1、 二极管 三极管 特殊晶体管 课题实验第一节基本概念第一节基本概念 半导体的概念 什么是二极管 二极管的检测与焊接 二极管在汽车上的应用 特殊二极管及其在汽车上的应用自然界中，物质的种类繁多，性质各异。根据物质导电性能不同，可将物质分为三类。一类是导体，即是导电性能良好的物质，如银、金、铜、铁等。另一类是几乎不能导电的物体，叫做绝缘体，如塑料、陶瓷、玻璃、橡胶等。还有一类物质，它的导电能力介于导体和绝缘体之间，这样一类物质叫半导体，如硅、锗、砷化镓及一些金属氧化物等。一块P型半导体和一块N型半导体有机地结合在一起，形成一个PN结，用两金属导体将这块半导体分别引出，用绝缘物质封装起来便构成一个二
2、极管（如图2-1-1）。二极管按制造材料可分为硅二极管、锗二极管。二极管可以看作电流的单向止回阀，它只允许电流以一个方向流动，即从二极管的正极流向负极，这就是二极管的单向导电性。流过二极管的电流随着加在二极管上的电压变化而变化的性质称为二极管的伏安特性。如图2-1-2所示为二极管伏安特性曲线。（1）正向特性（2）反向特性（3）反向击穿特性（1）最大电流IF 最大电流是指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。实际使用时的工作电流应小于IF，如果超过此值，将引起PN结过热而烧坏。（2）最高反向电压URM 最高反向电压是指二极管工作时两端所允许加的最大反向电压。通常URM约为反向击穿电压UR
3、的一半，以保证二极管安全工作，防止击穿。一般情况下，二极管都有一定的标注，塑料封装二极管有标记环的一侧是负极；国产二极管带色点的一端为正极。无标记的二极管，如果要检测二极管的好坏，可以用万用表电阻挡来判断二极管的正、负极和好坏。根据二极管正向电阻小、反向电阻大的特点，将万用表拨到R1 k挡（不能用R 1和R10 k挡，R1挡电流太大，可能烧坏二极管；R10k电压太高，可能击穿二极管）。用表笔分别与二极管的两极相接，测出两个电阻值。在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接的一端为二极管正极。同理，在所测得电阻值较大的一次，与黑表笔相接的是二极管负极，如2-1-3所示。如果测得的正、反向电阻值均很小，
4、说明二极管内部短路；若正、反向电阻值均很大，说明二极管内部开路，这两种情况下，二极管就不能使用了。以上是普通二极管的检测方法，汽车交流发电机上的整流二极管就可以按照上述方法进行检测。二极管的焊接与电子元件焊接类似，但要求焊接时间短。要有协助散热措施等（如吹风）。将交流电变成直流电的过程叫做整流。在汽车交流发电机中，就是利用二极管组成的整流板将发电机发出的三相交流电整流为直流电。为了适应汽车发电机的需要，专门制作了用于汽车的整流二极管，它们分为正极管和负极管。如图2-1-4所示。三个正极管和三个负极管构成的整流电路称为三相桥式整流电路，将发电机的交流电变为12V的直流电。整流电路如图2-1-5所
5、示。一个通电的线圈，当突然断电时，就会在线圈中产生一个反向电动势，如果这个反向电动势叠加在电路中的其他电子元件上（一般为三极管）就会引起元件的损坏。为了避免这种现象的出现，一般都在线圈旁边并联一个二极管来吸收反向电动势，这种电路就是二极管的续流电路（如图2-1-6所示）。在这种电路中，二极管起到了对其他电子元件的保护作用，所以也称为保护二极管。除了普通二极管外，还有专供特殊用途的二极管，如稳压管、发光二极管和光电二极管等。稳压管是一种经过特殊工艺制造成的二极管，它与电阻配合使用，具有稳定电压的功能。普通二极管加上反向电压不导通，可是当反向电压达到一定程度（大于UR）时二极管会反向击穿，普通二极
