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第19章 二极管、三极管和传感器(3)

温度升高时,β和ICBO都要随着温度升高而增加,故IC也要增加,所以三极管的温度稳定性较差。因此,ICBO和ICEO都是衡量三极管稳定性的重要参数,但ICBO比ICEO随温度的变化更大,因而对三极管的工作影响很大,因此在选用三极管时,要求ICBO尽可能小一些,而β值以不超过100为宜。

4-集电极最大允许电流ICM

集电极电流超过某一值时,电流放大系数β值就要下降,ICM就是β下降到其正常值的2/3时的集电极电流。使用三极管时,IC超过ICM三极管不一定会损坏,但β值要显着下降。

5-集-射极反向击穿电压U(BR)CEO

U(BR)CEO是在基极开路时加在集-射极之间的最大允许电压,当三极管的集-射极电压UCE大于U(BR)CEO时,ICEO剧增三极管被击穿。

6-3-5光敏三极管与霍尔元件

在传感电路中(把非电量信号变为电量信号的电路)常用到一些特殊元件,如光敏三极管,霍尔半导体,压敏电阻等。

1-光敏三极管

光敏三极管与光敏二极管的结构相似。不过它具有两个PN结,大多数光敏三极管基极无引线。当有光照时,一个反向偏PN结能产生几微安电流,即该PN结中激发的光电流将被放大β倍而使其导通。一般光敏三极管壳体的顶部都用透明材料做成的集光镜,当有光照射时就会导通,如图6-24所示。

2-霍尔元件

1)霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应,如图6-25所示。

设薄片为N型半导体,磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片,在薄片的左右两端通以电流I(称控制电流),那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动,由于外磁场B的作用,使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏移,结果在半导体的后端面上电子有所积累,而前后端面缺少电子,因此,后端面带有负电,前端面带正电。

在前、后端之间形成电场,该电场产生电场力FE阻止电子继续偏移,当FE与FL相等时,电子累积达到动态平衡,这时在半导体前、后端面之间建立电场,称为霍尔电场EH,即霍尔电压UH经数学推导式中:KH——灵敏系数;——磁场和薄片法线方向的夹角。

因此,半导体在磁场中通以电流后,在半导体两端就会产生电压。

2)霍尔元件

具有霍尔效应的元件称为霍尔元件,它是由霍尔片、4根引线和壳体组成的,如图6-26所示。

霍尔片是一块矩形半导体薄片(一般为4mm×2mm×0-1mm),在它的长度方向引出两个引线,称为控制电流端引线,或激励电极,一般用红色线。在薄片的另两端引出两根引线,称为霍尔输出线,一般用绿色线。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

6-4传感器

传感器由传感元件和转换电路构成,在非电量的测量中,通常将非电量(如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等)变换为电量,然后进行测量。传感器是能把这些非电量变换为电量的电器。传感器的种类繁多,常用的有电阻式、电感式和电容式。

6-4-1电阻式传感器

电阻式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转换成传感器元件(电阻值)的变化,再经过转换电路变成电信号输出。这类传感器常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩等。

电阻式传感器中的传感元件有应变片,半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。这里只介绍应变式传感器。应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量的一种传感器,如图6-27所示。

当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值将发生变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。

图中的电阻丝应变片(还有金属箔栅应变片和半导体应变片),是由直径0-02~0-04mm的康铜或镍铬合金绕成图中的形状,粘在薄纸片上。在测量时,将应变片用特种胶水贴在被测试件上。试件发生的应变通过胶层和纸片传给电阻丝,把电阻丝拉长或缩短,因而改变了它的电阻,这就把机械应变转换成为电阻值的变化。

由于机械应变一般很小,所以电阻的变化也很小,ΔR=10-1~10-4,因此要精确地测量出微小的电阻变化,就要采用转换电路。最常用的转换电路是采用平衡电桥,把电阻的相对变化转换为电压或电流的变化,如图6-28所示。

设4个桥臂均为纯电阻,其中R1为电阻丝应变片。电源电压一般为50~500Hz的正弦交流电压Ui,输出电压为Uo,通过由以上两式可知,输出电压与电阻的相对变化成正比。

由于被测应变信号很小,也很小。因此,还要经放大、整流和滤波等环节后输出,用测录装置指示或记录。

6-4-2电感式传感器

电感式传感器是利用自感(自感式传感器)或互感的变化实现测量的一类传感器,它由线圈、铁心和衔铁等构成。这里只介绍差动式传感器。

差动式传感器是把被测量的变化转换成互感系数的变化。传感器本身其实就是互感系数可变的变压器,如图6-29所示是互感原理。当原边线圈接入激励电压后,副边线圈就将感应产生电压输出,互感系数变化时,输出电压将做相应变化,一般这种传感器的副边有两个线圈,接线方式又是差动的,故称差动式传感器。因它是基于互感变化原理,故也称互感式传感器。

差动式传感器的结构和转换电路如图6-30所示。

当衔铁因外力偏离中间位置向上或向下移动时,电桥不平衡,输出电压的大小与衔铁位移的大小成比例,其相位与衔铁移动的方向有关。电桥的输出电压通常还要经过放大、整流(采用相敏整流器,可以同时鉴别衔铁位移的大小和方向)、滤波等环节后输出,用测录装置指示或记录。

