毕业设计（论文）-新型航空蓄电池自动控制快速充电器.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） i 摘摘 要要 本文介绍一种新型航空蓄电池自动控制快速充电器，可作为航空蓄电池的地面 保障设备。阐述了系统的主电路方案、控制电路的构成及系统故障检测。该充电器 的主电路采用全波半控整流电路，其充电电压和充电电流值,能够进行预置，并可对 其连续检测，其检测信号用以控制晶闸管的触发角，使充电电压和充电电流保持稳 定，从而使充电速率达到最佳化。试验表明，该充电器具有充电电路与电力线路隔 离、结构简单、效率高、体积小、重量轻等优点，便于现场应用。 关键词：晶闸管；场效应管；检测；触发相位 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） ii abstract this paper discusses a new type of automatic control rapid air battery charger, the air batteries can be used as ground support equipment. on the systems main circuit programme, the control circuit and a system fault detection. the chargers used the main circuit full-wave rectifier circuit, charging voltage and charging current can be predetermined and continuously monitored by the sensing means, so as to control the phase-triggered of the thyristor and maintain charging voltage and charging current at levels which is not greaten than predetermined limits, therefore the charging rate is continuously optimized. experimental results of the prototype show that the proposed charger has the advantages of electric separation, simple frame, high efficiency, small volume, light weight and easy for the field application. key words: thyristor ; fet; detection ; phase-triggered 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） iii 目录目录 前 言1 1 总体概述2 1.1 概述2 1.2 设计方案3 1.2.1 设计方案图3 1.2.2 设计思想3 1.3 蓄电池的介绍3 1.3.1 蓄电池的概念3 1.3.2 蓄电池的选用4 1.3.3 蓄电池的使用和维护4 1.3.4 影响蓄电池使用寿命的主要因素5 1.3.5 蓄电池的充电方式6 2 本课题相关知识介绍9 2.1 电容的特性9 2.2 二极管的伏安特性9 2.2.1 正向特性10 2.2.2 反向特性10 2.2.3 击穿特性10 2.2.4 频率特性10 2.3 可控硅工作原理10 2.3.1 可控硅基本结构10 2.3.2 基本伏安特性12 2.4 单结晶体管原理13 2.4.1 单结晶体管的特点14 2.4.2 单结晶体管的主要参数14 2.5 场效应管工作原理15 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） iv 2.5.1 场效应管的主要参数15 2.5.2 场效应管的作用16 2.5.3 结型场效应管的管脚识别16 2.6 电流互感器17 2.6.1 电流互感器定义17 2.6.2 电流互感器的特点18 3 电路设计分析19 3.1 整流电路分析19 3.2 振荡电路分析20 3.3 检测调整电路分析21 4 参数计算及元器件选择24 4.1 参数计算24 4.2 元器件选择25 5 充电器装配与调试27 5.1 装配检测27 5.2 调试27 5.3 故障分析与排除27 总 结28 结束语29 致 谢30 参考文献31 附录 i 元器件清单 32 附录 ii 总体电路设计图33 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 1 前前 言言 随着科技的飞速发展，现代工业生产和日常生活已经进入智能化时代。蓄电池 具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、 交通、工农业生产部门。特别在航空方面占有很重要的地位。近年来蓄电池其密封 好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿 命期间，无需任何维护，从而揭开了蓄电池发展历程新的一页。众所周知，航空设 备一般都采用免维护电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统 （ups）也离不开免维护电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免 维护电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求， 造成电池很难达到规定的循环寿命。基于此，本文提出了一种用于航空的定电压定 电流高速率蓄电池充电器设计方案，采用预置电压预置电流，有效地提高充电效率， 延长电池寿命。 本文第 1 章为概述了设计的总体方案，第 2 章介绍了相关元件的工作原理，第 3 章电路的总体设计，第 4 章为参数计算及元器件选择，第 5 章为元器件焊接及调 试。 由于作者水平有限，时间仓促，文中的错误及疏漏之处在所难免，敬请读者批 评。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 2 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 3 1 总体概述总体概述 1.1 概述概述 该充电器是在可调电源的基础上，增加可预先设定给蓄电池充电电压和充电电 流的电路。对充电电压和充电电流可连续检测，以控制晶闸管的触发相位，而使充 电电压和充电电流保持稳定。主电路由降压变压器和一个全波半控整流桥构成。变 压器的输入端与 50hz220v 单相交流电力线路相接，桥路的输出为 100hz 波动的直 流提供给蓄电池充电。波动的直流脉冲的宽度决定于晶闸管整流器的触发相位。晶 闸管整流器被一个单结晶体管同步振荡电路产生的触发脉冲触发，而振荡器又受控 于可指示触发角的桥路输出电压和输出电流检测装置。调整检测装置可调整和限制 充电电压和充电电流的上限值。单结晶体管同步振荡电路是一常用电路。检测调整 电路主要器件是两只耗尽型绝缘栅场效应管而作为基本元件，需工作在线性区域， 起放大作用，一个调整输出电压，一个调整输出电流。检测调整电路，振荡电路， 整流电路是一闭环反馈系统，其功能是对蓄电池提供一个不超过其预定极限的稳定 的充电电流。