第一篇 电工电子认识实习指导
第1章 常用电子元器件
1.1 电阻器
电阻器是电子产品中用得最多的元件,随着电子技术的不断发展,电阻器的品种也日益增多。它是一种耗能元件,主要用来稳定和调节电路中电流和电压的大小,在电路中起限流、降压、分流、隔离和分压等作用。
1.1.1 分类
电阻器分类方法很多,按制造工艺和材料,电阻器可分为:合金型、薄膜型和合成型。按照使用范围和用途,电阻器又可分为:普通型电阻器、精密型电阻器、高频型电阻器、高压型电阻器、高阻型电阻器、熔断型电阻器、敏感型电阻器、电阻网络、无引线片式电阻器等。最常见的是按阻值特性分类,如图1-1所示。
图1-1 常见的电阻器分类
1.1.2 参数规格及符号
1.参数规格
电阻器的主要参数有标称阻值、允许误差(精度等级)、额定功率、温度系数、噪声、最高工作电压、高频特性等。在选用电阻器时一般只考虑标称阻值、允许误差和额定功率这3项最主要的参数,其他参数在有特殊需要时才考虑。
(1)标称阻值
标识在电阻器上的电阻值简称标称值。不同精度等级的电阻器,其阻值系列不同。标称阻值是按国家规定的电阻器标称阻值系列选定的,标称电阻值单位用欧(Ω)、千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)。标称阻值系列如表1-1所示。
表1-1 普通电阻器的标称阻值系列
(2)允许误差
电阻器的允许误差就是指电阻器的实际阻值对于标称阻值的允许最大误差范围,它标志着电阻器的阻值精度。普通电阻器的误差有±5%、±l0%、±20% 3个等级,允许误差越小,电阻器的精度越高。精密电阻器的允许误差可分为±2%、±1%、±0.5%……±0.001%等十几个等级。
(3)额定功率
在规定的环境温度和湿度下,假设周围空气不流通,在长期连续工作而不损坏或基本不改变电阻器性能的情况下,电阻器上允许消耗的最大功率即为额定功率。额定功率的单位为瓦(W)。一般选用额定功率时要有余量(1~2倍余量)。
2.电阻器的符号
电阻器的表示符号国家已制定有相应的标准,如图1-2所示。
图1-2 电阻器的符号
3.电阻器阻值和误差的标注方法
(1)直标法
直标法就是把电阻器的参数规格等信息直接标注在其表面,如图1-3所示。
图1-3 直标法
(2)文字符号法
文字符号法是用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来标称阻值,其允许误差也用文字符号表示,如图1-4所示,其中最后一位为允许误差。
图1-4 文字符号法
表示电阻单位的文字符号和表示允许误差的文字符号如表1-2所示。
表1-2 电阻文字符号
(3)数码法
数码法用3位阿拉伯数字表示,前两位表示阻值的有效数字,第三位数表示有效数字后面零的个数。当阻值小于10Ω时,以xRx表示(x代表数字),将R看作小数点,如图1-5所示。
图1-5 数码法
(4)色标法
色标法是用不同颜色的色带或点在电阻器表面标出标称阻值和误差值的方法。色标法分两种。
① 两位有效数字的色标法。普通电阻器用4条色带表示标称阻值和允许误差,其中3条表示阻值,一条表示误差,如图1-6所示。例如,电阻器上的色带依次为绿、黑、橙和无色,则表示50×1000=50kΩ,其误差是±20%;电阻的色标是红、红、黑、金,其阻值是22×1=22Ω,误差是±5%;又如,电阻的色标是棕、黑、金、金,其阻值为10×0.1=1Ω,误差为±5%。
图1-6 2位有效数字的阻值色标表示法
② 3位有效数字色标法。精密仪器用5条色带表示标称值和允许误差,如图1-7所示。例如,色带是棕、蓝、绿、黑、棕,表示165Ω ±1%的电阻值。
图1-7 3位有效数字的阻值色标表示法
1.1.3 性能
电阻器是一种与频率无关的元件,也就是说在任何频率的电路中,同一个电阻所表现出的阻值是一样的。不仅如此,电阻器在直流电路、交流电路中所呈现的阻值也是相同的,所以电阻器电路对许多电子元件来说,特性比较单纯,分析起来也比较简单。电阻器之所以能够降压限流,主要是因为电阻器是一种耗能元件,有电流流过电阻器时,消耗电能而发热,即将一部分电能转化成热能消耗掉。所以在实际电路中,我们常看到电阻器以负载的形式出现,且其特性满足欧姆定律。
下面我们重点了解一下几种敏感电阻器的主要性能。
