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书名:汽车电子技术pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:李鹏伟,张莉莉等编

出版社:电子工业出版社

出版时间:2013-11-01

书籍编号:30467601

ISBN:9787121217654

正文语种:中文

字数:88316

版次:1

所属分类:教材教辅-大学

全书内容:

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前言


随着汽车工业的高速发展,电子技术在汽车工业中的运用越来越广泛和深入。借助于现代电子技术和自动控制技术,不但可以有效提高汽车的动力性、安全舒适性、节能环保性能,更提高了汽车的控制能力,自诊断能力等,电子技术的运用贯穿在汽车的设计、生产和维修的各个环节中,促进了汽车工业的发展。


汽车电子技术是汽车及其相关专业的一门重要的专业基础课程,为汽车类其他后续课程的学习打下坚实的基础。


为了加强学生的理解,体现电子技术在汽车上的应用,我们结合了近年的教学实践经验,遵循深入简出,理论联系实际的原则,在内容安排上减少了大量的公式推导和计算,使内容通俗易懂,降低了知识的难度;同时结合汽车专业知识,增加了一些常见电子电路及其元器件在汽车控制电路中的应用实例,提高学生的兴趣。


本书主要内容有半导体的基础知识,放大电路的特点和分析方法以及在汽车电路上的应用,振荡电路的产生和特点,直流稳压电源的组成、特点和运用,数字电路的基本知识、逻辑运算的法则,基本门电路的组成、特点以及集成逻辑门电路的性能特点和相关运用,触发器的工作原理和特点,组合逻辑的电路和时序逻辑电路的分析方法和设计方法,以及常用逻辑电路的原理、特点和它们在汽车上的相关应用。


本书可作为汽车工程类高职高专的教材,适用于汽车电子技术专业、汽车检测与维修专业、汽车运用与维修专业、新能源汽车方向等专业学生学习,也可作为汽车类工程技术人员、中等职业学校电子专业和汽车专业教师的参考书。


本书由西安汽车科技职业学院高级工程师李勇担任主审,讲师李鹏伟、张莉莉担任主编。第1章和第5章由薛荣辉老师编写,第2章和第6章由王新洁老师编写,第3章和第8章由张莉莉老师编写,第4章和第7章由程小卫老师编写,第9、10、11章由李小样老师编写。


本书在编写过程中参阅和引用了大量的相关文献资料,在此表示衷心的感谢。


欢迎广大读者对书中存在的误漏和不足之处提出批评指正,交流讨论,以便我们改正提高。


编者


2013年10月于西安

出版说明


自2002年起,中国汽车行业开始进入爆发式增长阶段。2009年,中国取代美国成为世界上最大的汽车销售市场,当年中国的汽车产量超过了日本和美国的总和,成为名副其实的汽车产销量双重世界第一。2011年,平均每月产销量突破150万辆,全年汽车销售超过1850万辆,再次刷新全球历史纪录。未来十年自主品牌将完成从“中国制造”到“中国创造”的发展过程。预计未来十年,我国汽车市场年均增长率将达到7.1%,到2020年中国汽车市场的销量有望占据全球汽车总销量的一半以上,中国汽车市场前景非常广阔。汽车行业突飞猛进的发展对汽车专业人才特别是高端技能型人才的培养提出了前所未有的高要求。一个是行业的发展和扩张在人才数量上的要求,全国每年汽车专业高端技能型人才的缺口在数十万人;另一个是技术的进步和发展对于人才培养质量的要求,大量新技术、新工艺的应用对于从业技术人员在学科基础理论和职业技能方面提出了更高的要求。


作为全国最大的汽车类高等职业学校,西安汽车科技职业学院近年来根据汽车行业发展的需要,紧贴职业岗位,引进吸收德国奥迪、瑞典沃尔沃、英国捷豹、路虎等世界顶尖企业汽车职业教育的先进理念和思想,深入开展教学改革,形成了一套独特的课程体系和教学模式。《汽车类高端技能人才实用教材》就是我们近年来教学改革成果的总结,是课程改革和新的教学模式的具体体现。


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本套教材紧紧把握高职教育的方向和培养目标,严格按照新的国家职业标准对人才的要求编排内容,贯彻以技能训练为主,着重提高学生操作技能的原则。在技能训练的内容安排上富有弹性,在保证教学的前提下积极培养学生的创新能力。


