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DIY计算机必须掌握的知识点（5）——晶体二极管

    半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。我们常听说的美国硅谷，就是因为起先那里有好多家半导体厂商。
    在纯净的硅材料中掺杂将会大大地改变它的导电性能，掺入5价元素将多出一个电子形成N型半导体，掺入3价元素将少一个电子形成P型半导体，将P型和N型半导体有机地组合在一起便形成了有特殊导电能力的器件，这个器件就是晶体管。

1.3.1 二极管的特性
         
                                  图 1.13 二极管示意图
     如图 1.13(a)所示为二极管的电路符号，它有两个电极，一个称为阳极（A），另一个称为阴极（K）。二极管最基本的特性是单向导电性，电路符号中箭头所指方向为电流容易流过的方向。表示若在阳极A加正电压，而在阴极K加负电压，则能流过较大的正向电流，如图1.13(b)所示；若所加电压极性相反，则流过的反向电流非常小，几乎可以忽略不计，如图 1.13(c)所示。
                              
                              图1.14  二极管的正向导通实验电路
    利用如图1.14所示的电路可以测量二极管的正向导通特性，通过改变电源电压，同时监测回路电流和二极管正向电压，就可测出二极管的伏安特性，本电路通过计算机仿真软件Protel进行了仿真。从仿真结果中可以看出，当由于电源电压较低使二极管正向电压小于0.7V时，回路电流较小，当电源电压上升使二极管正向电压达到0.7V时，回路电流上升较快，而且电源电压继续上升，回路电流也继续上升，但二极管正向电压保持在0.7V不变。因此VT=0.7V被称为是这个类型二极管的正向导通电压，可以这么认为，当二极管的正向电压小于VT时，二极管未导通或未完全导通，而当二极管正常导通时，它的正向电压将保持在VT不变。因此回路电流可通过下式计算：
                                       

                                 
                                 图1.15   二极管的伏安特性曲线
    同样将图1.14中的电源电压反向，可以测量二极管的反向特性，这时会发现不论电源电压在图中所示范围内怎样改变，回路电流始终接近为零。
    若使图1.14中的电源电压在一定的正负电源范围内连续变化则可得到图1.15的二极管的伏安特性曲线，图中第一象限为二极管的正向特性曲线，可见二极管的正向电压达到VT后，正向电流上升很快，而随着正向电流的增加，二极管的正向电压增加很小。第三象限为二极管的反向特性曲线，从图中可以看出，二极管的反向电流非常小，但是反向电压增加到一定值后，反向电流显著增加，这种现象称为击穿。电流开始激增时的电压称为击穿电压或齐纳电压。在应用二极管时应确保它不会被击穿。
    小结：单向导电性是二极管的基本特性，二极管（硅管）的正向导通电压为0.7V。二极管的反向电流非常小，但当它的反向电压达到一定值时，二极管会被击穿。在选择二极管时，最重要的两个参数是最大正向电流和最大反向耐压。

1.3.2 特殊二极管
    上节所讲为普通二极管的特性，本节介绍一些具有特殊用途的二极管。
    1.稳压二极管
    稳压二极管是在反向击穿状态下工作的二极管，故也称为齐纳二极管。图1.16(a)为它的电路符号，利用图1.16(b)的电路可以测量稳压二极管的反向特性，使电源电压在如图所示的范围内变化，测出相应的稳压管的反向电压和反向电流，可以得到如图1.16(c)所示的反向特性曲线。从曲线中可以看出，随着稳压管反向电压的增加，当反向电压小于3.6V时，反向电流增加缓慢，当稳压管反向电压达到齐纳电压时，反向电流显著增加，且随着外部电路继续使反向电流增加，稳压管的反向电压保持不变，这个保持不变的齐纳电压值称为稳压值，图1.16(b)电路中稳压管Z的稳压值为3.6V。稳压二极管通常使用在要求输出电压变化极小的稳压电源中。
            
                              图1.16  稳压二极管示意图

    2．发光二极管
                           
                               图1.17   发光二极管示意图
    发光二极管主要是用镓的化合物作为原材料制成的二极管，一旦有正向电流流过这个二极管，它就会发出红、绿、蓝等颜色的光。如图1.17(a)所示为它的电路符号，对于不同颜色的发光管它的导通电压也不同，红色发光管的导通电压为1.5V，绿色为1.8V，蓝色则为2.0V，发光管的亮度取决于流过它的电流的大小。如图1.17(b)所示为发光管的实验电路，R1和RP共同构成发光管的限流电阻，通过改变图中电位器RP的大小可以控制回路电流IL，从而观察发光管L的亮度随电流大小而变化的特性，及测量发光管的导通电压。
假设回路的总限流电阻为R，则它的取值与回路电流（即发光管的亮度）的关系应为：
                                       