敏感电阻器是指那些电特性对外界温度、电压、机械力、亮度、湿度、磁通密度、气体浓度等物理量反应敏感的电阻元件。目前,常见的敏感电阻器有热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏、气敏和磁敏电阻器。
1.热敏电阻器
热敏电阻器是利用半导体的电阻率受温度的影响很大的性质制成的温度敏感元件。常常分为负温度系数热敏电阻器(即阻值随温度上升而减小的热敏电阻,简称NTC)和正温度系数热敏电阻器(即阻值随温度上升而增加的热敏电阻,简称PTC)。按照工作温度范围的不同,又可分为常温热敏电阻器(其工作温度范围-55~315℃)、低温热敏电阻器(其工作温度范围小于-55℃)和高温热敏电阻器(其工作温度范围大于315℃)。
热敏电阻器的构造包括:用热敏材料制成的电阻体(敏感元)、引线及壳体。根据使用要求,可以把热敏电阻器制成各种形状,如图1-8所示。
图1-8 热敏电阻的结构和符号
2.光敏电阻
光敏电阻是利用半导体材料的电阻率受光照的影响很大的性质制成的。
(1)光敏电阻的结构及种类
光敏电阻利用半导体光电材料制成,它是由一块涂在绝缘板上的光电导体薄膜和两个电极所构成的。外加一定电压后,光生载流子在电场的作用下沿一定方向运动,即在回路中形成电流,这就达到了光电转换的目的。其原理如图1-9所示。
图1-9 光敏电阻的原理
(2)光敏电阻的光照特性和伏安特性
光敏电阻的光照特性指其电阻随光照强度变化的关系。图1-10所示是典型的硫化镉光敏电阻的光照特性。从图中可见,随光照强度的增加,光敏电阻的阻值迅速下降,然后逐渐趋于饱和,这时如光强再增大,电阻变化很小。
图1-10 光敏电阻的光照特性
光敏电阻的伏安特性指光敏电阻上外加电压和流过的电流的关系。图1-11是典型的烧结膜光敏电阻的伏安特性。由图可见,所加电压愈高,光电流愈大,无饱和现象,同时,不同的光照,伏安特性有不同的斜率。
图1-11 光敏电阻的伏安特性
3.压敏电阻
压敏电阻是一种电压敏感元件,其品种很多,有氧化锌压敏电阻、碳化硅压敏电阻及钛酸钡压敏电阻、金属氧化物压敏电阻等。目前使用较多的是氧化锌压敏电阻。
普通电阻遵守欧姆定律,而压敏电阻的电压和电流呈非线性关系。当压敏电阻两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过。当压敏电阻两端电压略高于标称额定电压时,压敏电阻将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时,压敏电阻又能恢复为高阻状态。当压敏电阻两端电压超过其最大限制电压时,压敏电阻将被完全击穿损毁,无法自行恢复。
4.力敏电阻
力敏电阻是一种能将机械力转换为电信号的特殊元件,它是利用半导体材料的压力电阻效应制成的,即电阻值随外加压力大小而改变。力敏电阻是一种阻值随压力变化而变化的电阻。所谓压力电阻效应即半导体材料的电阻率随机械应力的变化而变化的效应。力敏电阻可制成各种力矩计、半导体话筒、压力传感器等,主要品种有硅力敏电阻器、硒碲合金力敏电阻器。相对而言,合金电阻器具有更高灵敏度。
1.1.4 使用及检测
电阻器在使用前应用测量仪表(如万用表)检查一下,看其阻值是否与标称值相符。实际使用时,在阻值和额定功率不能满足要求的情况下,可采用电阻串、并联的方法解决。但要注意,除了计算总电阻值是否符合要求外,还要注意每个电阻器所承受的功率是否合适,即额定功率值要比承受功率大2倍以上。使用电阻器时,除了不能超过额定功率,防止受热损坏外,还应注意不超过最高工作电压,否则电阻器内部会产生火花引起噪声。
电阻器种类繁多,性能各有不同,应用范围也有很大区别。要根据电路不同用途和不同要求选择不同种类的电阻器。在耐热性、稳定性、可靠性要求较高的电路中,应该选用金属膜或金属氧化膜电阻;在要求功率大、耐热性好,工作频率不高的电路中,可选用线绕电阻器;对于无特殊要求的一般电路,可使用碳膜电阻,以降低其成本。电阻器用于替换时,大功率的电阻器可代换小功率的电阻器,金属膜电阻器可代换碳膜电阻器,固定电阻器与半可调电阻器可相互代替使用。
电阻器的阻值可采用万用表的欧姆挡进行测量。首先要进行万用表调零,然后选择不同挡位,使指针尽可能指示在表盘的中部,以提高测量精度。如果用数字式万用表来测电阻器的电阻值,其测量精度要高于指针式万用表。同时测量方法要正确,对于大阻值电阻,不能用手捏着电阻引线来测量,防止人体电阻与被测电阻并联,而使测量值不正确。对于小阻值的电阻器,要将引线刮干净,保证表笔与电阻引线的良好接触。