本套教材内容丰富、图文并茂、体例饱满,选材来源于最新的技术手册;难易适中、应用性强,有利于知识的吸收和技能的迅速提高。可作为高等职业技术院校或应用型本科汽车类各专业的必修课教材,也可作为成人高校汽车类各专业的教材,同时可作为相关从业人员的参考用书。


教材编写过程中,由于各种原因,疏漏和不尽如人意之处在所难免,敬请广大师生提出宝贵意见,以便再版时修订完善。


《汽车类高端技能人才实用教材》编委会

模拟电子技术部分


第1章 基础知识


半导体元件是电子线路的核心元件,只有掌握半导体元件的结构、性能、工作原理和特点,才能正确分析电子电路工作原理,正确选择和合理使用半导体元件。本章首先介绍半导体基础知识、常用电子元器件的识别与性能测试,然后介绍二极管、三极管、晶闸管的结构、工作原理、主要参数以及应用电路。


学习目标


1.了解半导体基础知识。


2.掌握二极管结构、特性以及测试方法。


3.掌握三极管结构、特性以及测试方法。


4.了解几种特殊类型的晶体管在汽车中的应用。


1.1 半导体知识简介


1.1.1 半导体材料的导电性能


1.半导体及其导电特性


自然界中的物质,按其导电能力可分为三大类:导体、半导体和绝缘体。其中半导体是一种导电能力介于导体与绝缘体之间的材料,常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)的单晶体。


物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素,其最外层电子受原子核的束缚力很小,因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下,呈现出较好的导电特性。高价元素最外层电子受原子核的束缚力很强,其导电性极差,可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子;也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此,半导体的导电特性介于二者之间。


2.影响半导体材料导电性能的因素


影响半导体材料导电性能好坏的因素除了与半导体本身的性质有关以外,还与温度有关,而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。除此之外,半导体载流子浓度还与光照有关,人们也正是利用此特性,制成光敏器件。


半导体材料除了导电能力有别于导体和绝缘体外,它还有一些独特的性质,如掺杂特性(掺入微量的杂质,导电性能会大幅度改善)。某些半导体还对气体、磁场以及机械力等十分敏感,利用这些特性可以制成具有特殊用途的半导体传感器件。


3.半导体的分类


(1)本征半导体


完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。


(2)本征半导体的原子结构及共价键


共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成,称为束缚电子。图1-1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。


(3)本征激发和两种载流子——自由电子和空穴


温度越高,半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后,在原来的位置留有一个空位,称此空位为空穴。


本征半导体中,自由电子和空穴成对出现,数目相同。图1-2所示为本征激发所产生的电子空穴对。

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图1-1 硅和锗的原子结构和共价键结构

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图1-2 本征激发所产生的电子空穴对

如图1-3所示,空穴(如图中位置1)出现以后,邻近的束缚电子(如图中位置2)可能获取足够的能量来填补这个空穴,而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位,另一个束缚电子(如图中位置3)又会填补这个新的空位,这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动,称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。

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图1-3 束缚电子填补空穴的运动

(4)结论


① 半导体中存在两种载流子,一种是带负电的自由电子,另一种是带正电的空穴,它们都可以运载电荷形成电流。


② 本征半导体中,自由电子和空穴相伴产生,数目相同。


③ 一定温度下,本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡,电子空穴对的数目相对稳定。


④ 温度升高,激发的电子空穴对数目增加,半导体的导电能力增强。


空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。


1.1.2 PN结及其特性


1.杂质半导体


在本征半导体中加入微量杂质,可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同,杂质半导体分为两类:电子型(N型)半导体和空穴型(P型)半导体。


(1)N型半导体


在硅(或锗)半导体晶体中,掺入微量的五价元素,如磷(P)、砷(As)等,则构成N型半导体。


五价的元素具有五个价电子,它们进入由硅(或锗)组成的半导体晶体中,五价的原子取代四价的硅(或锗)原子,在与相邻的硅(或锗)原子组成共价键时,因为多一个价电子不受共价键的束缚,很容易成为自由电子,于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子带负电,因此称为N型半导体(Negative:负的)。自由电子参与导电移动后,在原来的位置留下一个不能移动的正离子,半导体仍然呈现电中性,但与此同时没有相应的空穴产生,如图1-4所示。


