1、电子工程师必备基础知识手册(八)：功率晶体管.txt35 温馨是大自然的一抹色彩，独具慧眼的匠师才能把它表现得尽善尽美；温馨是乐谱上的一个跳动音符，感情细腻的歌唱者才能把它表达得至真至纯 电子工程师必备基础知识手册（八）功率晶体管稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是：此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见图 1,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联
2、就可获得更多的稳定电压。稳压管的应用:1、浪涌保护电路稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜.图中的稳压二极管 D 是作为过压保护器件。只要电源电压 VS 超过二极管的稳压值 D 就导通,使继电器 J 吸合负载 RL就与电源分开。2、电视机里的过压保护电路EC 是电视机主供电压,当 EC 电压过高时,D 导通,三极管 BG 导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。3、电弧抑制电路在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样
3、)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。4、串联型稳压电路在此电路中,串联稳压管 BG 的基极被稳压二极管 D 钳定在 13V,那么其发射极就输出恒定的 12V 电压了。这个电路在很多场合下都有应用。晶体管射随电路在很多的电子电路中,为了减少后级电路对前级电路的影响和有些前级电路的输出要求有较强的带负载能力(即要求输出阻抗较低)时,要用到缓冲电路,从而达到增强电路的带负载能力和前后级阻抗匹配,晶体管射随器就是一种达到上述功能的缓冲电路。晶体管射
4、随电路实际上是晶体管共发电路,它是晶体三极管三大电路形式之一(共基电路、共集电路、共发电路),它的电路基本形式如图 A1 所示。根据图 A1 的等效电路可知,发射极电流 Ie=Ib+Ic 又因为 Ic=*Ib( 是晶体管的直流放大系数) 所以 Ie=Ib+ *Ib=Ib(1+ ), 又根据电路回路电压定律:Vi=Ib(Rb+Rbe )+Ie*Re=Ib(Rb+Rbe)+Ib(1+)Re(Rb 是晶体管基极电阻,Rbe 是基极与发射极之间的电阻,由于 Rb 和 Rbe 较少可忽略,那么 Vi= Ib(1+)Re,根据欧姆定律,电路的输入阻抗为 Vi/Ib=Ib(1+)Re/Ib=Re(1+)。从
5、此式可见电路的输入阻抗是 Re的 1+ 倍，电路的输出阻抗等于 Rc 与 Re 的并联总阻抗.经上述分析得出结论：晶体管射随电路具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。晶体管电子滤波器在很多电子电路中,特别是一些小信号放大电路,其电源往往会加入一级晶体管电子滤波器,其电路结构如图 J1,设图的右边是一个与电子滤波效果一样的普通 RC 滤波电路,则它们有以下关系：图的左边 Uec=Ib*R1+Ueb=Ib*R1因为 Iec=*Ib ( 为晶体管的直流放大系数)所以有 Uec=(Iec/)*R1图的右边 Uec=Rec*Iec 由于左右图互相等效所以有Rec*Iec=(Iec/)*R1 得 Rec=R
6、1/两滤波器的滤波性能一般用 R 与 C 的乘积来衡量,所以有:R1*C1=Rec*C1=(R1/)*C1C1=C1/由上式可知,电子滤波器所需的电容 C1 比一般 RC 滤波器所需电容少 倍.打个比方设晶体管的直流放大系数 =100,如果用一般 RC 滤波器所需电容容量为 1000F,如采用电子滤波器那么电容只需要 10F 就满足要求了。场效应管现在越来越多的电子电路都在使用场效应管,特别是在音响领域更是如此,场效应管与晶体管不同,它是一种电压控制器件(晶体管是电流控制器件),其特性更象电子管,它具有很高的输入阻抗, 较大的功率增益,由于是电压控制器件所以噪声小,其结构简图如图 C-a。场效
7、应管是一种单极型晶体管,它只有一个 P-N 结,在零偏压的状态下,它是导通的,如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)在反向电场作用下 P-N变厚(称耗尽区)沟道变窄,其漏极电流将变小,(如图 C1-b),反向偏压达到一定时,耗尽区将完全沟道“夹断“,此时,场效应管进入截止状态如图 C-c,此时的反向偏压我们称之为夹断电压,用 Vpo 表示,它与栅极电压 Vgs 和漏源电压 Vds 之间可近以表示为Vpo=Vps+|Vgs|,这里|Vgs|是 Vgs 的绝对值. 在制造场效应管时,如果在栅极材料加入之前,在沟道上先加上一层很薄的绝缘层的话,则将会大大地减小栅极电流,也大