    式中 为发光管的导通电压。

1.3.3 二极管的识别
　　 小功率二极管的阴极，在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极(A极或正极)或N极(K极或负极)，也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
    注意：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。

1.3.4 二极管的重要参数
　　用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数，不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：
　　1. 最大工作电流
　　是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大工作电流值，例如常用的IN4001－4007型二极管的额定正向工作电流为1A。
　　2. 最高反向工作电压
　　加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值，例如IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。
　　3. 反向电流
　　反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。
　　4. 最高工作频率
    二极管工作的上限频率，超过此值时二极管将不能很好地体现单向导电性。

1.3.5 撰写小论文
    作为大一学生学会通过网络查找资料写作小论文，这是一个很重要的学习环节和锻炼机会。与此同时如何利用相应的绘图工具和Word文字排版软件写出符合出版格式的文章，也是一个十分重要的训练环节。就象博主发表的博文一样漂亮，难道你不羡慕吗？
    以下是博主出的几个题目，你不妨尝试写作。尽管看起来简单，但对你将来的工作肯定帮助很大，如果可能博主将为你修改之后在此发表。
    1. 常见发光二极管的分类与选型
    2. 常用整流二极管的分类与选型
    3. 常用稳压管的分类与选型
    4. 其它二极管的分类
    当然针对上述知识点选题写作的范围很广泛，因此建议大一学生不妨自己拟定一些题目写作，力求扩大自己的知识面，博主的用意仅仅希望起到抛砖引玉的作用。

[ 本帖最后由 老夫子 于 2009-10-14 09:16 编辑 ]

DIY计算机必须掌握的知识点（6）——晶体三极管

    2．三极管的实验电路及分析
    如图1.19所示为晶体三极管实验电路原理图，图中有两个回路：基极回路和集电极回路。基极回路由基极电源Eb、电阻Rb和三极管BE组成。因三极管的BE相当于一个二极管，故导通时Vbe=0.7V，基极电流Ib可通过欧姆定律得到：
                                    

                          
                                   图1.19 晶体三极管实验电路
    因此通过改变基极电源Eb就可改变基极电流的大小。
    集电极回路由集电极电源Ec、集电极电阻Rc和三极管CE组成，则回路方程为：
                                    
    由于两个回路的电流都要流过发射极，因此发射电流Ie应是基极电流Ib和集电极电流Ic之和，即：
                                    Ie = Ib + Ic

    3．仿真实验
    使用Protel对如图1.19所示的三极管电路进行仿真，仿真类型选择“DC Sweep”，扫描主电源为Eb，从电源为Ec，重点观察Ib、Ic和Vce的波形。

    4．实验结论
    (1) 即使加有集电极电压，但在基极无电流流过时，集电极和发射极也无电流流过。这样的状态称为三极管的“截止状态”，此时集—射电压Vce等于电源电压。
    (2) 若基极电流有微量的电流流过，则在集电极可以获得较大的电流，且因集电极回路电源电压的变化所引起的集电极电流的变化不大，因此可以说集电极电流仅受控于基极电流。这样的状态被称为三极管的“放大状态”，集电极电流与基极电流之比被称为三极管的直流放大倍数：
                                   
    在放大状态下，随着基极电流的上升，集—射电压Vce逐渐降低。
    (3) 当基极电流增加到一定值时，集电极电流将保持在一个最大值Ics而不再增加，此时集电极电流与基极电流的比值将小于放大状态时的直流放大倍数（即有 ）。这样的状态被称为三极管的“饱和状态”，在饱和状态下，集—射电压Vce约等于0.2V～0.3V。实际上三极管在饱和时的集电极电流（即上面提到的最大值）就是集电极回路能够提供最大电流。
    小结：三极管是一个电流控制器件，即用基极电流去控制集电极电流。若基极电流为零，则集电极电流也为零，此时三极管处于截止状态；若基极有微小电流流过，则集电极中可得到较大的电流，此时三极管处于放大状态，集电极电流与基极电流的比值被定义为三极管的放大倍数；当基极电流较大，使集—射电压约等于0.2V～0.3V时，三极管处于饱和状态，此时集电极电流为集电极回路能提供的最大电流。

