第2章 电子电路基础
电子电路知识是从事许多职业岗位必须具有的专业基础知识之一，它是为学习后续的相关专业课程和从事电气控制技术应用工作打基础。
【本章学习目标】
1.了解电子电路的组成。
2.掌握常见电子元件的检测及使用方法。
3.掌握较简单电子电路的制作及调试方法。
【教学目标】
1.知识目标：掌握常见电子元件的检测方法，会分析直流稳压电源电路及振荡电路的工作原理。
2.能力目标：通过理论知识的学习和应用，培养电子电路综合运用能力。
【教学重点】
1.常用电子元件的检测法。
2.简单电子电路的安装与调试及工作原理分析。
【教学难点】
简单电子电路的安装与调试方法。
【教学方法】
读书指导法、分析法、演示法、练习法。
2.1 半导体
2.1.1 半导体的基本知识
在自然界中，存在许多不同的物质，按其导电能力划分，可以分为三大类：一类是导电良好的物质，称为导体（如铁、银、铜、铝等）；另一类是不能导电的物质，称为绝缘体（如橡胶、塑料、陶瓷等）；还有一类导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体（如硅、锗等）。
1.半导体的导电特性
半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。大多数半导体对温度都比较敏感，且随温度的升高导电能力增强，电阻减小；许多半导体在受光照射后，导电能力会增强，电阻会减小；在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质元素，导电能力会增强很多，电阻急剧减小。
2.P型和N型半导体
纯净的半导体导电能力很弱，利用半导体的导电特性中的掺杂特性，根据所掺杂的微量元素的原子结构不同，可制成P型半导体和N型半导体。
3.PN结
将一块P型半导体和一块N型半导体，通过特殊工艺连接成一个整体，如图2-1所示。在这个整体中出现一个P区和一个N区，而在P区和N区相连接处出现一个P型半导体和N型半导体的混合薄层，这个薄层被称为PN结。
图2-1 二极管的基本结构
4.PN结的单向导电特性
取直流电源的正极接到P区，负极接到N区，如图2-2所示，使PN结处于正偏，此时有电流通过PN结。如果将负极电源接到P区，正极电源接到N区，如图2-3所示，使PN结处于反偏，此时没有电流通过PN结。由此可得出结论：PN结具有单向导电性。
图2-2 PN结加正向电压
图2-3 PN结加反向电压
2.1.2 二极管
1.二极管简介
1）二极管的结构
半导体二极管，实际上是在一个PN结的P区引出一根引线，N区也引出一根引线，然后加外壳封装制成的。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。因为PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。如图2-4所示为二极管的图形符号，其文字符号为V。
图2-4 二极管的图形符号及文字符号
2）二极管的分类
二极管按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管；按用途分类有普通二极管、稳压二极管、发光二极管等。根据其功能和用途的不同，二极管的大小、外形、封装各不一样。功率较小的二极管常采用玻璃或塑料封装。功率较大的二极管常采用金属封装，金属外壳利于散热。常见的二极管外形如图2-5所示。
图2-5 常见的二极管外形
2.二极管的伏安特性曲线
二极管的伏安特性曲线是指二极管两端的电压和其中流过二极管的电流之间的关系曲线，如图2-6所示。
图2-6 二极管的伏安特性曲线
1）正向特性（如图2-6右图区所示）
（1）死区。对某一给定的二极管，当外加的正向电压小于一定值时，其正向电流很小，几乎为零。而当正向电压超过某值时，正向电流增长很快，这个正向电压的定值通常被称为“死区电压”，其大小与二极管组成的材料及环境温度有关。一般来说，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.1V。
（2）正向工作区。当二极管正向电压超过死区电压后，正向电流变化很大，而电压的变化极小，硅管的导通电压为0.6～0.7V，锗管的导通电压为0.2～0.3V。为了讨论计算的方便，通常认为二极管正向导通后电压固定在某个值，这个值被称为导通电压，以后在讨论计算时，统一取硅管的导通压降为0.7V，锗管的导通压降为0.3V。