对于高精度电阻器可采用电桥进行测量。对于大阻值、低精度的电阻器可采用兆欧表来测量。不论用什么方法测量,在保证测量灵敏度的情况下,加到电阻器上的直流测量电压应尽量低,时间要尽量短,以避免被测电阻器发热,电阻值改变而影响测量的准确性。
1.2 电容器
电容器是电子设备中最主要的元件之一,其种类繁多,价格差别很大,特别是其标志方式的多样性使得电容器的识别存在一定困难。为了适应工作需要,大家应了解其种类,熟悉其性能,掌握其识别和检测方法。
1.2.1 分类
电容器的种类很多,分类方法也各有不同,如图1-12所示。通常按介质材料不同分为纸介电容器、有机薄膜电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容器、云母电容器、电解电容器等。按结构不同分为固定电容器、可变电容器、半可变(又称微调)电容器等。另外,还有多种片式电容器,如:片式独石电容器、片式有机薄膜电容器、片式云母电容器、片式钽电解电容器和片式铝电解电容器等。
图1-12 常见电容器分类
1.2.2 参数规格及符号
1.参数规格
表示电容器性能的参数很多,这里介绍一些常用的参数。
(1)标称容量与允许误差
电容量是电容器的最基本的参数。标在电容器外壳上的电容量数值称为标称电容量,是标准化了的电容值,由标称系列规定。常用的标称系列和电阻器的相同。不同类别的电容器,其标称容量系列也不一样。当标称容量范围在0.1~1μF时,标称系列采用E6系列。当标称容量范围在1~100μF时,采用1、2、4、6、8、10、15、20、30、50、60、80、100系列。对于有机薄膜、瓷介、玻璃釉、云母电容器,标称容量系列采用E24、E12、E6系列。对于电解电容器采用E6系列。
标称容量与实际电容量有一定的允许误差,允许误差用百分数或误差等级表示。允许误差分为5级:±1%(00级)、±2%(0级)、±5%(Ⅰ级)、±10%(Ⅱ级)和±20%(Ⅲ级),有的电解电容器的容量误差范围较大,在±20%~±100%。
电容器的容量单位为法拉,用F表示。在实用中“法拉”的单位太大,常用毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nP)和皮法(pF)作单位,其换算公式如下:
1毫法(mF)=10-3F 1微法(μF)= 10-6F 1纳法(nF)= 10-9F 1皮法(pF)= 10-12F,电容器的标称值如表1-3所示。
表1-3 固定电容器标称容量
(2)额定工作电压(耐压)
电容器的额定工作电压是指电容器长期连续可靠工作时,极间电压不允许超过的规定电压值,否则电容器就会被击穿损坏。额定工作电压数值一般以直流电压在电容器上标出。
(3)绝缘电阻
电容器的绝缘电阻是指电容器两极间的电阻,或叫漏电电阻。电容器中的介质并不是绝对的绝缘体,多少总有些漏电。除电解电容器外,一般电容器漏电电流是很小的。显然,电容器的漏电电流越大,绝缘电阻越小。当漏电电流较大时,电容器发热,发热严重时导致电容器损坏。使用中,应选择绝缘电阻大的为好。
(4)环境温度
大多数电容器应能在-25~+85℃温度范围内长期正常工作。电容器使用环境温度通常按规定设定。
(5)频率特性
电容器工作在交流状态下,除有损耗电阻外.还会产生与之串联的电感,当频率升高时,电感呈现的感抗增大,对电容的影响增大。因此,不同品种的电容器有各自的最高工作频率限制。
(6)电容器的损耗
电容器在交变电场作用下,其内的电介质的分子由于极化会消耗一部分电能,表现为介质发热,且随温度的升高损耗加大,严重时会烧坏电容器。在高压电路和高频电路中,应采用低介质损耗的电容器。
(7)温度系数
当温度升高或降低时,电容器的容量会随温度的变化而变化,用温度系数表示电容量和温度之间的关系。它是指在一定温度范围内,温度每变化1℃时,电容量改变的数值ΔC与原来电容量数值之比。电容器的温度系数有正温度系数和负温度系数之分。
2.电容器的符号
电容器可分为固定式和可变式两大类。固定式电容器是指容量固定不能调节的电容器,而可变式电容器的容量是可调整变化的。按其是否有极性来分类,可分为无极性电容器和有极性电容器。其符号如图1-13所示。