6、管就会烧毁。但是经过特殊工艺制造的稳压管就能够耐得住反向电流。稳压管的外形与普通二极管区别不大，它的符号和伏安特性如图2-1-7所示。操作：用可调直流稳压电源验证二极管的稳压作用。如图2-1-8（a）所示，限流电阻的阻值为500，负载电阻阻值为3k，稳压管的稳压值为5.3V，调整稳压电源的电压输出值从412V逐步变化，对应一个输出值，用万用表测量负载电阻两端的电压，观察电压变化。如图2-1-8（b）所示，是利用稳压管为汽车仪表提供稳定电源的电路，图中的稳压管与电阻串联而与仪表并联。发光二极管的外形及符号如图2-1-9所示。发光二极管的检测：对于发光二极管，在用万用表检测时正反向电阻差值很小，不
7、易区分，可以用图2-1-10所示的方法，自制一根测试线，连接到发光二极管上，直接检测是否发光。如图2-1-11所示为浮子舌簧管开关式液位传感器应用电路。如图2-1-12所示。光电二极管的反向电流随光照强度的增加而上升。它的主要特点是：管子工作在反向状态，反向电流与光照度成正比。光电二极管的结构和外形如图2-1-13所示。利用光电二极管制成光电传感器，可以把非电信号转变为电信号，以便控制其他电子器件。汽车上的许多传感器就是利用光电二极管制成的，用于汽车自动空调系统的日照强度传感器就是一个光电二极管（如图2-1-14所示）。日照强度传感器可以把太阳的照射情况转换成电流的变化，车内自动空调计算机对这
8、种变化进行检测，来调节排风量和排风口温度。图2-1-15是应用在丰田凌志LS400UCF20型轿车上的电路图。第二节三极管第二节三极管 三极管的结构与参数 三极管的三种工作状态 三极管的检测 三极管放大电路在汽车电子电路中的应用 三极管开关电路在汽车电子电路中的应用 三极管构成的多谐振荡器及其在汽车电子电路中的应用半导体三极管也称为晶体三极管。它是由两个相距很近的PN结组成的，是在一块半导体晶片上制造三个掺杂区，形成两个PN结，再引出三个电极，用管壳封装，实物如图2-2-1所示。三极管由P型和N型材料组合的三层材料制成。按照两个PN结的组合方式不同，三极管可分为NPN型如图2-2-2（a）、（
9、b）所示和PNP型如图2-2-2（c）、（d）所示两种。实际上，一个三极管是拥有共同中间层的两个二极管。三极管的性能可以用参数来进行描述，三极管参数是工程实践中选用管子的主要依据，各种参数均可在三极管手册中查到。（1）电流放大倍数三极管在有输入信号的情况下，输出信号的电流变化与输入信号的电流变化之比，称为电流放大倍数，也就是一般简称的三极管放大倍数。电流放大倍数决定了三极管的基本放大能力。（2）穿透电流ICEO当基极b开路时，集电极c、发射极e之间加上一定电压时，ce之间并不是没有电流流过，只是流过的电流很小，称为穿透电流ICEO。三极管的穿透电流越小，管子的质量越好。（3）极限参数使三极管得
10、到充分利用而又安全可靠工作的参数，叫做极限参数。1）集电极最大允许电流ICM集电极电流的上升会引起电流放大倍数的下降，通常将值下降到正常值的三分之二时所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。ic超过ICM时，三极管不一定损坏，但放大能力会下降。2）集电极最大允许耗散功率PCM当集电极耗散功率是指集电极流过的电流与加载的电压的乘积。当集电极耗散功率上升时，三极管发热，温度上升，管子性能下降，甚至损坏。PCM是指集电结温度不超过允许值（手册上有规定）时，集电极所允许的最大功耗。3）反向击穿电压三极管工作时，加在任何两个电极之间的反向电压超过一定值时，都会产生很大电流，从而导致管子损坏。U（