2）反向特性（如图2-6左图区所示）
（1）反向截止区。当给二极管加反偏置电压时，反向电流很小，且在某一范围内基本保持不变，这个电流称为反向饱和电流。由于半导体的热敏特性，反向饱和电流将随温度的升高而增大。在应用时，反向电流的值越小，管子的热稳定性能越好。因为硅二极管的反向电流比锗二极管的反向电流小，所以在应用时一般都选用硅二极管。
（2）反向击穿区。当外加电压过高而超过某一值时，则反向电流突然增大，二极管的单向导电性被破坏，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压，用URM表示。一般的二极管反向击穿后将因反向电流过大而损坏（稳压二极管就是利用了这一特性制成的）。
3.二极管的主要参数
二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用它的参数来说明。二极管的主要参数有以下几种（这些参数是反映二极管性能和质量的一些数据）。
（1）最大整流电流IFM。最大整流电流是指二极管允许长时间通过的最大正向平均电流，常称为额定电流。使用时工作电流只能小于这个电流，否则，二极管容易烧坏。
（2）最大反向工作电压URM。最大反向工作电压是指允许加在二极管两端的最大反向电压。该电压一般为击穿电压的一半，以保证二极管的安全。
（3）最大反向电流IRM。最大反向电流是指最大反向工作电压下的反向电流，该值越小，表示二极管的热稳定性越好。
4.普通二极管的简易检测
通过用万用表检测二极管正、反向电阻值，不但可以判别出其极性，还可检测出二极管是否损坏。
1）二极管极性的判别
（1）外观极性的判别。对于小功率的塑料封装的二极管，二极管上标有白色圆环的这一端代表二极管的负极，如图2-7（a）所示；对于大功率金属封装的二极管，它的螺栓状的连接头的一端代表二极管的正极，另一端则为负极，如图2-7（b）所示。
图2-7 二极管外观极性的判别
（2）万用表的二极管极性检测。指针式万用表的两表笔分别为红色和黑色。红色表笔插在万用表的“+”极插孔，表笔内接的是电池的负极；黑色表笔插在“-”插孔，表笔内接的是电池的正极。对于小容量二极管的检测，万用表应选用R×100Ω或R×1kΩ的电阻挡，而不能选用R×1Ω或R×10Ω的电阻挡，因为这两个挡的电阻小、电流大，容易将小容量的二极管烧坏；同时也不能选用R×10kΩ的电阻挡，因为R×10kΩ的电阻挡电压高，容易把小容量的二极管击穿。
检测方法：将万用表置于R×100Ω挡或R×1kΩ挡（数字式万用表打在“ 
”挡），两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），如图2-8（a）所示；另一次测量出的阻值较小（为正向电阻），如图2-8（b）所示。在阻值较小的一次测量中，黑色表笔接的是二极管的正极，红色表笔接的是二极管的负极。（说明：指针式万用表的黑色表笔是正表笔，红色表笔是负表笔；数字式万用表则相反。）
图2-8 二极管极性的检测
2）二极管好坏的判别
依据以上测量数据，正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。若测得二极管的正、反向电阻值相差不大，说明该管质量不好；若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路，如图2-9所示；若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏，如图2-10所示。
图2-9 二极管短路的判别
图2-10 二极管开路的判别
2.1.3 三极管
1.三极管的结构、符号
在一块半导体基片上制作出两个PN结就构成一个三层的半导体，从每层半导体引出一根引线，再封装在管壳里，就制成了三极管。
三极管的三个电极分别叫做发射极、基极、集电极，对应的每层半导体分别称为发射区、基区和集电区。发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。三极管的基本结构和图形符号如图2-11所示，文字符号为VT。箭头的方向表示发射结正向偏置时发射极电流的方向。
图2-11 三极管的基本结构和图形符号
