汽車電工電子基礎(chǔ)（第3版） 課件 7.1晶體三極管控制電磁閥電路實(shí)驗(yàn)

7.1晶體三極管控制電磁閥電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目七：汽車執(zhí)行器與控制晶體三極管的簡介及結(jié)構(gòu)三極管的放大原理和特性曲線三極管的主要技術(shù)參數(shù)三極管的開關(guān)電路和機(jī)械開關(guān)相比的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)施項(xiàng)目123451.晶體三極管的簡介及結(jié)構(gòu)晶體三極管是一種利用輸入電流控制輸出電流的電流控制型器件,它由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成,在電路中主要作為放大和開關(guān)元件使用。是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)外部具有三個(gè)電極的半導(dǎo)體器件。高頻小功率晶體三極管能控制的電流一般為0.5A,而大功率晶體三極管可以控制8A的電流。更大的電流控制就需要使用場效應(yīng)管或IGBT了。（1）晶體三極管的簡介1）從圖中我們可以知道：三極管內(nèi)部有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)；引出電極分別為發(fā)射極e、基極b、集電極c。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。（2）晶體三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）三個(gè)電區(qū)的特點(diǎn)：①使發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高，以有效地發(fā)射載流子。②使基區(qū)摻雜濃度最小，且最薄，以有效地傳輸載流子。③使集電區(qū)面積最大，且摻雜濃度小于發(fā)射區(qū)，以有效地收集載流子。3)電路符號：三極管的電路符號三極管的種類很多，通常按以下方法進(jìn)行分類：按半體制造材料可分為硅管和鍺管。硅管受溫度影響較小、工作穩(wěn)定，因此在自動(dòng)控制設(shè)備中常用硅管。按三極管內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)可分為NPN型和PNP型兩類。目前我國制造的硅管多為NPN型（也有少量PNP型），鍺管多為PNP型。按工作頻率可分為高頻管和低頻管。工作頻率高于3MHz為高頻管，工作頻率在3MHz以下為低頻管。按功率可分為小功率管和大功率管。耗散功率小于1W為小功率管，耗散功率大于1W為大功率管。按用途可分為普通放大三極管和開關(guān)三極管等。（3）三極管的分類2.三極管的放大原理和特性曲線

晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個(gè)定值，但隨著三極管工作時(shí)基極電流的變化也會(huì)有一定的改變。三極管還可以作電子開關(guān)，在數(shù)字電路和汽車電路中常用。1)三極管放大條件要使三極管能夠正常放大信號，發(fā)射結(jié)應(yīng)加正向電壓，集電結(jié)應(yīng)加反向電壓。

（1）三極管的放大原理

電源VCC通過偏置電阻Rb為發(fā)射結(jié)提供正向偏置，RC阻值小于Rb阻值，所以集電結(jié)處于反向偏置。三極管各電極電流關(guān)系的測量電路從實(shí)驗(yàn)中我們可以得出三極管電路有由下關(guān)系：①三極管電流分配關(guān)系：IE=IC+IB②三極管電流放大倍數(shù)：β=ΔIC/ΔIB，當(dāng)ΔIB有一微小變化，就能引起ΔIC較大的變化，這種現(xiàn)象稱為三極管的電流放大作用。1)輸入特性曲線輸入特性曲線是反映三極管輸入回路電壓和電流關(guān)系的曲線，如圖7-5所示。它是在輸出電壓VCE為定值時(shí)，iB與VBE對應(yīng)關(guān)系的曲線。當(dāng)輸入電壓VBE較小時(shí)，基極電流iB很小，通常近似為零。當(dāng)VBE大于三極管的死區(qū)電壓Vth后，iC開始上升。三極管正常導(dǎo)通時(shí)，硅管VBE約為0.7V，鍺管約為0.3V，此時(shí)的VBE值稱為三極管工作時(shí)的發(fā)射結(jié)正向壓降。輸入特性實(shí)質(zhì)上就是二極管特性曲線。（2）三極管的特性曲線2）輸出特性曲線輸出特性曲線是反映三極管輸出回路電壓與電流關(guān)系的曲線，是指基極電流IB為某一定值時(shí)，集電極電流IC與集電極電壓VCE對應(yīng)關(guān)系的曲線。截止區(qū)：習(xí)慣把IB=0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于三極管內(nèi)部各極開路。在截止區(qū)，三極管發(fā)射結(jié)反偏或零偏，集電結(jié)反偏。此時(shí)C、E相當(dāng)于開關(guān)斷開。