图1-13 电容器的符号
3.电容器的规格与标注方法
① 直标法。直标法就是把电容器的参数规格等信息直接标注在其表面,如图1-14所示。
图1-14 电容直标法
② 不标单位的直接表示,如图1-15所示。
图1-15 不标单位的表示法
③ 用国际单位制表示:用数字表示有效值,字母表示数值的量级。示例如图1-16所示。
图1-16 国际单位制的表示法
④ 数码法:一般用3位数字表示电容器容量的大小,其单位为pF。其中第一、二位为有效值数字,第三位表示倍乘数(又称倍率),即表示有效值后“零”的个数。倍乘数的意义如表1-4所示。
表1-4 倍乘数的意义
示例如图1-17所示。
图1-17 电容容量数码表示法
⑤ 色码表示法:电容器的色码表示法和电阻器的色码表示法基本相同,它也是用10种颜色表示10个数字,即棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑,代表1、2、3、4、5、6、7、8、9、0。三环表示法示例如图1-18所示。
图1-18 电容容量三环表示法
四环表示法示例如图1-19所示。
图1-19 电容容量四环表示法
五环表示法示例如图1-20所示。
图1-20 电容容量五环表示法
电容量除了以上表示法外,还有六环表示法、色点表示法、颜色和数字标注法、字母加数字表示法,在操作过程中不认识电容器显然是不行的,因此我们需不断地学习。
1.2.3 性能
电容器的性能、结构和用途在很大程度上取决于电容器的介质,对设计者来说,如何选择电容器的种类就是一个实际问题。在设计时不仅要考虑电路的要求,也要考虑电容器的价格。几种常用电容器的性能如表1-5所示(供选用时参考)。
表1-5 电容器的性能
1.2.4 使用及检测
1.电容器的使用
电容器的种类很多,正确选择和使用电容器对产品设计很重要。在选择和使用电容器时需要注意以下几点。
(1)选择适当的型号
根据电路要求,一般用于低频耦合、旁路去耦等电气要求不高的场合时,可使用纸介电容器、电解电容器等,级间耦合选用1~22μF的电解电容器,射极旁路采用10~220μF的电解电容器;在中频电路中,可选用0.01~0.1μF的纸介、金属化纸介、有机薄膜电容器等;在高频电路中,则应选用云母和瓷介电容器。
在电源滤波和退耦电路中,可选用电解电容器,一般只要容量、耐压、体积和成本满足要求就可以。
对于可变电容器,应根据电容统调的级数,确定采用单联或多联可变电容器。如不需要经常调整,可选用微调电容器。
(2)合理选用标称容量及公差等级
在很多情况下,对电容器的容量要求不严格,容量误差可以很大。如在旁路、退耦电路及低频耦合电路中,选用时可根据设计值,选用相近容量或容量大些的电容器。但在振荡回路、延时电路、音调控制电路中,电容量应尽量与设计值一致,电容器的公差等级要求就高些。在各种滤波器和各种网络中,对电容量的公差等级有更高的要求。
(3)电容器额定电压的选择
如果电路中的实际电压高于电容器的额定工作电压时,电容器就会发生击穿损坏。一般应高于实际电压l~2倍,使其留有足够的余量才行。对于电解电容器,实际电压应是电解电容器额定工作电压的50%~70%。如果实际电压低于额定工作电压一半以下,反而会使电解电容器的损耗增大。
(4)选用绝缘电阻高的电容器
在高温、高压条件下更要选择绝缘电阻高的电容器。
(5)在装配中的注意事项
应使电容器的标识易于观察到,以便核对。同时应注意不可将电解电容器极性接错,否则会损坏电解电容器,甚至会有爆炸的危险。
2.电容器的检测
电路中常见的电容器故障是开路失效、短路击穿、漏电或电容量变化。一般情况下,人们都是用普通万用表来检查电容器。下面对电容器检测进行简单介绍。
① 利用万用表表针摆动情况检测电容器的好坏,其检测方法如表1-6所示。
表1-6 电容检测
② 电解电容器极性的判别。
若当电解电容器极性标注不明确时,可通过测量其漏电流的方式来判断正、负极性。将万用表调至R×100或R×1k挡,先测量电解电容器的漏电阻值,再对调红、黑表棒测量第二个漏电阻值,最后比较两次的测量结果。在漏电阻值较大的那次测量中,黑表棒接的一端表示电解电容器的正极,红表棒接的一端表示负极。
1.3 电感器
