1.2 常用元器件及基础电路

1.2.1 晶体二极管与整流电路

半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间，常用的有硅和锗等。为了提高半导体的导电性能，在半导体材料中掺入了微量的三价或五价元素，掺入微量的三价元素后的半导体称为P型半导体；掺入微量的五价元素就称为N型半导体，而二极管晶体管等半导体就是由P型半导体材料和N型半导体材料制成。

（1）二极管的结构

用特殊工艺将P型和N型半导体结合在一起，在它们的交界面上就会形成一层很薄的电荷区，称为PN结。

将PN结用外壳封装，并在两端分别用引线引出两个电极，就构成二极管，与P区相连的电极称为二极管的正极，与N区相连的电极称为二极管的负极。二极管的外形有很多种，通过外壳上的色圈、色点和符号可以判断正负极性，标有色圈或色点的一端为负极。

（2）单向导电特性

二极管具有单向导电特性，正向偏置时，如图1-18所示，二极管导通；导通后，硅二极管的管压降为0.6～0.7V，锗二极管的管压降为0.2～0.3V。反向偏置时（即二极管正极接电源负极，二极管负极接电源正极），二极管截止。当反向电压增大到某一值时，二极管突然反向导通，这种现象称为反向击穿。普通二极管被反向击穿后，就造成了损坏，无法使用；而稳压二极管是个特例，它正常工作时，工作在反向击穿状态，不会损坏。

图1-18 二极管的工作特性

a）正向导通 b）特性曲线

（3）整流

将交流电变成单一方向的直流电的过程，称为整流。整流在汽车电路中使用比较广泛，如发电机发出的是交流电，经整流、滤波、稳压变成恒定直流电之后，才能供给各直流负载使用，以及给蓄电池充电。

①单相半波整流电路：如图1-19所示，在u₂的正半周内，a端为正，b端为负，二极管正偏导通，忽略二极管的管压降，负载两端的电压等于u₂；在u₂负半周时，a端为负，b端为正，二极管反偏截止，负载两端电压为零。整流电路每个周期输出的波形只有一半，因此称为半波整流。

图1-19 单相半波整流电路

a）原理图 b）波形图

②单相桥式整流：如图1-20所示，在u₂的正半周内，a端为正，b端为负，二极管VD₁、VD₄正偏导通，VD₂、VD₃反偏截止，电流从a端流出，经VD₁、R、VD₄流回b端。在u₂的负半周内，a端为负，b端为正，二极管VD₂、VD₃正偏导通，VD₁、VD₄反偏截止，电流从b端流出，经VD₂、R、VD₃流回a端。无论处于正半周还是负半周，流过负载的电流方向相同，负载上产生的电压的波形都和u₂正半周一致。桥式整流输出的电压比半波整流大一倍。

图1-20 单相桥式整流电路

a）原理图 b）波形图

1.2.2 稳压管与稳压电路

（1）稳压管及其作用

稳压二极管是一种具有稳压作用的特殊硅二极管，使用时反接于电路中，工作在反向击穿区，稳压管的电流在很大范围内变化时，其两端的电压基本不变，这就是稳压管的稳压作用。

（2）稳压电路

图1-21所示为由限流电阻器和稳压管构成的简单稳压电路，其工作原理为

1）当输入电压波动时，保持输出电压U_o稳定的调整过程为

U_i↑→U_o↑→I_z↑→I_R↑→U_R↑→U_o↓

2）当发生变化时，保持输出电压U_o稳定的调整过程为

R_L↓→U_o↓→I_z↓→I_o↑→U_o↑

可见，只要稳压管工作电流I_z在允许的变化范围内，就可自动地通过稳压管电流I_z的调整保持输出电压的稳定。

图1-21 稳压电路

（3）续流二极管电路

为了消耗线圈断电时产生的自感电动势，常在继电器线圈两端反向并联续流二极管，使用时注意二极管的极性连接，必须与电源极性相反，如图1-22所示。

（4）其他二极管

1）发光二极管（LED）：发光二极管的符号如图1-23所示，发光二极管正向偏置时，导通发光，其工作电压在1.5～3V之间，因此使用时，要串联电阻。

2）光敏二极管：光敏二极管的符号如图1-24所示，光敏二极管是将光能转换为电能的器件，作为耦合器件用于光电传输设备中。

图1-22 续流二极管

图1-23 发光二极管

图1-24 光敏二极管

（5）二极管的测试

①使用指针式万用表检测

a.好坏判别。二极管的好坏，通过用万用表的欧姆挡来测试二极管的正、反向电阻进行判断，如图1-25所示。

用R×100或R×1k挡，将两根表笔分别正接或反接在被测二极管的两端，即可测得两个电阻值，其中小的是正向电阻，约为几百欧或几千欧；大的是反向电阻，一般在几十万欧。