放大區(qū)：它是三極管發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)的工作區(qū)域。最主要特點(diǎn)是IC受IB控制，具有電流放大作用。

飽和區(qū)：當(dāng)VCE小于VBE時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正偏，此時(shí)IC已不再受IB控制。此時(shí)管子的集電極—發(fā)射極間呈現(xiàn)低電阻，相當(dāng)于開關(guān)閉合。3.三極管的主要技術(shù)參數(shù)（1）集電極最大直流耗散功率（Pcm）一般要求用Pcm與原管相等或較大的晶體管進(jìn)行置換。但經(jīng)過計(jì)算或測試，如果原晶體管在整機(jī)電路中實(shí)際直流耗散功率遠(yuǎn)小于其Pcm，則可以用Pcm較小的晶體管置換。（2）擊穿電壓用于置換的晶體管，必須能夠在整機(jī)中安全地承受最高工作電壓；（3）集電極最大允許直流電流（Icm）一般要求用Icm與原管相等或較大的晶體管進(jìn)行置換。（4）頻率特性晶體管頻率特性參數(shù)，常用的有以下2個(gè)：1.特征頻率Ft：它是指在測試頻率足夠高時(shí)，使晶體管共發(fā)射極電流放大系數(shù)時(shí)的頻率。2.截止頻率fb：在置換晶體管時(shí)，主要考慮Ft與fb。通常要求用于置換的晶體管，其Ft與fb，應(yīng)不小于原晶體管對應(yīng)的Ft與Fb。請按下圖仿真,通過調(diào)節(jié)電位器觀察三極管截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。電路參數(shù)設(shè)置,燈泡6V,1w,電位器20kQ。三極管電路仿真4.三極管的開關(guān)電路和機(jī)械開關(guān)相比的優(yōu)點(diǎn)

在汽車電路中，三極管通常用做開關(guān)。如圖，是三極管電子開關(guān)的基本電路圖。由圖7-7可知，負(fù)載電阻接在三極管的集電極與電源之間，位于三極管Ic電流回路上。截?cái)鄷r(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開飽和時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合輸入電壓VB則控制三極管開關(guān)的斷開與閉合動(dòng)作，當(dāng)三極管在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，C、E極間呈斷開狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管在飽和狀態(tài)時(shí)，C、E極間呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。（1）三極管的開關(guān)電路下圖是常用的晶體三極管經(jīng)典開關(guān)電路,請進(jìn)行電路仿真,并牢記該電路。圖中1kΩ電阻為基極限流電阻,防止因流入基極電流過大燒毀三極管20kΩ電阻拉低基極電位,在電路中主要起到抗干擾作用,減少三極管誤打開的風(fēng)險(xiǎn),具體阻值需要實(shí)際測試,正常情況下可以不使用該電阻?；鶚O限流電阻一般遠(yuǎn)小于抗干擾電阻。晶體三極管典型開關(guān)電路注:左圖使用NPN三極管,

右圖使用PNP三極管。

1）三極管開關(guān)不具有活動(dòng)接點(diǎn)部分，因此不會(huì)有機(jī)械磨損，可以使用無限多次，一般的機(jī)械式開關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下長期運(yùn)作，三極管開關(guān)既無接點(diǎn)又是密封的，無此顧慮。

2）三極管開關(guān)的動(dòng)作速度比一般的開關(guān)快，一般開關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒（ms）來計(jì)算的，三極管開關(guān)則以微秒（μs）計(jì)算的。

