二极管三极管光耦解读

1、二极管、三极管、光耦本文主要介绍、二极管三极管和光耦的一些基本特性，及一些使用情况介绍。二极管二极管的工作原理晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间 电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩 散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时， 外界 电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电 压偏置时， 外界电场和自建电场进一步加强， 形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值 无关的反向饱和电流 I0 。当外加的反向电压高到一定程度时

2、， p-n 结空间电荷层中的电场强 度达到临界值产生载流子的倍增过程， 产生大量电子空穴对， 产生了数值很大的反向击穿电 流，称为二极管的击穿现象。二极管的符号如图：二极管的主要参数 正向电流 IF ：在额定功率下，允许通过二极管的电流值。 正向电压降 VF ：二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。 最大整流电流（平均值） IOM ：在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的 平均值。反向击穿电压 VB ：二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。 正向反向峰值电压 VRM ：二极管正常工作时所允许的反向电压峰值，通常 VRM 为 VB 的三分之二或略小一些。反向电

3、流 IR ：在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。结电容 C ：电容包括电容和扩散电容， 在高频场合下使用时， 要求结电容小于某一规定 数值。最高工作频率 FM ：二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。二极管的特性 二极管最主要的特性是单向导电性。其他如下： 正向特性当正向电压低于某一数值时， 正向电流很小， 只有当正向电压高于某一值时， 二极管才有明显的正向电流， 这个电压被称为导通电压， 我们又称它为门限电压或死区电压， 一般用Uon 表示，在室温下，硅管的 Uon 约为 0.60.8V ，锗管的 Uon 约为 0.1-0.3V ，我们一般认为当正向电压大于 Uon 时，二极管

4、才导通。否则截止。反向特性二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大 （反向饱和电流） ，但反向电压 大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。不同型号的二极管的击穿电压差别很大， 从几十伏到几千伏。温度特性环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移，如下图所示。极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1 度，正向压将减小 2-2.5mV ，温度每升高10 度，反向电流约增加一倍。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。 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

5、1 伏到几百伏，甚至高达数千伏。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，越不能在高频情况下工作。常用二极管整流管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。整流管因为其正向工作电流较大，工艺上多采用面结型结构，结电容大， 因此整流二极管 工作频率一般小于 3KHZ 。（ a）塑料封装（b）全密封金属结构检波二极管： 它式一种利用二极管的单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取 出来的元件，检波是指从调幅波的包络提取调制信号的过程。一般检

6、波二极管采用锗材料点接触型结构，要求正向压降小，检波效率高，结电容小， 频率特性好，其外形一般采用玻璃封装 EA 结构。开关二极管： 二极管从截止到导通称为开通时间，从开通到截止称为反向恢复时间，两者之和称为开 关时间。 在脉冲数字电路中， 用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管， 它的特点是反向 恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般IF1,时这两个 PN 结的输入特性基本重合。我们用 UCE=0 和 UCE=1,两条曲线表示，如下图（ 4 ）所示2. 输出特性 它的输出特性可分为三个区：（如图（ 5）的特性曲线）（1）截止区： I B=0

7、 时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两 个结均反偏（2）饱和区：此时两个结均处于正向偏置， UCE=0.3V（3）放大区 : 此时 I C=?I B， I C基本不随 UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。三极管主要参数 三极管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向 电压、反向电流等。（一）电流放大系数 电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示三极管放大能力。根据三极管工作状态的不同， 电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大 系数。直流电流放大系数 直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数， 是 指在静态无变化

8、信号输入时，三极管集电极电流I C与基极电流 I B 的比值，一般用 hFE或 表示。交流电流放大系数 交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数， 是 指在交流状态下，三极管集电极电流变化量I C与基极电流变化量 I B的比值，一般用 hFE或 表示。hFE或 既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。（二）耗散功率耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指三极管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。耗散功率与三极管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。三极管在使用时， 其实际功耗不允许超过 PCM值，否则会造成三极管因过载而损坏。通常将耗散