如果测得正向电阻在几百欧或几千欧以下（汽车用的整流二极管用R×1挡测量时为10Ω左右），反向电阻在几十万欧以上，说明二极管的单向导电特性良好；如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明二极管已断路；如果测得正、反向电阻都很小或为零，说明二极管已短路。后两种情况说明二极管已损坏。

b.极性判别。除了从外壳的标志能判定二极管的极性外，也可以通过万用表测量正、反向电阻时判定，测得正向电阻时，黑表笔所接的一端是二极管的正极，红表笔所接的一端是二极管的负极。因为指针式万用表的欧姆挡，黑表笔与表内电池的正极相连，红表笔与表内电池的负极相连。

图1-25 二极管测试

②使用数字式万用表检测

a.好坏判别。将万用表拨到“二极管测试”挡，将两表笔分别正接或反接在二极管两端，即可得两个值，如果小的测量值为0.3V或0.5V左右（锗管0.3V，硅管0.5V），大的测量值为无穷大，说明二极管良好；如果两次测量值均为无穷大，说明二极管已断路；如果两次测量值都很小或为零，说明二极管已短路。

b.在上述测量中，当测量值为0.5V或0.3V左右时，红表笔所接的一端是二极管正极，黑表笔所接的一端是二极管的负极。因为数字式万用表的“二极管测试”挡，红表笔与表内电池的正极相连，黑表笔与表内电池的负极相连。

1.2.3 晶体管与放大电路

晶体管由三块半导体组成，根据组合的方式不同，分为NPN型和PNP型两种类型，常见的NPN管多为硅管，PNP管多为锗管。图1-26为晶体管的结构示意图和符号。

晶体管有两个PN结，分别为发射结和集电结，三个电极，分别为基极（B）、发射极（E）和集电极（C）。NPN型管发射极E流出的电流为基极B和集电极C流入电流之和；PNP型管发射极E流入的电流为基极B和集电极C流出电流之和。

1.晶体管的放大特性与放大电路

晶体管具有电流的放大特性，要使晶体管工作在放大状态，就必须对晶体管加上正确的直流偏置电压，如图1-27所示，电路中U_BB<U_CC，使发射结加正偏电压，集电结加反偏电压，满足晶体管实现电流放大的基本条件。

调整基极电位器R_P，从电流表的读数可以看出，在一定范围内，随着基极电流I_B的变化，集电极电流I_E和集电极电流I_C都随之变化。通过此实验电路可得到以下结论：

1）I_E=I_B+I_C。

2）基极电流的微小变化，能引起发射极和集电极电流较大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。估算时，一般认为直流放大倍数近似等于交流放大倍数，I_C=βB，为晶体管的交流放大倍数。

放大电路的应用非常广泛，它的主要任务是把非常微弱的信号进行放大，然后送到负载，完成其特定的功能。

如图1-28所示，此电路为低频小信号电压放大电路，要使输入的交流小信号u能正常地被放大，就必须使晶体管加上正确的直流偏置电压，工作在放大状态，放大之后的交流信号输出加到负载上，驱动负载动作。

图1-26 晶体管

a）实物图 b）结构示意图和器件符号

图1-27 晶体管放大电路示意图

图1-28 共射极放大电路

2.晶体管的简易判别

（1）找出基极，并判定管型（NPN或PNP）

对于PNP型晶体管，C、E极分别为其内部两个PN结的正极，B极为它们共同的负极，而对于NPN型晶体管而言，则正好相反：C、E极分别为两个PN结的负极，而B极则为它们共用的正极，根据PN结正向电阻小反向电阻大的特性就可以很方便地判断基极和管子的类型。具体方法如下：

1）将万用表拨在R×100或R×1k挡上。用万用表任一表笔与假设的基极相接，另一表笔分别与其余两个电极相接，如图1-29所示。

2）若测得的电阻都很大（或很小），再将两表笔对调，如电阻都很小（或很大），则假设的基极是正确的。

3）如果所测得的电阻一大一小，则假设不对，可假设另一引脚为基极再测，直到符合上面的结果为止。

图1-29 晶体管基极与管型测试

基极确定后，用万用表的黑表笔接基极，红表笔分别和另两个电极相接，若测得电阻都很小，则为NPN型管；反之，则为PNP型管。

（2）判别发射极和集电极

1）NPN型管的判别：将万用表拨在R×1k挡上。用手将基极与假设的集电极捏在一起（注意不要让电极直接相碰），黑表笔与假设的集电极相接，红表笔接另一引脚，注意观察万用表指针向右摆动的幅度。