N型半导体中,空穴为少数载流子(少子),自由电子为多数载流子(多子)。N型半导体主要靠自由电子导电。

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图1-4 N型半导体的共价键结构

(2)P型半导体


在硅(或锗)半导体晶体中,掺入微量的三价元素,如硼(B)、铟(In)等,则构成P型半导体。


三价的元素只有三个价电子,在与相邻的硅(或锗)原子组成共价键时,由于缺少一个价电子,在晶体中便产生一个空位,邻近的束缚电子如果获取足够的能量,有可能填补这个空位,使原子成为一个不能移动的负离子,半导体仍然呈现电中性,但与此同时没有相应的自由电子产生,如图1-5所示。P型半导体中空穴数量多,由于空穴带正电,因此将这种半导体称为P型半导体(Positive:正的)。

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图1-5 P型半导体共价键结构

P型半导体中,空穴为多数载流子(多子),自由电子为少数载流子(少子)。P型半导体主要靠空穴导电。


2.PN结的形成与单向导电性


(1)PN结的形成


多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动,如图1-6所示。


由于空穴和自由电子均是带电的粒子,所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏,在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层,称此离子层为空间电荷区,这就是所谓的PN结,如图1-7所示。在空间电荷区,多数载流子已经扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此又称空间电荷区为耗尽层。

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图1-6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散

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图1-7 PN结的形成

空间电荷区出现后,因为正负电荷的作用,将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向,会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时,内电场可推动少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)越过空间电荷区,进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时,通过PN结的扩散电流等于漂移电流,PN结中无电流流过,PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。


(2)PN结的单向导电性


如果在PN结两端加上不同极性的电压,PN结会呈现出不同的导电性能。


① PN结外加正向电压


PN结P端接高电位,N端接低电位,称PN结外加正向电压,又称PN结正向偏置,简称为正偏,如图1-8所示。

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图1-8 PN结外加正向电压

② PN结外加反向电压


PN结P端接低电位,N端接高电位,称PN结外加反向电压,又称PN结反向偏置,简称为反偏,如图1-9所示。

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图1-9 PN结外加反向电压

PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态,外加反向电压时处于截止状态。


3.PN结的其他特性


(1)PN结的击穿特性


PN结处于反向偏置时,在一定电压范围内,流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(UB )后,反向电流急剧增加,这种现象称为反向击穿。


PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。对硅材料的PN结,击穿电压UB大于7V时通常是雪崩击穿,小于4V时通常是齐纳击穿;UB在4V和7V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电特性,因而一般使用时应避免出现击穿现象。


(2)PN结的电容效应


按电容的定义

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即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。


1.2 半导体二极管及其应用


1.2.1 二极管的结构与特性


1.二极管的结构和分类


(1)结构与符号


半导体二极管是将一个PN结装入管壳密封并分别从P区和N区引出电极而成的,因此半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。图1-10所示为几种常见的二极管外形。

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图1-10 常见的二极管外形

图1-11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极,由N端引出的电极是负极,箭头的方向表示正向电流的方向,VD是二极管的文字符号。

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图1-11 二极管的符号

(2)分类


二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按PN结特点可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类,如图1-12所示。常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同,二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。常见二极管的实物如图1-13所示。

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图1-12 不同结构的各类二极管

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图1-13 常见二极管的实物图

2.二极管的伏安特性


二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系曲线,称为二极管的伏安特性。


(1)正向特性


二极管外加正向电压时,电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1-14所示,当二极管所加正向电压比较小时(0<U<Uth),二极管上流经的电流为0,管子仍截止,此区域称为死区,Uth称为死区电压(门坎电压)。硅二极管的死区电压约为0.5V,锗二极管的死区电压约为0.1V。

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图1-14 二极管的伏安特性曲线

(2)反向特性


二极管外加反向电压时,电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图1-14可见,二极管外加反向电压时,反向电流很小(I≈-IS),而且在相当宽的反向电压范围内,反向电流几乎不变,因此,称此电流值为二极管的反向饱和电流。


(3)反向击穿特性


从图1-14可见,当反向电压的值增大到UBR时,反向电压值稍有增大,反向电流就会急剧增大,称此现象为反向击穿,UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性,可以做成稳压二极管,但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。


1.2.2 二极管的命名(国产命名)


国产二极管的型号命名分为五个部分:


第一部分用数字“2”表示主称为二极管。


第二部分用字母表示二极管的材料与极性。


第三部分用字母表示二极管的类型。


第四部分用数字表示序号。


第五部分用字母表示二极管的规格号。

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例如:2AP9——N型锗材料普通二极管;2CW56——N型硅材料稳压二极管。


1.2.3 二极管的主要参数


二极管的特性还可以用参数来描述,实用中一般通过查器件手册,依据参数来合理使用二极管。


1.二极管的特性参数


(1)反向电流IR


反向电流是指在室温下,二极管两端加上规定的反向电压时的反向电流。其数值越小,管子的单向导电性越好。它随温度升高而增大。


(2)反向击穿电压UBR


反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。


(3)反向饱和电流IS


反向饱和电流是指管子没有击穿时的反向电流值。其值越小,说明二极管的单向导电性越好。


2.二极管的极限参数


(1)最大整流电流IF


最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时,允许通过二极管的最大正向电流的平均值。


(2)最高反向工作电压URM


URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。


超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反向击穿电压的1/2~2/3,以确保二极管安全工作。


(3)最大反向电流IRM


IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流,一般很小,但其受温度影响较大。当温度升高时,IRM显著增大。


(4)最高工作频率fM


fM是指保持二极管单向导通性能时,外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与 PN结的极间电容大小有关,容量越小,工作频率越高。


二极管的参数很多,除上述参数外,还有结电容、正向压降等,实际应用时,可查阅有关器件手册。


1.2.4 温度对二极管的影响


二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明,随温度升高,二极管的正向压降会减小,正向伏安特性左移,即二极管的正向压降具有负的温度系数(约为-2mV/℃);温度升高,反向饱和电流会增大,反向伏安特性下移,温度每升高 10℃,反向电流大约增加一倍。图1-15所示为温度对二极管伏安特性的影响。

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图1-15 温度对二极管伏安特性的影响

1.2.5 二极管的检测


1.二极管极性的判定


将万用表打至欧姆1kΩ挡,用红、黑表笔分别接二极管的两个电极,若测得的电阻值很小(几千欧以下),则黑表笔所接电极为二极管正极,红表笔所接电极为二极管的负极;若测得的阻值很大(几百千欧以上),则黑表笔所接电极为二极管负极,红表笔所接电极为二极管的正极,如图1-16所示。

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图1-16 二极管极性的测试

2.二极管好坏的判定


(1)若测得的反向电阻很大(几百千欧以上),正向电阻很小(几千欧以下),表明二极管性能良好。


(2)若测得的反向电阻和正向电阻都很小,表明二极管短路,已损坏。


(3)若测得的反向电阻和正向电阻都很大,表明二极管断路,已损坏。


1.2.6 特殊二极管


1.稳压二极管


稳压二极管又名齐纳二极管,简称稳压管,是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管。这种管子的杂质浓度比较大,容易发生击穿,其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化,从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。


(1)稳压管的伏安特性和符号


稳压管的伏安特性和符号如图1-17所示。


(2)稳压管的主要参数


① 稳定电压UZ。它是指当稳压管中的电流为规定值时,稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。


② 稳定电流IZ。它是指稳压管工作在稳压状态时,稳压管中流过的电流,有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。

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图1-17 稳压管的伏安特性和符号

③ 耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时,管子上允许的最大耗散功率。


(3)应用稳压管应注意的问题


① 稳压管稳压时,一定要外加反向电压,保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时,才能起到稳压作用;若外加的电压值小于UZ,稳压二极管相当于普通的二极管使用。


② 在稳压管稳压电路中,一定要配合限流电阻的使用,保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。


2.发光二极管


发光二极管是一种光发射器件,英文是Light-Emitting Diode,缩写为LED。此类管子通常由镓(Ga)、砷(As)、磷(P)等元素的化合物制成,管子正向导通,当导通电流足够大时,能把电能直接转换为光能,发出光来。目前,发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种,所发光的颜色主要取决于制作管子的材料,如用砷化镓发出红光,而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品,主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。


发光二极管工作时导通电压比普通二极管大,其工作电压随材料的不同而不同,一般为1.7~2.4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V;白色发光二极管的工作电压通常高于 2.4V;蓝色发光二极管的工作电压一般高于 3.3V。发光二极管的工作电流一般在2~25mA的范围。发光二极管的优点是高亮度、低能耗、长寿命。