6-4-3电容式传感器

电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量的变化的一种传感器,实际上它本身(或和被测物)就是一个可变电容器。由物理学可知,两平行极板组成的当被测量的变化使式中的、S或任一参数发生变化时,电容量C也就随之变化。因此,电容式传感器有三种基本类型,即变极距或称变间隙型(型),变面积(S型)和变介电常数(型)。它们的极板形状有平板形和圆柱形两种,如图6-32所示为变极距型()电容传感器,图中,1为固定极板,2为可动极板,当可动极板因被测量变化而向上移动(或被测物变大)Δ变化时,电容增量为上极板固定,下极板与被测物相接触,当运动物体上、下位移,则改变了极距,将引起电容的变化,通过转换电路将这种电容的变化转换为电信号输出,输出信号的大小实际上反映了运动物体的厚度。

图6-33(b)是交流电桥电路,C1是电容式传感器;C2是固定电容器,其容量与初始时C1的容量相等,R0是标准电阻。初始时,电桥平衡U0=0,当C1的容量变化时,电桥有电压输出,其值与电容的变化量成比例,由式ΔC=C0·Δ-Δ可知,电容的变化量是绝缘带条厚度变化量Δ函数,当Δ变化较大时,ΔC变化也较大而引起痹U变化较大,说明绝缘带条薄厚不均,不合格;否则为合格。

小结

(1)半导体是导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质,其显着特点是,原子核最外层都有4个电子,如硅、锗等,纯净半导体也称本征半导体,其导电性能较差。在本征半导体中掺入3价和5价元素杂质后(称为杂质半导体),可形成P型半导体和N型半导体。在P型半导体中,多数载流子是空穴,少数载流子是自由电子;在N型半导体中,多数载流子是自由电子,少数载流子是空穴。

(2)PN结是现代半导体器件基础,把一个P型和一个N型半导体经过特殊的工艺结合起来,就形成了PN结,如果把PN结引出两个电极,然后封装起来就是二极管。二极管在正向偏置时,以多数载流子扩散运动为主,处于导通状态;在反向偏置时,以少数载流子的漂移运动为主,处于截止状态。因而体现二极管具有单向导电性,利用二极管的这一特性,可以进行整流、检波、限幅等。二极管的伏安特性是非线性的,所以它是非线性元件,稳压二极管是一种特殊二极管,它工作在反向击穿区,可用来稳压。

(3)如果三个半导体以一定的关系配置起来就形成了三极管。如PNP型或NPN型,三极管是一种电流控制元件,它通过基极的电流去控制集电极电流和发射极电流。所谓放大作用,实质上是一种控制作用。三极管有三种工作状态,即放大状态、截止状态和饱和状态。

各种工作状态应满足相应的工作条件:放大条件为发射结正向偏置、集电结反向偏置;截止条件为发射结反向偏置、集电结反向偏置;饱和条件为发射结、集电结都正向偏置。

(4)三极管输入特性是在UCE一定的情况下,基极电流IB和发射结电压UBE之间的关系,即IB=f(UBE)|UCE=常数,三极管的输出特性是指在IB一定的情况下,集电极电流IC和集-射极电压UCE之间的关系,即:IC=f(UCE)|IB=常数,三极管的特性曲线也是非线性的,所以它和二极管一样,也是非线性元件。

(5)在使用三极管时一定要注意它的主要参数,其主要参数有:电流放大系数,反向饱和电流、反向穿透电流、最大集电极电流、反向击穿电压等。当然在使用二极管时也要注意它的主要参数。

(6)传感器是由传感元件和转换电路组成,它可以把非电量转换为电量,主要种类有电感式、电容式和电阻式等多种类型。

习题

6-1N型半导体中的自由电子多于空穴,而P型半导体中的空穴多于自由电子,是否N型半导体带负电而P型半导体带正电?

6-2什么叫扩散运动?什么叫漂移运动?PN结正向电流和反向电流是何种运动的结果?

6-3当PN结正偏或反偏时,为什么正向电流比反向电流大?当环境温度升高时反向电流会增加吗?

为什么?

6-4三极管的结构有何特点,试证明其结构特点与电流分配的关系,三极管电流放大的外部条件是什么?

6-5测得三极管的电流如下:IC=5-202mA,IB=50μA,ICBO=2μA,试计算IE和β。

6-6已知三极管ΔIE=9mA,ΔIC=8-8mA,计算ΔIB和β。

6-7在习题6-7图中,ui是输入电压的波形,试画出对应于ui的输出电压uo、电阻R上的电压uR和二极管VD两端的电压uD的波形,二极管的正向压降可忽略不计。

习题6-7图

6-8二极管电路如习题6-8图所示,判断图中的二极管是导通还是截止,并求出A、O两点间的电压U。图中二极管均为硅管。

习题6-8图

6-9在习题6-9图中,ui=10sint,E=5V,试分别画出输出电压uo的波形,二极管的正向压降可忽略不计。

习题6-9图

习题6-10图

6-10电路如习题6-10图所示,在下列的几种情况下,试求输出端点F的电位VF及各元件中通过的电流:(1)VA=+10V,VB=0V;(2)VA=+6V,VB=+5-8V;(3)VA=VB=+5V。设二极管的正向电阻为零,反向电阻为无穷大。

6-11特性完全相同的稳压二极管2CW15,UZ=8-2V,接成如习题6-11图所示的电路,各电路输出电压Uo是多少?

6-12有一个三极管接在电路中,今测出它的三个电极的对地电位分别为-9V、-6V、-6-2V。试说明这个管子是硅管还是锗管,是NPN型还是PNP型,哪一些极是基极B、发射极E、集电极C。

习题6-11图

6-13已知两个三极管,一个管β=50,ICBO=2μA;另一个管β=30,ICBO=12μA。如果其他参数相同,选用哪个管较好?为什么?

6-14已知三极管的β=85,ICBO=2μA,当IB=12μA时,求IC为多少?

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