图1-30 晶体管发射极和集电极测试

然后假设另一引脚是集电极，重复上述测量步骤。

比较两次测得的电阻值，以阻值小的一次为准，黑表笔所接的是集电极，红表笔接的是发射极。

2）PNP型管的判别：同样以电阻小的一次为准，红表笔所接的是集电极，黑表笔接的是发射极，如图1-30所示。

这种判别电极方法的原理是，利用万用表内部的电池，给晶体管的集电极、发射极加上电压，使其具有放大能力。用手捏其基极、集电极时，就等于通过手的电阻给晶体管加一正向偏流，使其导通，此时指针向右摆动幅度就反映出其放大能力的大小，因此可正确判别出发射极、集电极来。

3.晶体管好坏的判别

根据晶体管内PN结的单向导电性，用万用表R×100或R×1k欧姆挡分别测量B、E极间和B、C极间PN结的正、反向电阻。如果测得正、反向电阻相差较大，说明晶体管的两个PN结都是很好的；如果测得正、反向电阻都很大，说明晶体管内部已经断路；如果测得正、反向电阻都很小或为零，说明晶体管极间短路或击穿。

再用万用表R×1k欧姆挡测C、E之间的正、反向电阻。如果测得正、反向电阻都很大，说明晶体管C、E间未漏电；如果测得正、反向电阻都很小或为零，说明晶体管极间短路或击穿。

1.2.4 晶闸管与可控整流电路

晶闸管是一种大功率半导体器件。其主要特点是功率放大倍数高，控制能力强，能用小信号控制大电流、高电压（几百安、几百伏甚至上千伏）的电路导通或阻断。它具有重量轻、体积小、效率高、操作维护方便等优点，被广泛应用于可控整流、变频、逆变、交流调压等方面，目前用得最多的还是可控整流。

1.晶闸管的结构

晶闸管外形和结构如图1-31所示。其中1-31b所示为晶闸管的外形，它有3个电极；阳极A、阴极C和门极G；图1-33a所示为晶闸管内部结构示意图和图形符号。

图1-31a所示，晶闸管的内部由P₁—N₁—P₂—N₂4块半导体组成，共有3个PN结：J₁、J₂和J₃；从P₁引出的电极是阳极A，N₂引出则是阴极C，从P₂引出的电极为门极G。

图1-31 晶闸管外形和结构

a）晶闸管的结构和图形符号 b）实物图

2.晶闸管的工作原理

（1）晶闸管反向阻断

当在晶闸管上施加反向电压时，如图1-32所示，即它的阳极A接电源Ea的“-”极，阴极C接Ea的“+”极。虽然PN结J2是正向偏置，但J1结和J3结为反向偏置，因而晶闸管只能通过很小的反向漏电流，晶闸管不导通，所以称为反向阻断。

（2）晶闸管正向阻断

如图1-33所示，当晶闸管的门极断开，在其阳极A与阴极C之间加上正向阳极电压E_a（即阳极接“+”，阴极接“-”），此时PN结J1和J3为正向偏置，而PN结J2则为反向偏置；故只有极小的正向漏电流通过，晶闸管亦不导通，这种状态称正向阻断状态。

图1-32 晶闸管反向阻断示意图

图1-33 晶闸管正向阻断示意图

（3）晶闸管触发导通

如果在晶闸管上加上内阳极电压，并在控制极与阴极之间也加上适当大小的正向触发电压uG（门极G接“+”，阴极C接“-”），如图1-34所示，此时晶闸管便由关断状态转变为触发导通。

因为当在晶闸管门极G和阴极C之间加上正向触发电压u_G后，PN结J₃导通，这便产生控制极电流i_G。这个电流就是T₂管的极电流i_b2，经过放大后产生较大的集电极电流i_c2，

i_c2=β₂i_b2

β₂^为T2管的电流放大系数。此电流就是T₁管的基极电流，于是T₁管导通（PN结J₂导通），其集电极电流又流入T₂管的基极，形成强烈的正反馈作用，故使T₁和T₂的电流迅速增大，很快进入饱和导通状态。

由此可见，只有在晶闸管的阳极加上正向电压，门极加适当大小的正向触发电压，晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通，其门极便失去控制作用，即触发电压消除，晶闸管仍能保持导通。要想使已经导通的晶闸管关断，必须把阳极电压切断或反向，使其阳极电流降至维持电流以下才行。

图1-34 晶闸管触发导通示意图

3.可控整流电路

图1-35所示为晶闸管组成的单相半波可控整流电路。其电路形式与二极管组成的单相半波整流电路基本相同，只不过该电路的整流元件是晶闸管，在晶闸管的门极需有一触发电路为其提供触发信号。电路的明显特点是：负载电阻R_L上的电压U_L可调（即可以有0～π范围内控制）。