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 4 1.2 设计方案设计方案 1.2.1 设计方案图设计方案图 变压器 整流电路 蓄电池 振荡电路 调整电路 220v 交流电 源 图 1.1 设计方案图 1.2.2 设计思想设计思想 蓄电池采用脉冲充电方法。整流电路由晶闸管和二极管组成的全波半控整流电 路。振荡电路由单结晶体管为主要元件，产生脉冲信号。控制电路由两个场效应管 为主要组成元件，进行检测调整。电路由 220v 交流电压提供交流电源，通过变压 器降压达到实验要求的规定交流电压，再经过整流电路将交流电转化为直流电。蓄 电池充电电压由整流电路提供，振荡电路产生脉冲信号控制整流电路输出电压的变 化，再由反馈电路把整流电路信号反馈给调整电路由调整电路对振荡电路控制采取 控制从而达到预先设定给蓄电池的充电电压和充电电流，对充电电压和充电电流可 连续检测。 1.3 蓄电池的介绍蓄电池的介绍 1.3.1 蓄电池的概念蓄电池的概念 将电能转化为化学能储存起来，必要时又将化学能转化为电能释放出去的装置 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 5 称为蓄电池。以金属铅和硫酸为主要材料的蓄电池称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池按 其用途可分为：起动用、蓄电池车用、铁路客车用、摩托车用、航标灯用蓄电池等。 目前广泛使用的后备电池主要是免维护的全密封铅酸蓄电池，电池密封，无须加水 维护。太阳能灯具配备的就是全密封免维护铅酸蓄电池。 1.3.2 蓄电池的选用蓄电池的选用 蓄电池的选用原则 按需选择的原则 根据自己的需要,计算出需要的电池容量与数量。 安全的选择原则 出于安全的原则,应该选择有一定品牌的蓄电池厂家,选择有技术力量以及服务好 的经销代理商。 性价比选择的原则 根据产品的质量,有的蓄电池寿命只有 2 年,有的蓄电池寿命长达 10 年,进行比较 选择最适合用户的蓄电池。 蓄电池的容量计算 蓄电池的容量必须是以所定的电压、所定的时间可向负载提供的容量。 具有深放电功能的蓄电池，其电量的计量单位一般为安培小时（ah） ，它表明 在单位时间（常为 20 小时）能够提供的电流值（20 小时）率容量。 如何根据使用的灯具来确定蓄电池的容量，简单的方法就是将其的功率乘以蓄 电池每次充电间隔之间的使用时间。得出结果的单位为瓦时，将瓦时除以其额定电 压，就可以将瓦时转换为安时。按这种情况选择，蓄电池就将电放尽，而一般蓄电 池放电的理想状态为 50%，应将其予以考虑来选择蓄电池。 蓄电池的电量（安时） 越大，供电能力就越强，蓄电池过度放电的可能性就越小。 1.3.3 蓄电池的使用和维护蓄电池的使用和维护 电池密封，一方面带来很多好处，但同时也给观测和维护带来困难。“免维护“ 这一名词给使用者带来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护和管理。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 6 因此，正确使用和维护蓄电池是十分重要的。 如果条件允许，使其工作在正常的温度中(1520) 两块蓄电池并联的方法为：将蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。这样 蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块蓄电池的电压一样。蓄电池两极柱切不 可短路（碰头） 。 对于新安装的蓄电池或大修后的第一次充电，一般都要进行一次较长时间的 充电，为初充电，应按额定容量 1/10 的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是 否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行 816 小时以上充电或者 用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分 级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间 后改用常规的恒压浮充方式。 保持蓄电池本身的清洁。安装好的蓄电池极柱应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。 为蓄电池配置在线监测管理技术，对蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时 发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。 在冬季应预防蓄电池冻裂，夏季应将蓄电池放于通风阴冷处，避免阳光直晒。 1.3.4 影响蓄电池使用寿命的主要因素影响蓄电池使用寿命的主要因素 影响蓄电池(主要指免维护的铅酸蓄电池)使用寿命的因素主要有以下几个方面： 环境温度 过高的环境温度是影响蓄电池使用寿命的典型因素，一般蓄电池生产厂家要求 的环境温度是在 1520，随着温度的升高，蓄电池的放电能力也有所提高，但环 境温度一旦超过 25，只要温度每升高 10，蓄电池的使用寿命就会减少一半。例 如蓄电池的使用寿命是 6 年，环境温度为 35，那么其寿命就只有 3 年了，如果温 度再升高 10达到 45，其寿命就只有 1.5 年了。 过度放电 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 7 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。蓄电池的寿命取决 于其放电深度，放电深度越大，使用寿命就越短。当蓄电池被过度放电到输出电压 为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸付到电池的阴极表面，形成电池阴极 的“硫酸盐化“。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充、放电性 能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池 的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。不能完全放电，避免过度放电，最好 放电的幅度在 30%50%之间。 板栅的腐蚀与增长 板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。如果电池使用不当，长期处于过 充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。 浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响 目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作 状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄 电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量(ah)远远低于其标准容量，从而导致蓄 电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。 失水 蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增 加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致 其使用寿命减少。 