1.4.2 三极管的重要参数
    本节以S8050为例介绍几项三极管的重要参数及意义，这对于三极管的选型非常重要。
  1. 集电极—发射极最大耐压Vceo
    基极开路时集电极和发射极之间的最大电压，若超过此值则三极管将被击穿。在选择晶体管时，Vceo大约为所用电源电压的两倍。S8050的Vceo为25V。
  2. 最大集电极电流Icm
    Icm是能够流过三极管集电极的最大电流。在选择晶体管时，Icm大约为三极管正常工作时流过集电极最大电流的两倍。S8050的Icm为0.5A。
  3. 最大集电极功耗Pcm
    Pc是集电极—发射极间的消耗的功率，为集电极电流Ic与集—射间电压Vce的乘积，即：
                                    Pc = Ic X Vce
    Pc在三极管内部转换为热，可导致三极管内部温度上升。Pcm则是可消耗的功率的最大值。S8050的Pcm为0.625W。
    当三极管处于截止状态时，虽然集—射电压Vce最大，但集电极电流Ic最小，因此功耗较小；当三极管处于饱和状态时，虽然集电极电流Ic最大，但集—射电压Vce最小，因此功耗也较小；当三极管处于放大状态时，集电极电流Ic和集—射电压Vce都较大，因此功耗最大。

1.4.3 三极管的使用
    因本教材是为计算机逻辑电路打下硬件基础的，故本节只讨论三极管的“截止”和“饱和”两个状态。至于“放大”状态则比较复杂，将来在<<电子技术基础（模拟部分）>>课程中还将详细学习。
    1．开关应用
     
                                    图1.20 三极管的开关应用
          (a)三极管开关电路图     (b)三极管开关等效电路     (c)三极管开关输入输出波形
    如图1.20(a)所示为三极管开关电路图。当输入Vi在0V左右时，三极管截止（关），输出Vo被R3拉为高电平；当输入Vi在+VCC左右时，三极管饱和（开），输出Vo接近0V。为了保证三极管工作在开（饱和）关（截止）状态，输入Vi必须不是较高电平就是较低电平，如若输入Vi为某个中间值2.3V（设VCC=5V），则三极管将进入放大状态，这是开关电路所不允许的。若输入在较高电平和较低电平之间变化，则必须迅速通过放大区。这样以来，图1.20(a)就等效为图1.20(b)所示的开关电路，即三极管等效为一个受控开关。
    图1.20(c)为开关电路的输入输出波形图，图中输入Vi和输出Vo的取值仅为0V和VCC两者之一，且输入为0V输出就为VCC，输入为VCC输出就为0V，相当于一个反相器。
    2．驱动继电器
    继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。
    图1.21所示为用NPN型三极管驱动继电器的电路图，图中阴影部分为继电器电路，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。当输入为0V时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器释放（OFF）；相反，当输入为+VCC时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合（ON）。
                              
                               图1.21 用NPN三极管驱动继电器电路图
    当输入电压由变+VCC为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器电感线圈中的电流突然失去了流通通路，若无续流二极管D将在线圈两端产生较大的反向电动势，极性为下正上负，电压值可达一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足以损坏三极管。故续流二极管D的作用是将这个反向电动势通过图中箭头所指方向放电，使三极管集电极对地的电压最高不超过+VCC +0.7V。
    图1.21中电阻R1和R2的取值必须使当输入为+VCC时的三极管可靠地饱和，即有 。
    例如，在图1.21中假设Vcc = 5V， ， ，则有 。
    而  
    则
    若取 ，则 。为了使三极管有一定的饱和深度和兼顾三极管电流放大倍数的离散性，一般取 左右即可。
    若取 ，当集成电路控制端为+VCC时，应能至少提供1.2mA的驱动电流（流过R1的电流）给本驱动电路，而许多集成电路（例如标准8051单片机）输出的高电平不能达到这个要求，但它的低电平驱动能力则比较强（例如标准8051单片机I/O口输出低电平能提供20mA的驱动电流），则应该用如图1.22所示的电路来驱动继电器。
                                
                               图1.22 用PNP三极管驱动继电器电路图
     与图1.21比较NPN三极管变为PNP三极管，电流方向、电压极性和继电器逻辑都应有所变化。当输入为0V时，三极管饱和，从而使继电器线圈有相当的电流流过，继电器吸合；相反，当输入为+VCC时，三极管截止，继电器释放。

怎么没了呢 等啊等

GOOD 謝謝

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有意思，等待下文！

期待

要是 早几年看着文章

学习了。

有头无尾的，无味。

挖坟帖，而且没连载完……

据我所知，用fpga，cpld芯片diy是可以的

顶一个的先！！！