11、BR）CEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的击穿电压值。除此之外，还有U（BR）EBO、U（BR）CEO等，均可在手册中查出。操作规范：ICM、PCM、U（BR）CEO是三极管的极限参数，使用时不允许超过它，这三个参数共同确定了三极管的安全工作区域。根据三极管连接的外部电路条件，三极管有三种工作状态。基极加了反向偏压。在这种状态下，三极管不导通，没有电流流动，称为三极管的截止状态。如果把ce间看作一个开关的两端，截止状态相当于开关断开。对于PNP型三极管，发射极e与基极b电位差小于0.3V，如图2-2-3（b）所示，基极加了反向偏压，PNP三极管截止。如图2-2-4（a）所示，当NPN管的
12、基极b与发射极e电位差大于0.7V，这种情况称为基极加了正向偏压。在这种状态下，三极管导通，集电极C向发射极e有电流，而且流过的电流的大小与基极b流入的电流成正比，称为三极管的放大状态。对于PNP管，放大状态的条件是基极b的电位比发射极e的电位低0.3V以上。如图2-2-4（b）所示。在放大状态，三极管ce之间的电流是随着基极b的电流增大而增大的。但是，当三极管的基极电流增加到一定值时，再增大正向偏压，加大基极电流，ce之间的电流维持在一个最大值而不再增大了，这种状态称为三极管的饱和状态。在饱和状态，三极管ce之间电位差很小，几乎为零，相当于一个开关的两端闭合。在分析汽车电路中，如果遇到三极管
13、饱和的状态，可认为c、e电位相等。一般情况下，管型是NPN还是PNP应该从管壳上标注的型号来判别。依照部颁标准，三极管型号的第二位（字母），A、C表示PNP管；B、D表示NPN管。常用的小功率三极管有金属圆壳封装和塑料封装（半圆柱形）等，管脚排列如图2-2-6（a）所示。大功率三极管的外形有金属壳封装（扁柱形）管脚排列如图2-2-6（b）所示，以及塑料封装（扁平、管脚直列）等形式。用指针式万用表的黑表笔接假定的基极，用红表笔分别接触另外两个极。若测得电阻都较小，约为几百欧至几千欧；将红黑表笔对调，测得电阻都较大，约为几百千欧以上，这个管子就是NPN管，最初黑表笔接的就是基极。用指针式万用表的黑
14、表笔接假定的基极，用红表笔分别接触另外两个极。若测得电阻都较大，约为几百千欧以上；将红黑表笔对调，测得电阻都较小，约为几百欧至几千欧。这个管子就是PNP管。最初黑表笔接的就是基极。对于NPN管，确定基极后，用指针式万用表的两个表笔分别接触另两个管脚，同时用指尖轻触基极，观察万用表指针摆动情况；将两个表笔对调，重复上述过程。取指针摆动较大一次的表笔接触位置，黑表笔接触的是集电极c，红表笔接触的是发射极e。对于PNP管，确定基极后，用指针式万用表的两个表笔分别接触另两个管脚，同时用指尖轻触基极，观察万用表指针摆动情况；将两个表笔对调，重复上述过程。取指针摆动较大一次的表笔接触位置，黑表笔接触的是发
15、射极e，红表笔接触的是集电极c。测晶体三极管正向阻值很大时，表明三极管开路，如反向电阻值很小，或c-e极间的电阻值接近零，说明三极管短路或已击穿。如c-e极间的电阻值很小，则表明三极管的穿透电流过大，已不能使用。也可以测量晶体管直流电压来判断，短接基极与发射极，如集电极不变化或低于电源电压，表示晶体三极管漏电或已击穿，检测NPN硅管放大器的直流工作状态时，可以测Vb、Ve、Vc。Vb应比Ve高为约0.7V，即Vbe=0.7V，这可作为判断三极管好坏的依据，另外汽车电路中用NPN型晶体管作振荡器，正常时基极电压应比发射电压低。但上述测量是用指针式万用表在三极管的空脚上进行的，如果三极管是焊在电路
16、上，就要考虑并联处电路的影响，不能仅以电阻值来判断三极管的好坏。按照三极管处于放大状态的条件构成三极管基本放大电路，如图2-2-7所示。用信号发生器产生如图2-2-8（a）所示的电压波形，输入到图2-2-7电路中的基极，在集电极就会得到如图2-2-8（b）所示的电压波形。用示波器观察对比输入、输出波形。信号经过三极管放大，在放大电路中发生了三个变化：（1）输入电压信号被放大。（2）输入电流被放大。（3）输出波形反了180用三极管进行信号放大时，信号一定是从基极输入的，放大的信号可以从集电极输出也可以从发射极输出。三极管的最主要的性能是放大。在汽车电子电路中，主要用来对微弱信号进行放大。图2-2