电感器是常用的基本电子元件之一,它是依据电磁感应原理制成的,一般由导线统制而成,在电路中具有通直流电、阻止交流电通过的能力。它广泛应用于调谐、振荡、滤波、耦合、均衡、延迟、匹配、补偿等电路。电感器的种类繁多、形状各异。由于电感器是非标准元件,除有少量现成产品外,通常需根据电路的要求自行设计制作。因此,我们要了解电感器的分类、识别与检测,也需要了解自制电感器的一般方法。
1.3.1 分类
电感器(一般称电感线圈)的种类很多,分类方法也不一样,其分类如图1-21所示。各种电感线圈都具有不同的特点和用途,但它们都是用漆包线、纱包线、裸铜线绕在绝缘骨架上或铁芯上构成的,而且每圈之间要彼此绝缘。
图1-21 电感器的分类
1.3.2 参数规格及符号
1.参数规格
电感线圈和电容器一样,是一种无源元件,也是一种储能元件。电感线圈的主要技术参数有如下几个。
(1)电感量
电感量的大小与线圈的匝数、直径、绕制方式、内部是否有磁芯及磁芯材料等因素有关。匝数越多,电感量就越大。线圈内装有磁芯或铁芯,可以增大电感量。一般磁芯用于高频场合,铁芯用在低频场合。线圈中装有铜芯,则会使电感量减小。电感量的单位是亨利,简称亨,用H表示,常用的有毫亨(mH)、微亨(μH)、纳亨(nH)。换算关系为:1H=103mH=106μH=109nH。
(2)品质因数
品质因数反映了电感线圈质量的高低,通常称为Q值。Q值高,线圈损耗就小,反之,若线圈的损耗较大,则Q值就较低。
(3)分布电容
线圈匝与匝之间以及绕组与屏蔽罩或地之间,不可避免地存在着分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值下降。一般要求电感线圈的分布电容尽可能小,为此,可减小线圈骨架的直径,用细导线绕制线圈,采用间绕法、蜂房式绕法。
(4)允许误差
允许误差是指线圈的标称值与实际电感量的允许误差值,也称电感量的精度,对它的要求视用途而定。一般对用于振荡或滤波等电路中的电感线圈要求较高,允许误差为±0.2%~±0.5%;而用于耦合、高频阻流的电感线圈则要求不高,允许误差为±10%~±15%。
(5)额定电流
额定电流是指电感线圈在正常工作时所允许通过的最大电流。若工作电流超过该额定电流值,线圈会过电流而发热,其参数会改变,严重时会烧断。
(6)稳定性
稳定性是指在指定工作环境(温度、湿度等)及额定电流下,线圈的电感量、品质因数以及固定电容等参数的稳定程度,其参量变化应在给定的范围内,保证电路的可靠性。
2.电感器的符号(见图1-22)
图1-22 电感器的符号
3.电感器的规格与标注方法
一般固定电感器的电感量可用数字直接标在电感器的外壳上。电感量的允许误差用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ即±5%、±10%、±20%表示,直接标在电感器外壳上。
1.3.3 性能
电感器的特性与电容器的特性正好相反,它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。直流信号通过线圈时的电阻就是导线本身的电阻,压降很小;当交流信号通过线圈时,线圈两端将会产生自感电动势,自感电动势的方向与外加电压的方向相反,阻碍交流的通过,所以电感器的特性是通直流、阻交流,频率越高,线圈阻抗越大。电感器在电路中经常和电容器一起工作,构成LC滤波器、LC振荡器等。另外,人们还利用电感的特性,制造了阻流圈、变压器、继电器等。
通直流:指电感器对直流呈通路状态,如果不计电感线圈的电阻,那么直流电可以“畅通无阻”地通过电感器,对直流而言,线圈本身电阻对直流的阻碍作用很小,所以在电路分析中往往忽略不计。
阻交流:当交流电通过电感线圈时电感器对交流电存在着阻碍作用,阻碍交流电的是电感线圈的感抗。
1.3.4 使用及检测
1.电感器的使用
电感线圈的用途很广,使用电感线圈时应注意其性能是否符合电路要求,并应正确使用,防止接错线和损坏。在使用电感线圈时,还应注意以下几点。
① 在选电感器时,首先应明确其使用频率范围。铁芯线圈只能用于低频,铁氧体线圈、空心线圈可用于高频。其次要弄清线圈的电感量和适用的电压范围。
② 电感线圈本身是磁感应元件,对周围的电感性元件有影响,安装时要注意电感性元件之间的相互位置,一般应使相互靠近的电感线圈的轴线互相垂直。