发光二极管应用非常广泛,常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等,还可以做成七段数码显示器等。在汽车的仪表板上应用了较多发光二极管,在部分车型上,日行灯,尾灯等都大量使用了高亮度的发光二极管。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号,如部分高档轿车上的多媒体系统(车载DVD、TV等)采用了 MOST 网络来传输数据,这个网络在物理层是由光纤来作为传输介质的,因此在这个网络上的所有控制器内部都有一组收发器,信息的发送就靠发光二极管。普通发光二极管的符号、外形和实物图如图1-18所示。

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图1-18 普通发光二极管的符号、外形和实物图

发光二极管在使用时不能像小灯泡一样直接与电源相接,必须给发光二极管串联电阻来限流,如图1-19所示。

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图1-19 二极管与电源的连接

限流电阻在选用时要合理选择电阻的额定阻值和额定功率,额定阻值与额定功率的计算公式如下:

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式中,UF为发光二极管的额定电压,IF为发光二极管的额定电流。如果流过发光二级管的电流小,其亮度低,电流大,其亮度高。限流电阻选择不合适会烧坏发光二极管或限流电阻。若不用限流电阻,将发光二极管直接接于电源之上,此时根据发光二极管的单向导电性,其相当于一根导线将电源短路,电源的短路电流很大,发光二极管会瞬间烧坏。


3.光电二极管


光电二极管又称为光敏二极管,它是一种光接收器件,其PN结工作在反偏状态,可以将光能转换为电能,实现光电转换。即当有光照射光电二极管时,光电二极管导通,电路中有电流;当无光照射发光二极管时,光电二极管截止,电路中无电流。光电二极管的基本应用电路及图形符号如图1-20所示。


4.变容二极管


如图1-21所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的,它工作在反向偏置状态,当外加的反偏电压变化时,其电容量也随着改变。


5.激光二极管


激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体,构成一个光谐振腔。工作时接正向电压,可发射出激光。

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图1-20 光电二极管的基本应用电路和图形符号

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图1-21 变容二极管的符号

激光二极管的应用非常广泛,在计算机的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、激光唱机、激光影碟机等都有激光二极管的应用。


1.2.7 二极管在汽车上的应用


二极管在汽车上的应用有很多,本小节主要介绍交流发电机应用二极管的整流原理。


1.整流结构


交流发电机定子的三相绕组中,感应产生的是交流电,是通过六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单向导电性,二极管的导通原则如下:当三只二极管负极端相连时,正极端电位最高者导通,当三只二极管正极端相连时,负极端电位最低者导通。


2.整流过程


对于三个正极管子(VD1、VD3、VD5正极和定子绕组始端相联),在某瞬时,电压最高一相的正极管导通;对于三个负极管子(VD2、VD4、VD6负极和定子绕组始端相联),在某瞬时,电压最低一相的负极管导通。但同时导通的管子总是两个,正、负管子各一个。三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通,使得负载 RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。六管整流电路和脉动直流电压波形如图1-22所示。

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图1-22 六管整流电路及脉动直流电压波形图

1.3 半导体三极管及其应用


1.3.1 三极管的结构与分类


1.三极管的特性和符号


半导体三极管又称晶体三极管,一般简称为晶体管,或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺,将两个PN结结合在一起的器件,两个PN结相互作用,使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关使用。三极管的结构示意图和符号如图1-23所示。


2.三极管的分类


三极管从结构上来讲分为两类:NPN型三极管和PNP型三极管。符号中发射极上的箭头方向,表示发射结正偏时电流的流向。

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图1-23 三极管的结构示意图和符号

三极管制作时,通常它们的基区做得很薄(几微米到几十微米),且掺杂浓度低;发射区的杂质浓度则比较高;集电区的面积则比发射区做得大,这是三极管实现电流放大的内部条件。


三极管可以由半导体硅材料制成,称为硅三极管;也可以由锗材料制成,称为锗三极管。


三极管从应用的角度讲,种类很多。根据工作频率分为高频管、低频管和开关管;根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。常见的三极管外形和实物如图1-24和1-25所示。

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图1-24 常见的三极管外形

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图1-25 常见的三极管实物图

1.3.2 三极管的电流放大作用


要实现

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