1.3.5 蓄电池的充电方式蓄电池的充电方式 脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受 率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此 循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢 气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 8 减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸 收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄 电池的充电电流接受率。 reflex 快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它 采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的 快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很 大的不同，但它们之间可以相互借鉴。 变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改 为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大 充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将 电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有 时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻 了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更 多的电量。 变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇 充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持 充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随 着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体， 使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 9 二阶段法 采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充 电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电 压就是第二阶段的恒电压。 三阶段充电法 在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。 当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量 减 到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐 升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。由 于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少， 因此，只需简易控制系 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄 电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。 例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 10 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 11 2 本课题相关知识介绍本课题相关知识介绍 2.1 电容的特性电容的特性 电容是一种能储存电能的元件。两块金属板相对平行地放置而不相接触就构成 一个最简单的电容。如果把金属板的两端分别接到电池的正、负极，那么正极的金 属板上的电子就会被电池的正极吸引过去，而接到负极的金属板，就会从电池负极 得到电子，这种现象就叫做电容的“充电”。充电的时候，电路里就有电流流动。两 块金属板有电荷后就产生电压，当这个电压与电池的电压相等时，就停止充电，电 路中也就不在有电流流动，相当于开路，这就是电容器能隔断直流电的道理。 如果将接在电容器上的电池断开，而用导线把电容器的两个金属板接通，则在 刚接通的一瞬间，电路中便有电流流通，这个电流的方向与原充电时的电流方向相 反，随着电流的流动，两金属板之间的电压也逐渐降低，直到两金属板上的正、负 电荷完全消失，这种现象叫做“放电”。 如果电容器的两金属板接上交流电，因为交流电的大小和方向在不断的变化着， 电容器两端也必然交替的充电和放电，因此，电路中就不停的有电流流动，这就是 电容器能通过交流电的原因。 2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管最主要的特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图 2.1 所示 图 2.1 二极管伏安特性曲线 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 12 2.2.1 正向特性正向特性 在二极管两端的正向电压（p 为正、n 为负）很小时（锗管小于 0.1 伏，硅管小 于 0.5 伏） ，管子不导通处于“死区”状态，当正向电压起过一定数值后，管子才导通， 电压再稍微增大，电流急剧增加（见曲线 i 段） 。不同材料的二极管，起始电压不同， 硅管为 0.5-.7 伏左右，锗管为 0.1-0.3 左右。 2.2.2 反向特性反向特性 二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电 流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线 ii 段)。不同材料的二极管， 反向电流大小不同，硅管约为 1 微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外， 反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。 2.2.3 击穿特性击穿特性 当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿 （见曲线 iii)。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管 子，其反向击穿电压值差异很大，可由 1 伏到几百伏，甚至高达数千伏。 2.2.4 频率特性频率特性 由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使 pn 结短路。导致二 极管失去单向导电性，不能工作，pn 结面积越大，结电容也越大，越不能在高频状 况下工作。 2.3 可控硅工作原理可控硅工作原理 2.3.1 可控硅基本结构可控硅基本结构 可控硅是 p1n1p2n2 四层三端结构元件，共有三个 pn 结，分析原理时，可以 把它看作由一个 pnp 管和一个 npn 管所组成，其等效图解如图 2.2 所示 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 13 图 2.2 可控硅等效图解图 当阳极 a 加上正向电压时，bg1 和 bg2 管均处于放大状态。