17、-9所示为利用三极管的放大特性制作的汽车电气线路搭铁（短路）探测器。当三极管在基极电流控制下，在截止与饱和两种状态交替变换，就如同一个开关的断开与闭合状态交替变换一样。如图2-2-10所示为NPN管的开关状态。图2-2-11为NPN管开关电路。操作：按照图2-2-12所示电路连接。当按下开关后，发光二极管发光；开关断开后，发光二极管熄灭。讨论：分析图2-2-12电路的工作原理。PNP管的开关电路与NPN管开关电路组成和工作原理类似，只不过加在基极b上的控制信号要低于发射极电位。如图2-2-13示为PNP管的开关状态。操作：按照图2-2-14所示电路连接。当开关闭合后，发光二极管发光；开关断开后
18、，发光二极管熄灭。讨论：分析图2-2-14电路的工作原理。术语：工程实践中，一些三极管经过特殊工艺制造。只需要很小的基极电流就能够达到饱和导通状态。这种管子几乎就只工作在截止和饱和导通两种状态，即开关状态。一般将经常工作在开关状态，起开关作用的三极管叫做开关管。操作规范：在开关管控制的继电器或喷油器等线圈结构的电子器件旁边一定并联一个续流二极管。有时在电路中为了控制的需要，要用到两级或三级开关电路，这些电路在汽车发电机电子调压器电路中经常用到。如图2-2-15（a）所示为两级开关电路，图2-2-15（b）所示为三级开关电路。所谓达林顿管就是连接在一起的两只三极管，又称为复合管，它的放大倍数是两
19、个三极管放大倍数的乘积。如图2-2-16所示，三极管VT1用作前置放大管，它产生推动VT2的基极电流，VT2是末级放大管，它与控制电路是隔离的，将电流继续放大以驱动负载部件。国产JFT106型电子调节器为14V外搭铁式，调节电压为13.814.6V，可与14V、750W的九管外搭铁硅整流发电机配套使用，也可与14V、1000W的普通六管硅整流发电机配套使用，其电路如图2-2-17所示。JFT201型电子调压器适用于14 V、500 W以下的各种交流发电机，电路如图2-2-18所示。晶体管点火电路的点火信号由装在分电器内的信号发生器提供，如图2-2-19为一种磁感应式点火信号发生器。磁感应式点火
20、信号发生器由信号转子、传感线圈、铁心、永久磁铁等组成，如图2-2-20所示。整个信号发生器装在分电器内，永久磁铁和铁心固定在分电器内，传感线圈绕在铁心上。信号转子由分电器轴带动，其上的凸齿数与发动机气缸数相同。传感线圈中磁通的变化和感应电动势如图2-2-21所示。汽车电路中包含很多信号报警电路，基本原理就是监控一个点的电位变化，来控制三极管的开关，发出声音或光的报警信号。如图2-2-22所示为监测蓄电池液位报警电路。多谐振荡器是由三极管放大电路和将三极管集电极输出信号反传给三极管基极的正反馈电路组成的，如图2-2-23（a）所示。这种电路一般都画成左右对称的形式，在电路中比较容易辨认。图2-2
21、-23（b）所示电路为帮助理解多谐振荡器的电路。多谐振荡器工作原理：操作：用示波器观察图2-2-23所示电路的输出波形，描绘三极管基极和集电极的波形。选用不同的容量的C1和C2及不同阻值的R1和R2，就可以改变电容的放电时间，由此改变振荡电路的振荡周期。（1）电子式闪光器改变电阻R2、R3和电容器C的大小以及V3的值，即可改变闪光频率，如图2-2-24。（2）电子式电喇叭电子式电喇叭即无触点电喇叭，它具有音色和音量不变且易调整、故障少等优点，因而在现代汽车上使用愈来愈广泛。电子式电喇叭主要由多谐振荡器及功率放大器组成，图2-2-25为其电路图。V1、V2、V3构成一多谐振荡器。（3）刮水器间歇