③ 在使用线圈时应注意不要随便改变线圈的形状、大小和线圈间的距离,否则会影响线圈原来的电感量,尤其是频率越高,即圈数越少的线圈。
④ 线圈在装配时互相之间的位置和其他元件的位置要特别注意,应符合规定要求,以免互相影响而导致整机不能正常工作。
⑤ 可调线圈应安装在机器易于调节的地方,以便调节线圈的电感量达到最理想的工作状态。
2.电感器的检测
首先从外观上检查,看线圈有无松散、发霉,引脚有否折断、生锈现象。进一步可用万用表的欧姆挡测线圈的直流电阻,若直流电阻为无穷大,说明线圈内或线圈与引线间已经断路;若直流电阻比正常值小很多,说明线圈内有局部短路;若直流电阻为零,则说明线圈被完全短路。具有金属屏蔽罩的线圈,还需测量它的线圈和屏蔽罩间是否有短路,具有磁芯的可调电感线圈要求磁芯的螺纹配合要好,既要轻松,又不滑牙。
线圈的断线往往是因为受潮发霉或折断的。一般的故障多数发生在线圈出头的焊接点上或经常拗扭的地方。
如要准确测量电感线圈的电感量L和品质因数Q,就需要用专门仪器来进行测量,而且测试步骤较为复杂。一般用万用表欧姆挡R×l或R×10挡,测电感器的阻值,若为无穷大,表明电感器断路;如电阻很小,说明电感器正常。在电感量相同的多个电感器中,如果电阻值小,则表明Q值高。
1.4 二极管
半导体二极管是应用最广的电子元器件之一。二极管的基本特性是单向导通。在电路中其主要作用是整流、检波、电子开关和稳压等。作为电类专业人员,不仅要认识、熟悉各种普通二极管及其检测方法,也要关注各种特殊二极管的工作原理、工作条件和实际应用。
1.4.1 分类
二极管种类有很多,按照所用的半导体材料,可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。根据其不同用途,可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构,又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面,通以脉冲电流,使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起,形成一个PN结。由于是点接触,只允许通过较小的电流(不超过几十毫安),适用于高频小电流电路,如收音机的检波等。面接触型二极管的PN结面积较大,允许通过较大的电流(几安到几十安),主要用于把交流电变换成直流电的整流电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管,它不仅能通过较大的电流,而且性能稳定可靠,多用于开关、脉冲及高频电路中。
1.4.2 参数规格及符号
1.参数规格
除通用参数外,不同用途的二极管还有其各自的特殊参数。下面介绍二极管的参数,如整流、检波等共有的参数。
(1)最大整流电流
它是晶体二极管在正常连续工作时,能通过的最大正向电流值。使用时电路的最大电流不能超过此值,否则二极管就会发热而烧毁。
(2)最高反向工作电压
二极管正常工作时所能承受的最高反向电压值。它是击穿电压值的一半。也就是说,将一定的电压反向加在二极管两极,二极管的PN结不致引起击穿。一般使用时,外加反向电压不得超过此值,以保证二极管的安全。
(3)最大反向电流
这个参数是指在最高反向工作电压下允许流过的反向电流。这个电流的大小,反映了晶体二极管单向导电性能的好坏。如果这个反向电流值太大,就会使二极管过热而损坏,因此这个值越小,表明二极管的质量越好。
(4)最高工作频率
这个参数是指二极管在正常工作下的最高频率。如果通过二极管电流的频率大于此值,二极管将不能起到它应有的作用。在选用二极管时,一定要考虑电路频率的高低,选择能满足电路频率要求的二极管。
2.二极管符号
二极管的种类较多,其主要的几种电路符号如图1-23所示。
图1-23 二极管的符号
3.二极管的规格与标注方法
二极管的型号命名通常根据国家标准GB 249—1974规定,由5部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目,第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性,第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型,第四部分用数字表示器件序号,第五部分用汉语拼音字母表示规格号。其具体含义如表1-7所示。