此时，如果从控 制极 g 输入一个正向触发信号，bg2 便有基流 ib2 流过，经 bg2 放大，其集电极电 流 ic2=2ib2。因为 bg2 的集电极直接与 bg1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电 流 ic2 再经 bg1 放大，于是 bg1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流 回到 bg2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管 子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于 bg1 和 bg2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 g 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没 有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需 要一定的条件才能转化，此条件见表 2.1 表 2.1 可控硅导通和关断条件 状态条件说明 从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通 1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 任一条件即可 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 14 2.3.2 基本伏安特性基本伏安特性 可控硅的基本伏安特性见图 2.3 图 2.3 可控硅基本伏安特性 反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 2.4），j2 结正偏，但 j1、j2 结反 偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到 j1 结的雪崩击穿电压 后，接差 j3 结也击穿，电流迅速增加，图 2.4 的特性开始弯曲，如特性 or 段所示， 弯曲处的电压 uro 叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 图 2.4 阳极加反向电压 正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 2.5），j1、j3 结正偏，但 j2 结 反偏，这与普通 pn 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态， 当电压增加，图 2.4 的特性发生了弯曲，如特性 oa 段所示，弯曲处的是 ubo 叫： 正向转折电压 图 2.5 阳极加正向电压 由于电压升高到 j2 结的雪崩击穿电压后，j2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生 大量的电子和空穴，电子时入 n1 区，空穴时入 p2 区。进入 n1 区的电子与由 p1 区 通过 j1 结注入 n1 区的空穴复合，同样，进入 p2 区的空穴与由 n2 区通过 j3 结注 入 p2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 n1 区的电子与进入 p2 区的空穴各自不能全 部复合掉，这样，在 n1 区就有电子积累，在 p2 区就有空穴积累，结果使 p2 区的 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 15 电位升高，n1 区的电位下降，j2 结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降， 出现所谓负阻特性，见图 2.4 的虚线 ab 段。这时 j1、j2、j3 三个结均处于正偏， 可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的 pn 结正向特性相似， 见图 2.3 中的 bc 段。 触发导通 在控制极 g 上加入正向电压时（见图 2.6）因 j3 正偏，p2 区的空穴时入 n2 区， n2 区的电子进入 p2 区，形成触发电流 igt。在可控硅的内部正反馈作用（见图 2.3）的基础上，加上 igt 的作用，使可控硅提前导通，导致图 2.4 的伏安特性 oa 段左移，igt 越大，特性左移越快。 图 2.6 阳极和控制极均加正向电压 2.4 单结晶体管原理单结晶体管原理 单结晶体管（简称 ujt）又称基极二极管，它是一种只有一个 pn 结和两个电 阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻 n 型硅片，两端分别用欧姆接触 引出两个基极 b1 和 b2。在硅片中间略偏 b2 一侧用合金法制作一个 p 区作为发射极 e。 单结晶体管工作时，需要在两个基极间加直流电压 vbb，且 b2 接正极，b1 接负极。在发射极不加电压时，rb1 两端分得电压为 式（2.1） 式中凡 称为单结晶体管的分压比，用“ “表示，所以 分压比是单结晶体管的一个重要参数，其值与管子结构有关，一般在 0.50.9 之间。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 16 调节 rp，使 从零开始逐渐增加。当时，单结晶体管内的 pn 结 处于反向偏置，e 和 b1 之间不能导通，呈现很大的电阻，故单结晶体管处于截止状 态。 当 时，单结晶体管内的 pn 结便承受正向电压而导通，发射极电流 突然增大。这一使 e、b1 极之间由截止突然变为导通所需的控制电压称为单结晶体 管的峰点电压，用 表示。显然 单结晶体管导通后，因 e、b1 极之间的电阻下降很多，虽然这时 较大，但 上的压降不大，所以 a 点的电位较低，这时，即使控制电压调节到低于峰点电 压 以下，单结晶体管仍继续导通。直到控制电压 降到某一数值以下，使 pn 结再次反偏时，单结晶体管才由导通突然变为截止。这一使单结晶体管从导通变为 截止的控制电压称为单结晶体管的谷点电压，用表示。 2.4.1 单结晶体管的特点单结晶体管的特点 单结晶体管相当于一个开关。当发射极电压等于峰点电压 时，单结晶体 管可由截止突变为导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压 时，单结晶体 管就又突然恢复截止。 不同的单结晶体管，它们有不同的 和 。同一单结晶体管，若所加的 不同，它的 和 也有所不同。例如型号为 bt33b 的单结晶体管，若 ，则约等于 12. 8 v， 约等于 3 v。若 ，则 约等于 6.7 v， 约等于 26v。 单结晶体管的发射极与第一基极之间的电阻 是一个随发射极电流而变的 电阻。在单结晶体管未导通时，发射极电流很小， 是一个高电阻。导通后，随 着发射极电流的增大， 急剧下降。而 则是一个与发射极电流无关的电阻。 所以，在单结晶体管的等效电路中， 用可变电阻表示。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 17 2.4.2 单结晶体管的主要参数单结晶体管的主要参数 基极间电阻 rbb 发射极开路时，基极 b1、b2之间的电阻，一般为 2-10 千欧， 其数值随温度上升而增大。 