9、功率 PCM小于 1W的三极管称为小功率三极管， PCM等于或大于 1W、小于 5W 的三极管被称为中功率三极管，将 PCM等于或大于 5W的三极管称为大功率三极管。（三）频率特性三极管的电流放大系数与工作频率有关。 若三极管超过了其工作频率范围， 则会出现 放大能力减弱甚至失去放大作用。三极管的频率特性参数主要包括特征频率f T和最高振荡频率 f M等。1 特征频率 fT 三极管的工作频率超过截止频率f或 f 时，其电流放大系数 值将随着频率的升高而下降。特征频率是指 值降为 1 时三极管的工作频率。通常将特征频率 f T小于或等于 3MHZ的三极管称为低频管， 将 f T大于或等于 30M

10、HZ的 三极管称为高频管，将 f T大于 3MHZ、小于 30MHZ的三极管称为中频管。2 最高振荡频率 fM 最高振荡频率是指三极管的功率增益降为 1时所对应的频率。 通常，高频三极管的最高振荡频率低于共基极截止频率f ，而特征频率 f T则高于共基极截止频率 f 、低于共集电极截止频率 f 。（四）集电极最大电流 I CM 集电极最大电流是指三极管集电极所允许通过的最大电流。当三极管的集电极电流IC 超过 ICM 时，三极管的 值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。（五）最大反向电压最大反向电压是指三极管在工作时所允许施加的最高工作电压。 它包括集电极发射 极反向击穿电压、

11、集电极基极反向击穿电压和发射极基极反向击穿电压。1 集电极发射极反向击穿电压 该电压是指当三极管基极开路时， 其集电极与发射 极之间的最大允许反向电压，一般用VCEO或 BVCEO表示。2 集电极基极反向击穿电压 该电压是指当三极管发射极开路时， 其集电极与基极 之间的最大允许反向电压，用VCBO或 BVCBO表示。发射极基极反向击穿电压 该电压是指当三极管的集电极开路时， 其发射极与基 极与之间的最大允许反向电压，用 VEBO或 BVEBO表示。（六）反向电流 三极管的反向电流包括其集电极基极之间的反向电流ICBO和集电极发射极之间的反向击穿电流 ICEO。1 集电极基极之间的反向电流 IC

12、BO ICBO也称集电结反向漏电电流，是指当三极 管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。ICBO对温度较敏感，该值越小，说明三极管的温度特性越好。2集电极发射极之间的反向击穿电流ICEO ICEO 是指当三极管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流， 也称穿透电流。 此电流值越小， 说明三极管的性能越好。（七）参数与温度的关系由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性 曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。输出特性曲线上移。温度升高，放大系数也增加 。场效应管有 3 个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二

13、氧化硅材料的可 以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。场效应管分为结型场效应管（ JFET）和绝缘栅场效应管（ MOS管）结型场效应管结型场效应管的分类结型场效应管有两种结构形式。它们是 N 沟道结型场效应管（符号图为（ 1）和 P沟道结型场效应管（符号图为结型场效应管的工作原理 （以 N沟道结型场效应管为例在 D、S 间加上电压 UDS，则源极和漏极之间形成电流 ID，我们通过改变栅极和源极的 反向电压 UGS，就可以改变两个 PN 结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻， 因此就改变了漏极电流 ID 。结型场效应管的特性曲线 （ 以 N沟道结型场效应管为例 ） 输出特性曲线： （如

14、下图（ 3）所示）根据工作特性我们把它分为四个区域，即：可变电 阻区、放大区、击穿区、截止区。转移特性曲线：我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线如图（4）所示。它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。从图中我们可以看出当 UGS=UP时 ID=0 。我们称 UP为夹断电压。 注：转移特性和输出特性同是反映场效应管工作时，UGS、 UDS、ID 之间的关系，它们之间是可以互相转换的。2.2.2 绝缘栅场效应管 （MOS管）绝缘栅场效应管的分类绝缘栅场效应管也有两种结构形式， 它们是 N沟道型和 P沟道型。 无论是什麽沟道， 它 们又分为增强型和耗尽型两种。绝缘栅型场效应管的工作原理 （ 以