22、控制图2-2-26为多谐振荡器控制的间歇式电动刮水器。其中R1和C1决定继电器J1的通电时间；R2和C2决定继电器J的断电时间。当雨刮开关置于“0”（“空”）档时，若接通间歇开关，多谐振荡器工作，作周期性翻转。第三节特殊晶体管第三节特殊晶体管 光电三极管 晶闸管 场效应管光电三极管在原理上类似于三极管，只是它的集电结为光电二极管结构。它的等效电路和符号如图2-3-1所示。光电三极管的基本应用电路如图2-3-2所示。A点电位随着外界光线的照射而发生变化。光电三极管在汽车上主要应用于传感器中。把发光二极管和光电三极管组合在一起，可实现以光信号为媒介的电信号的转换，采用这种组合方式的器件称为光电耦合
23、器。当光电耦合器作为传感器来使用时，称为光传感器，如图2-3-3所示，它可以检测物体的有无和遮挡次数等信号。如图2-3-4所示为NISSAN公司光电式曲轴位置传感器。传感器装在分电器轴上，随着分电器轴的转动，信号盘交替遮挡传感器的光线，发出表征曲轴位置的信号。图2-3-5所示为光电式车速传感器。光电式车速传感器装在组合仪表内，由带切槽的转子和光电耦合器组成。带切槽的转子由转速表转轴驱动，当转子转动时，盘齿间断地遮住发光二极管光源，使光电三极管的输出电压发生变化。转轴转一圈，输出20个脉冲，经分频后变成4个脉冲，送给ECU。晶闸管也叫可控硅，从外观上看与三极管没有什么区别，是一种仅有开关功能（导
24、通或阻断）的硅半导体元件，其结构示意和符号如图2-3-6所示。绝缘栅型场效应管是由金属一氧化物一半导体制成，简称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管。MOS管分N沟道和P沟道两类。MOS管结构及符号如图2-3-7所示。第四节课题实验第四节课题实验 实验一三极管放大器实验 实验二LED数码管显示实验 实验三晶体管电压调节实验实验一 三极管放大器实验1测量三极管放大电路静态工作点及放大倍数；2观察静态工作点对三极管放大电路输出波形的影响。凌凯汽车电学基础实验箱一台、EXCEL V-252示波器一台、DT9208A数字万用表一台、音频信号发生器TAG-101一台，交流毫伏表
25、TVT-321一台。凌凯汽车电学基础实验箱上有两个三极管实验电路，其原理图及元件参数如图2-4-1、图2-4-2所示，实验一是典型的共发射极基本放大电路，实验二在实验一的基础上加了射极偏置电路，在实验过程中可以理解二者的优缺点。（一）三极管放大器实验项目一（一）三极管放大器实验项目一给实验箱接通电源，调节R2，使VCEQ1V，RC=R3=2k，用万用表测量J18和J14之间的电压，调节R2，使其电压约为1V。用万用表测量VBEQ，即J16和J14之间的电压，测量后将VCEQ和VBEQ值填入下面空格中：VCEQ=，VBEQ=，ICO=（VCC-VCEQ）/R3=。（1）闭合开关S1，并使RC=R
26、3=2k；（2）打开音频信号发生器TAG-101电源，并使其输出5mV，1kHz信号电压，将信号电压接入放大电路输入端，即TAG-101的红色鳄鱼夹接S13，黑色鳄鱼夹接J14；（3）用示波器观察放大器输出信号VO，即观察J19和J20之间信号，即示波器表笔探针接J19，接地鳄鱼夹接J20。观察VO波形是否失真，如果失真应将Vi值减少，即调小TAG-101的输出信号电压；（4）打开交流毫伏表TVT-321电源，用其测量Vi，即红色鳄鱼夹接J13，黑色鳄鱼夹接J14，并将Vi值填入表2-4-1中；（5）断开S4，即RL=，用TVT-321测量VO并填入下表2-4-1，并计算放大倍数Au。（6）合