表1-7 二极管命名规则
1.4.3 性能
1.单方向导电性
二极管最重要的特性就是单向导电性。在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。
正向特性:在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,又称“死区电压”,锗管约为0.1V,硅管约为0.5V)以后,二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),称为二极管的“正向压降”。
反向特性:在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。
2.几种特殊二极管
(1)稳压二极管
稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小,当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然猛增,稳压管从而反向击穿,此后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利用这一特性,稳压管就在电路中起到稳压的作用了。而且,稳压管与其他普通二极管的不同之处是反向击穿是可逆性的,当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,二极管将会发热击穿,所以,与其配合的电阻往往起到限流的作用。
(2)整流二极管
整流二极管主要用于整流电路,即把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管都是面结型,因此结电容较大,使其频率范围亦较窄而低,一般为3kHz以下。常用的整流二极管有2CZ型、2DZ型及用于高压、高频电路的2DGL型等。
(3)发光二极管
发光二极管是一种把电能变成光能的半导体器件。它具有一个PN结,与普通二极管一样,具有单向导电的特性。当给发光二极管加上偏压,有一定的电流流过时发光二极管就会发光。
发光二极管的种类以发光的颜色可分为红色光的、黄色光的、绿色光的,还有三色变色发光二极管和肉眼看不见光的红外光二极管。对于发红光、绿光、黄光的发光二极管,引脚引线以较长者为正极,较短者为负极。如管帽上有凸起标志,那么靠近凸起标志的引脚就为正极。
(4)光电二极管(光敏二极管)
光电二极管跟普通二极管一样,也是由一个PN结构成。但是它的PN结面积较大,是专为接收入射光而设计的。它是利用PN结在施加反向电压时,在光线照射下反向电阻由大变小的原理来工作的。也就是说,当没有光照射时反向电流很小,而反向电阻很大;当有光照射时,反向电阻减小,反向电流增大。
光电二极管在无光照射时的反向电流称为暗电流,有光照射时的反向电流叫光电流(亮电流)。另外,光电二极管是反向接入电路的,即正极接低电位,负极接高电位。
(5)检波二极管
检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。它们的结构为点接触型,结电容较小,一般都采用锗材料制成。这种管子的封装多采用玻璃外壳。常用的检波二极管有2AP型等。
(6)阻尼二极管
阻尼二极管多用在高频电压电路中,能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流,一般用在电视机电路中。常用的阻尼二极管有2CNI、2CN2、BS-4等。
1.4.4 使用及检测
1.二极管的使用
选二极管时不能超过它的极限参数,即最大整流电流、最高反向工作电压、最高工作频率、最高结温等,并留有一定的余量,此外,还应根据技术要求进行选择。
① 当要求反向电压高、反向电流小、工作温度高于100℃时应选用硅管,需要导通电流大时,应选面接触型硅管。
② 要求导通压降较低时选锗管,工作频率较高时,选点接触型二极管(一般为锗管)。
