOH,IIL,IIH,我也知道他們指的是輸入輸出高低電平時的最大最小電流,但在連接時他們之間的匹配問題一直很模糊,如:IOL=1.5MA; IOH=-300UA

IIL=-100UA; IIH=10UA;

參考答案:

IOL和IOH表示輸出為低、高電平時的電流值,同樣-號表示從器件流出的電流。

4上下拉電阻

上拉是對器件輸入電流,下拉是輸出電流;強弱只是上拉電阻的阻值不同,沒有什么嚴格區分;對于非集電極(或漏極)開路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

??3 為增強輸出引腳的驅動能力,有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。

??5 芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平,從而提高芯片輸入信號的噪聲容限,增強抗干擾能力。

??7 長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上、下拉電阻是電阻匹配,有效的抑制反射波干擾。

就是從電源高電平引出的電阻接到輸出端

??2 如果輸出電流比較大,輸出的電平就會降低(電路中已經有了一個上拉電阻,但是電阻太大,壓降太高),就可以用上拉電阻提供電流分量, 把電平“拉高”。(就是并一個電阻在IC內部的上拉電阻上,這時總電阻減小,總電流增大)。當然管子按需要工作在線性范圍的上拉電阻不能太小。當然也會用這個方式來實現門電路電平的匹配。

一般作單鍵觸發使用時,如果IC本身沒有內接電阻,為了使單鍵維持在不被觸發的狀態或是觸發后回到原狀態,必須在IC外部另接一電阻。

一般說的是I/O端口,有的可以設置,有的不可以設置,有的是內置,有的是需要外接,I/O端口的輸出類似于一個三極管的C,當C接通過一個電阻和電源連接在一起的時候,該電阻成為上拉電阻,也就是說,該端口正常時為高電平;C通過一個電阻和地連接在一起的時候,該電阻稱為下拉電阻。

5典型應用

在外設沒有收到控制時,我們需要把某一外設或單片機I/O端口固定在某一固定電平上時,需要根據需要接上下拉電阻,例如:上圖中,對于按鍵輸入來說,在沒有按下按鍵時,如果沒有上拉電阻的存在,單片機端口將處于懸乎狀態,沒有確定電平,當然如果有內部上拉電阻的單片機除外,加上上拉電阻會,在沒有按鍵時,單片機端口保持高電平,有按鍵時,單片機端口將輸入低電平。

而對于蜂鳴器來說,由于和按鍵有同樣的效果,不加上拉電阻,無法區別在沒有單片機控制時,三極管的工作狀態,所以,必須加上上拉電阻以保障無單片機控制時,三極管截止,蜂鳴器不工作。

有時候由于器件自身設計的原因,如果不接外部上下拉電阻,設備無法正常實現高低電平的轉換。例如,對于開漏輸出的I2C總線來說,如果不接上拉電阻,其只能輸出低電平,無法實現高電平輸出,加上上拉電阻,保證在沒有控制信號時,通過上拉電阻實現高電平。

電容

1概念

電容(或稱電容量)是表現電容器容納電荷本領的物理量。

電容從物理學上講,它是一種靜態電荷存儲介質,可能電荷會永久存在,這是它的特征,它的用途較廣,它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

電容的符號是C。在國際單位制里,電容的單位是法拉,簡稱法,符號是F,由于法拉這個單位太大,所以常用的電容單位有毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)等,換算關系是:

1微法(μF)= 1000納法(nF)= 1000000皮法(pF)。

1伏安時=1瓦時=3600焦耳

一個電容器,如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏,這個電容器的電容就是1法,即:C=Q/U 但電容的大小不是由Q(帶電量)或U(電壓)決定的,即:C=εS/4πkd 。其中,ε是一個常數,S為電容極板的正對面積,d為電容極板的距離,k則是靜電力常量。常見的平行板電容器,電容為C=εS/d(ε為極板間介質的介電常數,S為極板面積,d為極板間的距離)。

定義式:C=Q/U

多電容器并聯計算公式:C=C1+C2+C3+…+Cn

三電容器串聯:C=(C1*C2*C3)/(C1*C2+C2*C3+C1*C3)

2電容的應用

??1 按照結構分三大類:固定電容器、可變電容器和微調電容器;

??3 按用途分有:高頻旁路、低頻旁路、濾波、調諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器;

??5 低頻旁路:紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器;

??7 調諧:陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器;

??9 低耦合:紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器;