27、上S4，即RL=2.7k，用TVT-321测量VO并填入表2-4-1，并计算放大倍数Au。按下表2-4-2的要求，观察VO波形，在表中给定的条件下，增加Vi（频率1kHz信号电压）幅值，直到VO波形的正或负峰值刚要出现削波失真，描下此时VO的波形，并保持Vi之值不变，测量VCEQ值时，需将输入信号源断开，在放大电路处于直流静态时测量。1测量静态工作点闭合S3，用万用表测量VE（即J37和J33之间的电压差）调节R18，使VE=2.1V（即ICIE=1.2mA）用万用表测量电压VC（J36和J33之间的电压）和VB（即J35和J33之间的电压）并记录之。VC=，VB=，Vc=（1）闭合开关S3、
28、S5；（2）打开音频信号发生器TAG-101，给放大器输入频率为1kHz的信号，即红色鳄鱼夹接J12，黑色鳄鱼夹接J33；（3）用示波器观察VO，即J38和J39之间的波形，调整TAG-101的幅值旋钮，保证VO信号不失真。（4）用交流毫伏表测量Vi（J12和J33之间的信号电压）和VO（J38和J39之间的信号电压）并填入表2-4-3。由于5.1k和51的分压作用，电路的实际输入信号近似Vi，以便可用交流毫伏表的同一量程测量VO和Vi，减少因量程不同而带来的附加误差，并保证在输出信号不失真的条件下测量。在RL=2.7k，使Vi约为3V时，分别观察并记录当R18=0及R18=100k时的VO波
29、形，并记录到表2-4-4：在用万用表测量VC时，需将输入信号源断开，使放大电路处于直流静态状态下。1正确记录数据及波形；2分析表2-4-2和表2-4-4中波形变化的原因及性质；3将静态工作点放大倍数的实验值和估算值列表比较。实验二 LED数码管显示实验1 掌握LED数码管显示数字的基本原理。2 掌握分析LED数码管显示故障的方法。1蓄电池1个，万用表1个，面包板1块。2LED共阴数码管、LED共阳数码管各2个，1 k电阻8个，单股导线若干。1用LED共阴数码管按照图2-4-3所示电路，在面包板上进行组装。2按照从1到9的次序，分别将从数码管管脚引出的导线连接到电阻上，显示数字，观察显示结果。3
30、如果显示出现错误，依次检查连接点是否断路，排除故障。4设计共阳数码管显示实验电路，并按上述步骤进行实验。不能将数码管管脚不经过电阻直接连接到电源上。那将使数码管电流过大，烧坏数码管实验三 晶体管电压调节实验1掌握晶体管电压调节器的工作原理。2掌握晶体管电压调节器动态实验方法。1直流可调电源1个，万用表1个。2不同搭铁形式的晶体管电压调节器各1个，2 W/12V白炽灯2个，导线及接头鳄鱼夹若干。1电压调节器根据配合使用的交流发电机形式，有内搭铁和外搭铁之分。搭铁形式可根据下述实验方法检验出来。首先认清调压器接线柱符号，一般有“B”（或“D”）、“F”、“”三个引脚。“B”接电源正极，“-”接电源
31、负极，根据搭铁形式，励磁线圈接在B与F之间（内搭铁），或接在“F”与“”之间（外搭铁）。2 将一个050V/5A直流可调电源、两只2 W/12V白炽灯和开关，按照图2-4-4所示电路连接，接通开关，逐渐升高电压，当电压升为45V时，白炽灯发光。“B+”与“F”之间白炽灯发光，表明调节器是内搭铁式；“F”与“”之间白炽灯发光，表明调节器是外搭铁式。3将不亮的白炽灯拆去，继续升高电压，白炽灯亮度会随之增强，表明调节器内部开关管闭合。当电压升高到预定调节值时，白炽灯会由亮转灭，说明调节器内部开关管断开。当电压又降低到规定值以下时，白炽灯又亮，说明开关管又闭合。4 如果晶体管调压器不能实现上述过程，则说明调压器损坏。1晶体管调压器的任何两个引脚之间不能短接，否则调压器将损坏。2本实验中白炽灯的位置就是实际中励磁线圈的位置，白炽灯的亮灭说明了励磁线圈是否流过电流。3从外部特性来看，晶体管调压器就相当于一个受调解电压控制的电子开关。4调压器的调压值要以万用表测试数据为准，不依赖电源输出指示值，这一点在维修时很重要。