15、 N沟道增强型 MOS场效应管 ） 我们首先来看 N沟道增强型 MOS场效应管的符号图：如下图 （5） 所示它是利用 UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟 道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。绝缘栅型场效应管的特性曲线 （ 以 N沟道增强型 MOS场效应管 ） 它的转移特性曲线如图（ 6）所示；它的输出特性曲线如图 （7） 所示，它也分为 4 个区： 可变电阻区、放大区、截止区和击穿区。场效应管的主要参数（1）直流参数饱和漏极电流 IDSS 它可定义为：当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极之 间的电压大于夹断电压时，对应的漏极电流。 夹断电压 UP 它可定义

16、为：当 UDS一定时， 使 ID 减小到一个微小的电流时所需的 UGS开启电压 UT 它可定义为：当 UDS一定时，使 ID 到达某一个数值时所需的 UGS（3） 极限参数 漏、源击穿电压 栅极击穿电压（2）交流参数 低频跨导 gm 它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。 极间电容 场效应管三个电极之间的电容，它的值越小表示管子的性能越好。当漏极电流急剧上升时，产生雪崩击穿时的UDS。结型场效应管正常工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，若电流过高，则产生击穿现象。场效应管的特点场效应管具有放大作用，可以组成放大电路，它与双极性三极管相比具有以下特点：1）场效应管是电压控制器件，它通

17、过UGS来控制 ID ；2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很高；3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；5）场效应管的抗辐射能力强。表是各种场效应管的符号和特性曲线种类结型N沟耗尽转移特性结型P沟绝缘 栅型 N沟耗尽增强耗尽型增强输出特性绝缘 栅型P沟道耗尽场效应管与晶体三极管的比较场效应管是电压控制元件 , 而晶体管是电流控制元件 . 在只允许从信号源取较少电流的 情况下 ,应选用场效应管 ;而在信号电压较低 , 又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管 .晶体三极管与场效应管工作原理完全

18、不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：晶体管：基极 发射极 集电极场效应管 ： 栅极 源极 漏极10要注意的是， 晶体管（NPN型）设计发射极电位比基极电位低 （约 0.6V） ，场效应管源极电 位比栅极电位高（约 0.4V） 。场效应管是利用多数载流子导电 , 所以称之为单极型器件 , 而晶体管是即有多数载流子 也利用少数载流子导电 , 被称之为双极型器件 .有些场效应管的源极和漏极可以互换使用 , 栅压也可正可负 , 灵活性比晶体管好 . 场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作 , 而且它的制造工艺可以很方便地把很 多场效应管集成在一块硅片上 , 因此场效应管在大规模集成电路中得

19、到了广泛的应用 .光耦3.1 光耦的工作原理光电耦合器（简称光耦） 。光耦由发光器和受光器两部分组成（如下图1），发光器是一个发光二级管， 受光器是一个光敏三级管，二者密封在同一管壳内。工作分三部分：光的发 射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED ），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光 -电的转换，从而起到输入、输出、 隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离， 电信号传输具有单向 性等特点， 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 又由于光耦合器的输入端属于电流型 工作的低阻元件， 因而具有很强的共模抑制能力。 所

20、以， 它在长线传输信息中作为终端隔离 元件可以大大提高信噪比。 在计算机数字通信及时控制中作为信号隔离的接口器件， 可以大 大增加计算机工作的可靠性。图1 光耦图光耦的优点 光电耦合器因为其独特的结构特点，因此在实际使用过程中，具有以下明显的优点： 能够有效抑制接地回路的噪声， 消除地干扰， 使信号现场与主控制端在电气上完全隔离， 避免了主控制系统受到意外损坏。可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号， 且对信号具有放大和整形等功能， 使得实 际电路设计大为简化。开关速度快，高速光电耦合器的响应速度到达 ns 数量级，极大的拓展了光电耦合器在 数字信号处理中的应用。体积小，器件多采用双列直插封装