電容作用

耦合電容:用在耦合電路中的電容稱為耦合電容,在阻容耦合放大器和其他電容耦合電路中大量使用這種電容電路,起隔直流通交流作用。

退耦電容:用在退耦電路中的電容器稱為退耦電容,在多級放大器的直流電壓供給電路中使用這種電容電路,退耦電容消除每級放大器之間的有害低頻交連。

諧振電容:用在LC諧振電路中的電容器稱為諧振電容,LC并聯和串聯諧振電路中都需這種電容電路。

中和電容:用在中和電路中的電容器稱為中和電容。在收音機高頻和中頻放大器,電視機高頻放大器中,采用這種中和電容電路,以消除自激。

積分電容:用在積分電路中的電容器稱為積分電容。在電勢場掃描的同步分離電路中,采用這種積分電容電路,可以從場復合同步信號中取出場同步信號。

補償電容:用在補償電路中的電容器稱為補償電容,在卡座的低音補償電路中,使用這種低頻補償電容電路,以提升放音信號中的低頻信號,此外,還有高頻補償電容電路。

分頻電容:在分頻電路中的電容器稱為分頻電容,在音箱的揚聲器分頻電路中,使用分頻電容電路,以使高頻揚聲器工作在高頻段,中頻揚聲器工作在中頻段,低頻揚聲器工作在低頻段。

調諧電容:連接在諧振電路的振蕩線圈兩端,起到選擇振蕩頻率的作用。

中和電容:并接在三極管放大器的基極與發射極之間,構成負反饋網絡,以抑制三極管極間電容造成的自激振蕩。

定時電容:在RC時間常數電路中與電阻R串聯,共同決定充放電時間長短的電容。

縮短電容:在UHF高頻頭電路中,為了縮短振蕩電感器長度而串聯的電容。

錫拉電容:在電容三點式振蕩電路中,與電感振蕩線圈兩端并聯的電容,起到消除晶體管結電容的影響,使振蕩器在高頻端容易起振。

預加重電容:為了避免音頻調制信號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失,而設置的RC高頻分量提升網絡電容。

移相電容:用于改變交流信號相位的電容。

降壓限流電容:串聯在交流回路中,利用電容對交流電的容抗特性,對交流電進行限流,從而構成分壓電路。

S校正電容:串接在偏轉線圈回路中,用于校正顯像管邊緣的延伸線性失真。

消亮點電容:設置在視放電路中,用于關機時消除顯像管上殘余亮點的電容。

啟動電容:串接在單相電動機的副繞組上,為電動機提供啟動移相交流電壓,在電動機正常運轉后與副繞組斷開。

3去耦電容

電容的阻抗為1/(2π*f*C),頻率越高,阻抗應該越小。在結構上,小容量的電容器在高的頻率處,而大容量的電容器則在較低的頻率處,電容的阻抗變得最低。因此,在電源上并聯一個小容量電容和一個大容量電容是很有必要的,這樣在很寬的頻率范圍降低電源對地的阻抗。

小容量的電容器是在高頻情況下降低阻抗的,所以如果不配置在電路附近,則電容器的引線增長,由于引線本身的阻抗,電源的阻抗不能降低。使用在使用小電容時,一定將盡量靠近器件的電源輸入腳,否則就算添加了這個電容也沒有任何意義。大容量電容器由于其低頻特性,在布局時可以適當離器件遠些也沒有問題。在低頻電路上即使沒有小電容C1,電路也能正常工作。但是在高頻電路中,比起大電容C2來說,C1起著更為重要的作用。

從習慣上來說,旁路電容也有大小兩個電容,形成兩條通路,也保證電路的可靠性。

4耦合電容

電容耦合的作用是將交流信號從前一級傳到下一級。耦合的方法還有直接耦合和變壓器耦合的方法。直接耦合效率最高,信號又不失真,但是,前后兩級工作點的調整比較復雜,相互牽連。為了使后一級的工作點不受前一級的影響,就需要在直流方面把前一級和后一級分開。

同時,又能使交流信號從前一級順利的傳遞到后一級,同時能完成這一任務的方法就是采用電容傳輸或者變壓器傳輸來實現。他們都能傳遞交流信號和隔斷直流,使前后級的工作點互不牽連。但不同的是,用電容傳輸時,信號的相位要延遲一些,用變壓器傳輸時,信號的高頻成分要損失一些。一般情況下,小信號傳輸時,常用電容作為耦合元件,大信號或者強信號傳輸時,常用變壓器作為耦合元件。