8、大地增加其输入阻抗,由于这一绝缘层的存在,场效应管可工作在正的偏置状态,我们称这种场效应管为绝缘栅型场效应管,又称 MOS 场效应管,所以场效应管有两种类型,一种是绝缘栅型场效应管,它可工作在反向偏置,零偏置和正向偏置状态,一种是结型栅型效应管,它只能工作在反向偏置状态. 绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种,我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管, 在正常情况下断开的称增强型效应管.增强型场效应管特点:当 Vgs=0 时 Id(漏极电流)=0,只有当 Vgs 增加到某一个值时才开始导通,有漏极电流产生.并称开始出现漏极电流时的栅源电压 Vgs 为开启电压. 耗尽型场效应管的特点,它可以
9、在正或负的栅源电压(正或负偏压)下工作,而且栅极上基本无栅流(非常高的输入电阻). 结型栅场效应管应用的电路可以使用绝缘栅型场效应管,但绝缘栅增强型场效管应用的电路不能用结型 栅场效应管代替。可控硅二极管可控硅在自动控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通， 一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。可控硅二极管可用两个不同极性（P-N-P 和 N-P-N）晶体管来模拟，如图 G1 所示。当可控
10、硅的栅极悬空时，BG1 和 BG2 都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻 RL，当栅极输入一个正脉冲电压时 BG2 道通，使 BG1 的基极电位下降，BG1 因此开始道通，BG1 的道通使得 BG2 的基极电位进一步升高，BG1 的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使 BG1 和 BG2 进入饱和道通状态。电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于 BG1 和 BG2 均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻 RL 的阻值使电路电流减少 BG1 和 BG2 的基电流也
11、将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路可控硅的阳极和阴极从而达到可控硅的关断。应用举例可控硅在实际应用中电路花样最多的是其栅极触发回路，概括起来有直流触发电路，交流触发电路，相位触发电路等等。1、直流触发电路：如图 G2 是一个电视机常用的过压保护电路，当 E+电压过高时 A 点电压也变高，当它高于稳压管 DZ 的稳压值时 DZ 道通，可控硅 D 受触发而道通将 E+短路，使保险丝 RJ 熔断，从而起到过压保护的作用。2、相位触发电路：相位触发电路实际上是交流触发电路的一种，如图 G3
12、，这个电路的方法是利用 RC 回路控制触发信号的相位。当 R 值较少时，RC 时间常数较少，触发信号的相移 A1 较少，因此负载获得较大的电功率；当 R 值较大时，RC 时间常数较大，触发信号的相移 A2 较大， 因此负载获得较少的电功率。这个典型的电功率无级调整电路在日常生活中有很多电气产品中都应用它。什么叫压缩倍频程视频信号的频率范围为 50HZ-6.5MHZ,共有 18 个倍频程(50*2*2*2.),按照磁带的重放特性,每提高一个倍频程信号电平上升 6DB,那么视频信号的动态范围就是6*18=108DB,这远远超出磁带的动态范围.为此要记录视频信号就要压缩倍频程,在录象机中是采用将视频
13、亮度信号进行调频记录方式,通过控制调制指数使 FM 的频偏在1.1MHZ-7.8MHZ 内,这样使倍频程减少到少于 3, 因而适应磁带记录动态范围的要求。电路的响应电路的工作状态有两种：一种是稳定状态、一种是暂时状态或叫暂态。在具有电容、电感的电路中，当电路的工作条件发生变化时，由于储能元件储能的变化，电路将从原来的稳定状态经历一定时间变换到新的稳定状态，这一变换过程称为过渡过程，电路的过渡过程通常是很短的， 所以又称暂态过程。 根据电路的激励（电路中发生电流、电压的起因）通过对电路的暂态分析来得到电路的响应（受激励的作用在电路中所引起的电流与电压称为响应） ，由于激励和响应都是时间的函数，所
14、以这种分析有叫时域分析。微分电路电路结构如图 W-1，微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与 R*C 有关（即电路的时间常数） ，R*C 越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。此电路的 R*C 必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的 RC 耦合电路了，一般 R*C 少于或等于输入波形宽度的 1/10 就可以了。积分电路电路结构如图 J-1，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数 R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于 10 倍于输入波形的宽度。限幅电路图 X 是一个限幅电路，在输入端没信号输入时由于二极管 D 反向连接，所以输出电压为零。当有脉冲信号输入时，如果这个脉冲的幅度足以电压源 E 时，D 就导通，这样电路将输出脉冲的最大值限制在 E+0.6 上（0.6 是 D 的正向导通压降） ，也即 E+0.6 是此限幅器的门限电压。