单相半波可控整流原理如图1-36所示，可见以下几点：

1）从ωt=0起，交流电压u₂开始按正半周变化。如果晶闸管的门极不加触发脉冲，则晶闸管正向阻断，因而负载电阻R_L上得不到电压。

图1-35 单相半波可控整流电路图

2）在ωt=α时，触发脉冲电压u_k加到晶闸管的门极上，故使晶闸管导通，负载电阻R_L上便可获得电压。触发电压u_g消失后，晶闸管仍保持导通。若不计晶闸管的正向电压降，负载电阻R_L上所得到的电压即等于电源电压。

由图1-36a可知，在电角度0～α范围内，晶闸管正向阻断，故称α角为控制角；而在α～π范围内（即在θ角范围内），晶闸管导通，故称θ角为导通角。显然，α+θ=π，或α+θ=0。

3）当ωt=π时，电源电压u₂下降到0，晶闸管因其导通电流小于维持电流而自行关断。

4）在ωt=π～2π范围内（即交流电压u₂的负半周内）由于晶闸管始终承受反向电压而呈反向阻断状态，即晶闸管一直关断，直到u₂的第二个周期开始后α角时，又出现触发脉冲，晶闸管再次导通。

因此，在负载电阻R_L上便可得到一可控的电压，其平均值为

式中u₂——变压器二次绕组交流电压有效值；

α——晶闸管控制角。

图1-36 单相半波可控整流波形图

a）导通角θ较大时 b）导通角θ较小时

由此式可见，只要改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α（同时也改变了导通角θ），即可改变负载电压的平均值。

例如，α=0，即θ=180°（实际上导通角θ只能接近于180°），则负载电压平均值为u_L=0.45u₂；α=180°，即θ=0，则u_L=0。可以说负载电压u_L在0～0.45u₂连续调节，这就达到了可控整流的目的。

图1-36b所示，控制角为α时该电路负载电压的波形，它与图1-36a控制角为α相比，其负载电压u_L的平均值明显减小。

1.2.5 集成电路

集成电路（IC）又称固体电路，是20世纪60年代开始发展起来的一种新型电子元器件，即在一块硅单晶片上，通过氧化、光刻、扩散、外延、蒸发等工序，制成所需的二极管、晶体管、电阻、电容等元件和连接导线，从而构成一个完整的电路。并封装在一个特制的外壳内。由于集成电路具有体积小、重量轻、可靠性高以及造价低等一系列优点，所以它不仅在尖端科技产品中得到广泛应用，而且在家用电器中也到处可见。近几年来，集成电路（IC）已大量应用于汽车领域。

1.常用集成电路（IC）的结构外形

集成电路（IC）的封装型式有圆壳式、双列直插式、扁平式等。几乎所有的集成电路都有两个或两个以上电源接线端，它们分别用V_EE、V_DD、V_SS、+V、-V及GND来表示，这是集成电路在实际应用中所必需的。

2.集成电路应用

下面以555集成电路为例，介绍集成电路的应用。

555集成电路广泛应用于电子控制、电动玩具等方面；也可用在振荡器、检测器、仪器仪表、家用电器、脉冲发生器、延时发生器、方波发生器、定时器、单稳和双稳态触发器、多谐振荡器、脉宽和相位调制器等。

555集成电路的3个“5”，具有其特定的内涵，所以各生产厂家无一例外地在型号上加以保留。这是因为该集成电路基片上的基准电压电路是由3个误差极小的5kΩ电阻组成，其分压精度很高。

555集成电路在汽车上的使用有：

1）汽车用555集成电路电压调节器：图1-37所示为一种由NE555集成电路和达林顿管M1E1090构成的汽车电子调压器电路。其电压调节的范围为14.4～14.9V。上限值（截止点）由引脚6所接的20kΩ电阻进行调节，下限值（导通点）则由引脚2所接的20kΩ电阻调节。电路中二极管VD₂、VD₃、VD₄和稳压管VD₅用来设置参考电压（约为5.9V）。

图1-37 汽车用555集成电路调压器图

2）汽车用555集成电路点火器。汽车用555集成电路点火器电路如图1-38所示。5G1555是TTL逻辑电路与运算放大器的混合集成器件，其输出阻抗低、电流大、温度适应范围宽，并且所用的外围元件少，所以用它之推动大功率晶体管T，在汽车点火系统中实现电子点火的功能。

图1-38 汽车用555集成电路点火器

B—汽车点火线圈 C₁—0.22μF C₂—0.033μF C₃—100μF C₄—150μF C₅—0.047μF（C₃～C₅耐压应大于25V）R₁—500Ω R₂—5.1kΩ R₃—270Ω（R₁～R₃1/2W金属膜电阻）T—2DD15或3DD102 VD₁—2DPIA VD₂—2CP1～4或2CP6A—2CP6F