在AD于DA電路上,我們需要把數字信號和模擬信號進行相互轉換,為保障數字喜歡與模擬喜歡的互不干涉,我們往往需要在單片機的輸入端或輸出端串聯一個電容,對電路進行耦合。

用于振蕩回路中,與電感或電阻配合,決定振蕩頻率(時間)的電容稱之為振蕩電容。

Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2);

具體公式不用細想,我們可以從中得知負載電容的減小可以使實際頻率Fx變大,

原有電路使用的是33pF的兩個電容,則并聯起來是16.5pF,我們的貼片電容只有27pF,33pF,39pF,所以我們選用了27pF和39pF并聯,則電容為15.95pF。電容焊好后,測量比原來大了200多赫茲,落在了設計范圍內。

對于這電容來說,大家應該再熟悉不過了,基本上,沒有一個帶有微處理器的電路都至少有一個帶有起振電容的電路。雖然,大多是情況下,我們都是按照經驗選擇這兩個電容。實際上,這樣不科學,有的時候晶振并不會工作。所以,選擇合適是起振電容還是很有必要的。實際上,不同的晶振,起需要的起振電容是不同的,在購買晶振時應該選擇合適的晶振,一般來說在晶振的數據手冊上也提供了選擇起振電容的依據。

6復位電容

隨著+5V直流電壓的充電,Al的①腳上的電壓達到了一定值,集成電路Al內部所有電路均可建立起初始狀態,復位工作完成,CPU進入初始的正常工作狀態。這一復位電路的目的:使集成電路Al的復位引腳①腳上直流電壓的建立滯后于集成電路Al的+5V直流工作電壓規定的時間,如圖5-69所示的電壓波形可以說明這一問題。

電感

1.電感作為一種能夠改變電流的特殊器件,在數字電路中應用相對比較少,一般都應用在與電源相關的部分。

電感(inductance of an ideal inductor)是閉合回路的一種屬性。當線圈通過電流后,在線圈中形成磁場感應,感應磁場又會產生感應電流來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關系稱為電的感抗,也就是電感,單位是“亨利(H)”。

自感,互感電感符號:L

1H=10^3mH=10^6μH=10^9nH。

除此外還有一般電感和精密電感之分

精密電感:誤差值為5%,用J表示;誤差值為1%,用F表示。

2電感應用

電感的作用:通直流阻交流這是簡單的說法,對交流信號進行隔離,濾波或與電容器,電阻器等組成諧振電路.

磁環電感的作用:磁環與連接電纜構成一個電感器(電纜中的導線在磁環上繞幾圈作為電感線圈),它是電子電路中常用的抗干擾元件,對于高頻噪聲有很好的屏蔽作用,故被稱為吸收磁環,由于通常使用鐵氧體材料制成,所以又稱鐵氧體磁環(簡稱磁環)。

在圖中,上面為一體式磁環,下面為帶安裝夾的磁環。磁環在不同的頻率下有不同的阻抗特牲。一般在低頻時阻抗很小,當信號頻率升高后磁環的阻抗急劇變大??杉綹械淖饔萌绱酥?,大家都知道,信號頻率越高,越容易輻射出去,而一般的信號線都是沒有屏蔽層的,這些信號線就成了很好的天線,接收周圍環境中各種雜亂的高頻信號,而這些信號疊加在原來傳輸的信號上,甚至會改變原來傳輸的有用信號,嚴重干擾電子設備的正常工作。

因此降低電子設備的電磁干擾(EM)已經是必須考慮的問題。在磁環作用下,即使正常有用的信號順利地通過,又能很好地抑制高頻于擾信號,而且成本低廉。電感的主要參數有電感量、允許偏差、品質因數、分布電容及額定電流等。

電感量也稱自感系數,是表示電感器產生自感應能力的一個物理量。

電感量的基本單位是亨利(簡稱亨),用字母“H”表示。常用的單位還有毫亨(mH)和微亨(μH),它們之間的關系是:

1mH=1000μH

允許偏差是指電感器上標稱的電感量與實際電感的允許誤差值

品質因數

它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時,所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高,其損耗越小,效率越高。

3儲能電感

例如,在單片機系統中最常使用的開關電源LM2576電源電路中,所有的開關調節器都有兩種基本的工作方式:即連續型和非連續型,兩者之間的區別主要在于流過電感的電流不同,即電感電流若是連續的則稱為連續型;