常见的三极管外形如图2-12所示。
图2-12 常见的三极管外形
2.电流放大的条件
三极管要实现电流放大作用，必须满足一定的外部条件，即发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。对于NPN型三极管，c、b、e三个电极的电位必须符合：UC＞UB＞UE；对于PNP型三极管，由于偏置电源的极性与NPN型三极管相反，c、b、e三个电极的电位应符合：UE＞UB＞UC。
3.三极管的电流放大作用
电流放大作用是三极管的基本作用。以NPN型晶体管为例，可通过实验来了解半导体晶体管的放大原理和其中的电流分配情况，实验电路如图2-13所示。
图2-13 三极管电流放大作用实验电路原理图
改变可变电阻RB的大小，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流方向如图2-13所示，测试结果见表2-1。
表2-1 三极管电流放大作用实验数据记录表
由实验及测试结果可得出如下结论：
（1）三个电流符合基尔霍夫电流定律，即
IE=IB+IC
且基极电流IB很小，忽略IB不计，则有IE≈IC。
（2）晶体管有电流放大作用，从实验数据可以看出，IC与 IB的比值近似为一个常数，即
β=ΔIC/ΔIB
基极电流IB的微小变化能引起集电极电流IC较大的变化，即
IC≈βIB
（3）三极管的电流放大作用，实质上是用基极的微小电流控制集电极的较大电流。
4.三极管的三种工作状态（以NPN型管为例）
1）放大状态
当发射结正偏，集电结反偏，三极管工作于放大状态。在此状态下，集电极和发射极之间相当于串接一个可调电阻，IC受IB的控制。
2）截止状态
当发射结反偏或零偏，集电结反偏，三极管工作于截止状态。在此状态下，集电极和发射极间相当于开路。
3）饱和状态
当发射结正偏，集电结正偏，三极管工作于饱和状态。在此状态下，IB的变化对IC的影响较小，三极管失去放大作用，集电极和发射极之间相当于一个接通的开关。
在模拟电路中，晶体管常用做放大元件，工作在放大区；在数字电路中，晶体管常用做开关元件，工作在截止区和饱和区。
5.三极管的主要参数
1）电流放大系数β
β是指输出电流与输入电流的比值，是用于衡量晶体管电流放大能力的参数。
2）穿透电流ICEO
ICEO是基极开路时集-射极之间的电流。这个电流越小，表明晶体管的质量越好。
3）集电极最大允许电流ICM
集电极电流过大时，β值明显下降，当β值下降到正常值的2/3时的集电极电流IC，称为集电极最大允许电流ICM。作为放大管使用时，IC不宜超过ICM，超过会引起β值下降、输出信号失真，过大时还会烧坏管子。
4）集-射极反向击穿电压U（BR）CEO
U（BR）CEO是基极开路时加在集-射极之间的最大允许电压。当晶体管的集-射极电压大于此值时，ICEO大幅度上升，说明晶体管已被击穿。
5）集电极最大允许耗散功率PCM
由于集电极电流在流经集电结时要产生功率损耗，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。
6.三极管的简易测试
三极管的引脚极性除可以用经验判断外还可以用万用表检测出来，具体方法如下。
1）先判基极和管型
将万用表置于R×100Ω挡或R×1kΩ挡。黑表笔任意接在三极管的一根引脚上，用红表笔分别搭接另外两脚。若测得两个阻值都较小（或很大），且阻值一样，则黑色表笔所接的引脚为 NPN型（或PNP型）管的基极，如图2-14所示。
图2-14 三极管的基极和管型判别
2）判断集电极
在判断出了管型和基极后，将万用表置于R×100Ω挡或R×1kΩ挡，对于NPN型三极管，可按图2-15所示查找集电极，用黑色表笔任意碰触剩下的两根引脚中的一根，红色表笔碰触另外一根，用手指将基极引脚和黑色表笔短接（注意不要让基极引脚直接碰到黑色表笔），经两次测试，万用表读数的电阻值较小的，黑色表笔所碰到的引脚是集电极c。判断出基极b和集电极c后，剩下的一根引脚就是发射极e。
图2-15 三极管的集电极、发射极判断
对于PNP型三极管，查找集电极的方法类似NPN型三极管，只是手指捏住的是基极和红色表笔（也要注意不要让基极引脚直接碰到红色表笔）。若此时测得万用表读数的电阻值很小，红色表笔所碰到的引脚是集电极c，三极管剩下的引脚就是发射极e。