3）三極管開關(guān)沒有躍動(dòng)現(xiàn)象，一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4）利用三極管開關(guān)來驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開關(guān)開啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載上的電流，因此電感產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧不但會(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，而且可能會(huì)造成干擾或危害。（2）三極管開關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)相的優(yōu)點(diǎn)5.項(xiàng)目實(shí)施1）三極管元件的認(rèn)知和測量。2）三極管電流放大特性實(shí)訓(xùn)。3）三極管控制電磁閥開關(guān)電路。4）達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)訓(xùn)。（1）任務(wù)布置實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書萬用表可調(diào)鋰電池模塊三極管元件板開關(guān)熔絲板三極管驅(qū)動(dòng)板三極管特性實(shí)訓(xùn)板電流電壓表積木板負(fù)載積木板電磁閥特性實(shí)訓(xùn)板達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)板連接導(dǎo)線（2）任務(wù)準(zhǔn)備

需要準(zhǔn)備以下器材。步驟圖示工作頁1讀識(shí)電路板上的原理圖，晶體三極管型號分別為______、_______、_______；其中_________是NPN型管；_________是PNP型管。三極管的三個(gè)電極分別是_________、_________、_________。2三極管管腳判別與性能測試，用萬用表二極管檔分別測量三極管三個(gè)電極的導(dǎo)通情況，填寫下表。

1）三極管元件的認(rèn)知和測量。（3）任務(wù)步驟3測量次數(shù)連接特點(diǎn)數(shù)字表顯示80508550TIP41第一次紅表筆固定B極CE第二次紅表筆固定C極BE第三次紅表筆固定E極BC從上表中我們可以得出什么結(jié)論？___________________________________________________________________________________________給你一個(gè)陌生的三極管你能用數(shù)字表測量出三個(gè)電極嗎？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________步驟圖示工作頁1讀識(shí)電路原理圖，三極管電流放大特性實(shí)訓(xùn)電路是以三極管為核心，調(diào)節(jié)Ib電流控制Ic電流的變化，通過負(fù)載燈泡亮度和測量電表的變化得出實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析三極管的電流放大特性原理。2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，連接電路比較復(fù)雜，請同學(xué)們細(xì)心連接，注意連接前先關(guān)閉電源開關(guān)。3檢查無誤后接通電源，調(diào)節(jié)電源電壓為10V。各測量電表的認(rèn)識(shí)：Ib測量的是_________；Vbe測量的是_________；Ic測量的是_________；Ie測量的是_________；Vce測量的是_________。從左至右調(diào)節(jié)電位器，觀察燈泡亮暗變化和各電表的讀數(shù)的變化，填寫下表：

2）三極管電流放大特性實(shí)訓(xùn)。4電位器位置IbIcIeVbeVce最左端向右旋轉(zhuǎn)1向右旋轉(zhuǎn)2向右旋轉(zhuǎn)3最右端從上表測量結(jié)果我們可以得出結(jié)論：①_________________________________________________②_________________________________________________③_________________________________________________步驟圖示工作頁1讀識(shí)電路原理圖，理解各個(gè)元件的作用。電源：____________________________三極管：__________________________開關(guān)：____________________________基極電阻：________________________燈泡：____________________________2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，注意連接前先關(guān)閉電源開關(guān)。3檢查無誤后接通電源，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，三極管處于________狀態(tài)，用萬用表測量Vce=________，C、E相當(dāng)于開關(guān)_______，燈泡________（填“亮”或“不亮”）。

3）三極管控制電磁閥開關(guān)電路。步驟圖示工作頁4當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，三極管處于__________________狀態(tài)，用萬用表測量Vce=_________________，C、E相當(dāng)于開關(guān)_______，燈泡__________，此時(shí)對Rb有何要求？______________________。從實(shí)訓(xùn)中我們可以得出結(jié)論，三極管作為功率控制元件是以Ib信號小電流控制Ic負(fù)載大電流。負(fù)載可以是多種多樣的。5依照三極管控制燈泡電路完成三極管控制模擬電磁閥電路，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。步驟圖示工作業(yè)1讀識(shí)達(dá)林頓管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖知識(shí)鏈接：什么是達(dá)林頓管？達(dá)林頓管就是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管。具體接法如下，以兩個(gè)相同極性的三極管為例，前面三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達(dá)林頓管基極，后面三極管射極為達(dá)林頓管射極，用法跟三極管一樣，放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積。2