若電感電流在一個開關周期內降到零則為非連續型。每一種工作模式都可以影響開關調節器的性能和要求。當負載電流較小時,在設計中可采用非連續模式。LM2576 既適用于連續型也適用于非連續型。

通常情況下,連續型工作模式具有好的工作特性且能提供較大的輸出功率、較小的峰峰值電流和較小的紋波電壓。一般應用時可根據下面公式進行電感的選擇:(電壓單位:V 電流單位:A)

二極管

在單片機外圍電路中,二極管的應用也非常廣泛,而且二極管根據其應用不同,種類非常繁多,下面我們主要談談發光二極管、續流二極管、整流二極管、限幅二極管等。

二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管(diode),另外,還有早期的真空電子二極管;它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內部有一個PN結兩個引線端子,這種電子器件按照外加電壓的方向,具備單向電流的轉導性。

一般來講,晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結界面。在其界面的兩側形成空間電荷層,構成自建電場。當外加電壓等于零時,由于p-n 結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態,這也是常態下的二極管特性。

大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為順向偏壓),反向時阻斷 (稱為逆向偏壓)。

因此,二極管可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極管并不會表現出如此完美的開與關的方向性,而是較為復雜的非線性電子特征——這是由特定類型的二極管技術決定的。二極管使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能。

外加正向電壓時,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結內電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零,這一段稱為死區。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區電壓。當正向電壓大于死區電壓以后,PN結內電場被克服,二極管正向導通,電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內,導通時二極管的端電壓幾乎維持不變,這個電壓稱為二極管的正向電壓。

當二極管兩端的正向電壓超過一定數值Vth,內電場很快被削弱,電流迅速增長,二極管正向導通。Vth叫做門坎電壓或閾值電壓,硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V。硅二極管的正向導通壓降約為0.6~0.8V,鍺二極管的正向導通壓降約為0.2~0.3V。

外加反向電壓不超過一定范圍時,通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止狀態。這個反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流,二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。

一般硅管的反向電流比鍺管小得多,小功率硅管的反響飽和電流在nA數量級,小功率鍺管在μA數量級。溫度升高時,半導體受熱激發,少數截流子數目增加,反向飽和電流也隨之增加。

二極管種類有很多,按照所用的半導體材料,可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管)。根據其不同用途,可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發光二極管、硅功率開關二極管、旋轉二極管等。

按照管芯結構,又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面,通以脈沖電流,使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起,形成一個“PN結”。

由于是點接觸,只允許通過較小的電流(不超過幾十毫安),適用于高頻小電流電路,如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大,允許通過較大的電流(幾安到幾十安),主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管,它不僅能通過較大的電流,而且性能穩定可靠,多用于開關、脈沖及高頻電路中。

點接觸型二極管

面接觸型二極管

鍵型二極管

合金型二極管

擴散型二極管

臺面型二極管

平面型二極管

合金擴散型二極管

外延型二極管

肖特基二極管

發光二極管

有的網友可能已經使用過多種LED了吧,不過,不知道你是否知道LED的工作電壓?不同顏色的LED,由于使用的材料不同,其工作電壓是不同的。一般來說紅色、黃色的LED,其工作電壓在2V左右;而藍色、綠色和白色的LED,其工作電壓在3V左右。

如果設計的產品的專門的LED發光類的產品(LED護欄管、LED照明燈等),應該保證LED的工作電壓在其正常工作的電壓范圍,具體的LED燈的工作電壓可以通過LED廠家提供的LED參數確定。同時,如果要讓LED正常工作,一般其工作電流在20mA左右。當然,如果我們使用的LED是用來作為指示用,那么并不需要LED發太亮的光,在這種情況下,一般認為LED的工作電壓在2V左右,工作電流4mA即可,如果需要調節亮度,可以通過改變限流電阻確定。

上圖是最簡單的LED應用電路,在這個電路中需要注意的是限流電阻R1的選擇。如果該電路用于指示用,而且單片機的I/O端口可以輸出4mA左右的電流,則可以直接通過單片機端口控制,則R1的計算公式如下:

但是,如果這個電路用作照明用,顯然是單片機的I/O端口是無法輸出這么大電流的,這是,我們可以考慮用三級管或FET來開關控制。當然,如果作為一般指示電路使用時,如果單片機無法輸出4mA的電流時,也可用于使用三極管貨FET來驅動LED。