分压比 由管子内部结构决定的常数，一般为 0.3-0.85。 eb1 间反向电压 vcb1 b2开路，在额定反向电压 vcb2下，基极 b1与发射极 e 之 间的反向耐压。 反向电流 ieo b1开路，在额定反向电压 vcb2 下，eb2 间的反向电流。 发射极饱和压降 veo 在最大发射极额定电流时，eb1 间的压降。 峰点电流 ip 单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极 电流 2.5 场效应管工作原理场效应管工作原理 场效应晶体管（field effect transistor 缩写(fet)）简称场效应管。一般的晶体 管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双 极型晶体管,而 fet 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体 管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108109）、噪声小、功 耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已 成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 2.5.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 i dss 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压 u gs=0 时的漏源电流。 up 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时 的栅极电压。 ut 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电 压。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 18 gm 跨导。是表示栅源电压 u gs 对漏极电流 i d的控制能力，即漏极电 流 i d变化量与栅源电压 ugs变化量的比值。gm 是衡量场效应管放大能力的重要参 数。 buds 漏源击穿电压。是指栅源电压 ugs一定时，场效应管正常工作所能 承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于 buds。 pdsm 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所 允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于 pdsm并留有一定余量。 idsm 最大漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源 间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过 idsm 2.5.2 场效应管的作用场效应管的作用 场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电 容可以容量较小，不必使用电解电容器。 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级 作阻抗变换。 场效应管可以用作可变电阻。 场效应管可以方便地用作恒流源。 场效应管可以用作电子开关。 2.5.3 结型场效应管的管脚识别结型场效应管的管脚识别 场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极 和集电极。将万用表置于 r1k 档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电 阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数 k 时，则这两个管脚为漏极 d 和源极 s（可互换），余下的一个管脚即为栅极 g。对于有 4 个管脚的结型场效应 管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。 判定栅极 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 19 用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次 测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于 n 沟道场效应管，黑表笔接的也 是栅极。 制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电 路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。 注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高， 栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高 的电压，容易将管子损坏。 估测场效应管的放大能力 将万用表拨到 r100 档，红表笔接源极 s，黑表笔接漏极 d，相当于给场效应 管加上 1.5v 的电源电压。这时表针指示出的是 d-s 极间电阻值。然后用手指捏栅极 g，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，uds 和 id 都将发生变化，也相当于 d-s 极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。 如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子 已经损坏。 由于人体感应的 50hz 交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工 作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管 子 rds 减小，使表针向右摆动，多数管子的 rds 增大，表针向左摆动。无论表针 的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。 本方法也适用于测 mos 管。为了保护 mos 场效应管，必须用手握住螺钉旋具 绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。 mos 管每次测量完毕，g-s 结电容上会充有少量电荷，建立起电压 ugs，再接 着测时表针可能不动，此时将 g-s 极间短路一下即可。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 20 2.6 电流互感器电流互感器 2.6.1 电流互感器定义电流互感器定义 电流互感器和变压器很相像，所以电流互感器从前也叫做变流器。后来，一般 把直流电变成交流电的仪器设备叫做变流器，把改变线路上电流大小的电器，根据 它通过互感的工作原理，叫做电流互感器。 2.6.2 电流互感器的特点电流互感器的特点 一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决 于被测电路的负荷电流而与二次电流无关； 电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情 况下，电流互感器在近于短路状态下