汽车电子元件及检测

本章主要介绍的内容有：●二极管●三极管●特殊晶体管●课题实验项目二半导体器件第一节基本概念本节主要介绍的内容有：●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、半导体的概念一块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。二、什么是二极管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1．二极管的伏安特性（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的一半，以保证二极管安全工作，防止击穿。2．二极管的主要参数一般情况下，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，可以用万用表二极管档或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。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，与红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，与红表笔相接的是二极管负极，如2-1-3所示。三、二极管的检测与焊接1．二极管的极性判断与好坏检测返回返回返回返回如果测得的正、反向电阻值均很小，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）。2．二极管的焊接四、二极管在汽车上的应用1．二极管的整流电路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。2．二极管的续流电路五、特殊二极管及其在汽车上的应用1．稳压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500Ω，负载电阻阻值为3kΩ，稳压管的稳压值为5.3V，调整稳压电源的电压输出值从4～12V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。2．发光二极管发光二极管的检测：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。3．光电二极管第二节三极管本节主要介绍的内容有：●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一、三极管的结构与参数1．三极管的概念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）、（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β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到充分利用而又安全可靠工作的参数，叫做极限参数。2．三极管的基本参数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β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（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。二、三极管的三种工作状态1．截止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。2．放大如图2-2-4（a）所示，当NPN管的基极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，如果遇到三极管饱和的状态，可认为c、e电位相等。3．饱和三、三极管的检测1．管型与管脚的判别（1）目测法1）管型的判别一般情况下，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。2）管脚极性的判别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。1）基极的判别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。2）集电极和发射极的判别对于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。（2）用万用表电阻挡判别对于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。2．三极管好坏的判断..返回返回返回返回图2.60数字万用表检测三极管的两个PN结返回四、三极管放大电路在汽车电子电路中的应用1．三极管的基本放大电路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。●操作：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。●讨论：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°●操作规范：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2-2-9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。2．汽车电子电路中的三极管放大电路五、三极管开关