21、，具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构， 使用十分方便。可替代变压器隔离，不会因触点跳动而产生尖峰噪声，且抗震动和抗冲击能力强。 高线性型光电耦合器除了用于电源监测等， 还被用于医用设备， 能有效地保护病人的人 生安全。光耦的种类 光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的， 这类光耦适合于开关信号的传输， 不适合 于传输模拟量。常用的 4N 系列光耦属于非线性光耦 。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线， 并且小信号时性能较好， 能以线性特性进行隔 离控制。 常用的线性光耦是 PC817A-C 系列。11开关电源中常用的光耦是线性光耦

22、。 如果使用非线性光耦， 有可能使振荡波形变坏， 严重时出现寄生振荡， 使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。 由此产 生的后果是对彩电，彩显， VCD ，DCD 等等，将在图像画面上产生干扰。同时电源带负载 能力下降。 在彩电， 显示器等开关电源维修中如果光耦损坏， 一定要用线性光耦代换。 常 用的 4 脚线性光耦有 PC817AC 。PC111 TLP521 等常用的六脚线性光耦有： LP632 TLP532PC614 PC714 PS2031等。 常用的 4N25 4N26 4N35 4N36 是不适合用于开关电源中的， 因为 这 4 种光耦均属于非线性光耦。光耦的技术

23、参数 光耦的技术参数主要有： 正向压降 VF ：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降； 正向电流 IF ：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流； 反向电流 IR ：在被测管两端加规定反向工作电压 VR 时，二极管中流过的电流； 反向击穿电压 VBR ：被测管通过的反向电流 IR 为规定值时，在两极间所产生的电压 降； 电流传输比 CTR ：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之 比； 反向击穿电压 V（BR）CEO ：发光二极管开路，集电极电流 IC 为规定值，集电极与发射 集间的电压降； 输出饱和压降 VCE（sat） ：发光二极管工作电流

24、 IF 和集电极电流 IC 为规定值时， 并保持 IC/IF CTRmin 时（CTRmin 在被测管技术条件中规定） 集电极与发射极之间的电压降。 最重要的参数是电流放大系数传输比CTR （ Curremt-Trrasfer Ratio ）。通常用直流电流传输比来表示。 当输出电压保持恒定时， 它等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分比。 当接收管的电流放大系数 hFE 为常数时，它等于输出电流 IC 之比，通常用百分数来表示。 有公式：CTR=IC/ IF 100% 采用一只光敏三极管的光耦， CTR 的范围大多为 20%30%（如 4N35 ），而 PC817 则 为 80

25、% 160%，达林顿型光耦（如 4N30 ）可达 100%500%。这表明欲获得同样的输出电 流，后者只需较小的输入电流。因此， CTR 参数与晶体管的 hFE 有某种相似之处。普通光耦的 CTR-IF 特性曲线呈非线性，在 IF 较小时的非线性失真尤为严重，因此它 不适合传输模拟信号。线性光耦的 CTR-IF 特性曲线具有良好的线性度， 特别是在传输小信号时， 其交流电流 传输比 （ CTR IC/ IF很） 接近于直流电流传输比 CTR 值。因此，它适合传输模拟电压或 电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。这是其重要特性。两种光耦的 CTR/IF 特性曲线（虚线为线性光耦，实线为普通光耦

26、）光耦的应用3.5.1 应用说明12由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：(1) 在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路， 由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管 好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。(2) 作为固体开关应用在开关电路中， 往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离， 对于一般的电子开关 来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路， 可有效地解决输出与负载隔离地问题。在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于 A/