我們通常所說的“續流二極管”由于在電路中起到續流的作用而得名,一般選擇快速恢復二極管或者肖特基二極管來作為“續流二極管”,它在電路中一般用來?;ぴ槐桓杏Φ繆夠鞔┗蟶棧?,以并聯的方式接到產生感應電動勢的元件兩端,并與其形成回路,使其產生的高電動勢在回路以續電流方式消耗,從而起到?;さ緶分械腦槐凰鴰檔淖饔?。

例如:下面的繼電器開關電路

當開關的負載為繼電器或電動機等電感性負載時,在截斷流過負載的電流時(晶體管進入截止狀態)會產生反向電動勢。這時產生的電壓非常大。當這種電壓超過晶體管的集電極-基極間、集電極-發射機間電壓的最大額定值Vcbo、Vceo時,晶體管將會被擊穿。

整流二極管

整流二極管一般為平面型硅二極管,用于各種電源整流電路中。

普通串聯穩壓電源電路中使用的整流二極管,對截止頻率的反向恢復時間要求不高,只要根據電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。例如,1N系列、2CZ系列、RLR系列等。

整流二極管一般應用在電源電路中,常見的有交流變直流時的電橋。防止電源接反時的,?;ざ艿鵲?。對于這類二極管,主要應用的是其單向導電性。在實際的應用中,比較常用的系列是1N系列。

穩壓二極管,英文名稱Zener diode,又叫齊納二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值,在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定,穩壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用.其伏安特性見圖1,穩壓二極管可以串聯起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯就可獲得更多的穩定電壓。

這類二極管往往應用在對電壓有一定的特殊要求的地方,高于穩壓二極管的電壓將會被二極管吃掉,從而起到穩壓的作用,當然也可也到限幅的作用。這種二極管一般在單片機電路中,常用用于對輸入高電壓的信號進行處理,以整輸入電壓在一個合理的范圍,確保不對單片機的I/O端口進行破壞。

三極管

1概述

晶體三極管(以下簡稱三極管)按材料分有兩種:鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式,但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管,(其中,N表示在高純度硅中加入磷,是指取代一些硅原子,在電壓刺激下產生自由電子導電,而p是加入硼取代硅,產生大量空穴利于導電)。兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理?!《雜贜PN管,它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成,發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結,而集電區與基區形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。

2三極管工作原理

由于三極管大多工作在放大狀態,這也是三極管應用的基礎,下面我們將從三極管放大開始,逐步了解三極管的工作原理。

三極管是只具有“放大”的單功能器件,這個“放大”功能是非常有用的,在初學者看來三極管的放大工作原理應該是如下圖所示:

實際上不是這樣的,從能量守恒可以知道,信號是不可能無緣無故被放大的,放大的信號也必定有來源。輸入小的信號,要變成放大的信號,這個能量只能來源于電源供電,即由電源輸出一個被放大的形狀相同的信號。所以,在外部看來,可以看成輸入信號被“放大”了,這就是三極管的放大原理。

工作原理

三極管實際上可以這樣理解,在三極管的基極和發射極之間加入了二極管,當三極管工作時,基極與發射極之間的二極管的正向壓降為0.6~0.7V。反過來可以這樣理解,要讓三極管工作,實際上可以讓三極管里邊的二極管工作,當這個二極管工作了,那么三極管以就工作了。

而且從上圖可以看出,由箭頭可以看出PN極的方向,同時由這個PN結就可以確定管子的類型為NPN,還是PNP了。例如上圖的第一個三極管基極的PN結的P,發射極是PN結的N,故集電極應該為N,所以,第1個三極管為NPN型,同樣的方法可以確定第2個三極管為PNP。

實際上三極管的NPN和PNP都是由兩PN結構成。所以,我們可以認為,三極管的基極和發射機間與基極和集電極之間連接2個二極管。在一般的放大電路中,使基極和發射極之間的二極管導通,使基極和集電極之間的二極管截止來設置三極管各端電位。

3三極管開關電路

上圖左邊是正常的放大電路,右邊是我們需要的開關電路。從這兩個波形不難看出,其狀態很像,只是一個是正弦波,一個是方波。如果我們把放大倍數調大,或者把輸入信號增大,那么會導致什么現象呢?這一點不難想象,輸入輸出信號的增大,放大波形的上下均會被切掉。切掉后的正弦波是不是很像我們的方波呢?由此可以看出,我們只需要修改這個放大電路,讓其進入兩個極端就可以得到開關電路了。

從發射極放大電路演變掉開關電路的示意圖如下:從圖中可以看出,電路(a)去掉輸入輸出兩個耦合電容后得到了電路(b),由于放大倍數是有Rc和Re兩個電阻決定的,所以去掉Re后,得到了電路(c),同時,基極偏置電路也沒有什么必要,當輸入信號為0V時三極管處于截止狀態,如圖(d)。

上圖上邊是開路集電極電路,跟負載使用電源沒有關系,只要基極有電壓,電路就能工作;而上圖下邊的是開路發射極,基極電壓與負載電源是有關系的,輸出電壓要比輸入電壓低0.6V。所以,這兩種開關電路各有優缺點。上邊電路的開關速度不夠高,還必須通過添加其他器件來提高其開關速度。而下邊電路的開關速度卻非???,但輸入電源和輸出電源有關聯。所以,在實際的應用中,比較常用的還是左邊的那種方式,本人也建議盡量采用上邊的(b)圖,而盡量不要應用右邊的這兩種方式。

上面提到開路集電極電路的最大缺點就是開關速度不夠快,在需要快速開關時,達不到我們的要求,為此下面我們看看怎么來提高其開關速度。

肖特基箍位

提高三極管開關速度的另外一種方法是添加肖特基二極管箍位。這里利用的是這種二極管是采用金屬與半導體接觸形成具有整流作用,這種二極管的開關速度很快。

三級管的開關應用非常多,常見的有控制繼電器、控制LED、控制LCD背光、控制光耦等,一切開關電路幾乎都可以使用三極管或者需要三極管協助完成。

繼電器是磁性機械開關元件,是用邏輯信號開關各種信號時使用的元件。繼電器工作電流相對比較大,直接使用單片機的I/O端口控制是無法實現的,在這種情況下,一般需要使用三極管來驅動控制。在選擇三極管時,可以使用NPN,也可以使用PNP。對于這兩種三級管來說,唯一不同的就是驅動電平而已,其他完全一致。

驅動常見電路,這里使用的是NPN三極管,高電平控制。為保證沒有控制信號時,三極管處于截止狀態,繼電器不工作,這里加了一個10K的下拉電阻。為了限制基極的輸入電流,這里使用了4.3K的限流電阻,保證在單片機控制下,最大輸入電流Ib=(5-0.6)/4.3K=1mA。同時,我們再次強調,在繼電器端必須并聯一個續流二極管,否則開關繼電器的同時可能會損壞三極管,這一點我們在講述二極管時已經說明。

對于需要提供大電流才工作的LED電路,我們也必須考慮使用三極管來驅動,有時甚至會需要多個三極管同時才能驅動。

對于上圖來說,每一路LED的顯示和每一個LED數碼管的驅動,都會使用大的電流。7段數碼管的每一段LED需要打電流大概是30mA,而其電流的控制由其串聯的限流電阻確定。我們之前也說過,一般LED的工作壓降為2V,所以LED的工作電流I=5-2-0.6/82=30mA。

場效應晶體管

對于場效應管來說,在大學期間老師基本沒有講,讓自己自學。到了工作的時候,我們發現場效應管應用還是比較廣泛的。其實場效應管和三極管還是很相似的。在很多應用中,甚至可以直接貼換三極管。

場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(10^7~10^12Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

1.與雙極型晶體管相比,場效應管具有如下特點。

(1)場效應管的控制輸入端電流極小,因此它的輸入電阻(Ω)很大。

(2)它組成的放大電路的電壓放大系數要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數;

(3)由于不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲,所以噪聲低。

2.工作原理

場效應管的開關電路和三極管的開關電路一樣,都是可以從放大電路變化而得。這里不在說明其變化過程。同樣把負載放置在Rd的位置。

對于偏置電阻的確定,需要注意:其作用和三極管的上下拉電阻一樣,用于確定柵極的電平狀態,取值一般沒有要求,大都取1M。

場效應管的開關電路應用非常廣泛,由于其為電壓控制型,而且內阻非常小,常常應用在各種大電流開關控制電路中。例如,熱敏微型打印機電源開關、外部電源輸出開關等等。簡單的說,一般小電流開關電路可以適用三極管,大電流開關電路使用場效應管,這里就不在列舉實例了。

和三極管一樣,其開關并不是絕對的,雖然說,在一定的工作電壓下,場效應管就處于開關狀態。但它的開關狀態并不是沒有內阻,其內阻的變化一般都是跟隨其外部電壓的大小而變化。所以,為了減小其內阻,應盡量加大其開關電壓值。具體多大合適一定要查詢芯片資料。

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