③ 点接触二极管的工作频率高,不能承受较高的电压和通过较大的电流,多用于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大,但适用的频率较低,多用于整流、稳压、低频开关电路等方面。选用整流二极管时,既要考虑正向电压,也要考虑反向饱和电流和最大反向电压。选用检波二极管时,要求工作频率高,正向电阻小,以保证较高的工作效率,特性曲线要好,避免引起过大的失真。
2.二极管的检测
普通二极管一般分为玻璃封装和塑料封装两种,它们的外壳上均印有型号和标记。标记箭头的指向为阴极。有的二极管上只有一个色点,则有色点的一端为阳极。有的二极管上只有一个色圈,则靠色圈的一端为阴极。
若遇到型号标记不清时,可以借助数字万用表的欧姆挡简单判别。根据PN结正向导通电阻值小、反向截止电阻值大的原理来简单确定二极管的好坏和极性。具体做法是:将万用表置于二极管挡,用红、黑两表笔接触二极管两端,表头有一个指示;将红、黑两表笔反过来再次接触二极管两端,表头又有一个指示。若两次指示的值相差很大.则说明该二极管单向导电性好,并且超量程的那次,黑表笔所接端为二极管的阳极;若两次指示的阻值相差很小,则说明该二极管已失去单向导电性;若两次指示的值均超量程,则说明该二极管已开路。
发光二极管出厂时,一根引线比另一根引线做得长,通常,较长的引线表示阳极,另一根为阴极。若辨别不出引线的长短,则可通过观察发光二极管底盘来辨认,底盘圆形缺一部分的方向对应的引脚为阴极。
如果不知道被测的二极管是硅管还是锗管,可用万用表测量二极管正向压降,硅二极管一般为0.6~0.7V,锗管为0.1~0.3V。
1.5 三极管
三极管又称双极型晶体管(BJT),内含两个PN结,3个导电区域。两个PN结分别称作发射结和集电结,发射结和集电结之间为基区。从3个导电区引出3根电极,分别为集电极C、基极B和发射极E。它是一种电流控制电流的半导体器件,其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号,也用作无触点开关。晶体三极管是电子电路的核心器件。
1.5.1 分类
① 按材料和极性分,有硅材料的NPN与PNP三极管,锗材料的NPN与PNP三极管。
② 按用途分,有高、中频放大管,低频放大管,低噪声放大管,光电管,开关管,高压反压管,达林顿管,带阻尼的三极管等。
③ 按功率分,有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。
④ 按工作频率分,有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。
⑤ 按制作工艺分,有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。
⑥ 按外形封装的不同,可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。
1.5.2 参数规格及符号
1.参数规格
晶体三极管的参数可分为直流参数、交流参数、极限参数3大类。
(1)直流参数
① 集电极-基极反向电流ICBO。当发射极开路,集电极与基极间加上规定的反向电压时,集电结中的漏电流。此值越小说明三极管的温度稳定性越好。一般小功率管约10μA,硅管更小些。
② 集电极-发射极反向电流ICEO,也称穿透电流。它是指基极开路,集电极与发射极之间加上规定的反向电压时,集电极的漏电流。这个参数表明三极管的稳定性能的好坏。如果此值过大,说明这个管子不宜使用。
(2)极限参数
① 集电极最大允许电流ICM。当三极管的β值下降到最大值的一半时,管子的集电极电流就称为集电极最大允许电流。当管子的集电极电流IC超过一定值时,将引起三极管某些参数的变化,最明显的是β值的下降。因此,实际使用时IC要小于ICM。
② 集电极最大允许耗散功率PCM。当三极管工作时,由于集电极要耗散一定的功率而使集电结发热,当温升过高时就会导致参数变化,甚至烧毁三极管。为此规定三极管集电极温度升高到不至于将集电结烧毁所消耗的功率,就称为集电极最大耗散功率。在使用时为提高PCM,可给大功率管加上散热片。
③ 集电极-发射极反向击穿电压BV CEO。当基极开路时,集电极与发射极间允许加的最大电压。在实际使用时加到集电极与发射极之间的电压,一定要小于BV CEO,否则将损坏晶体三极管。
(3)晶体三极管的电流放大倍数
① 直流放大倍数。这个参数是指无交流信号输入时,共发射极电路,集电极输出直流电流IC与基极输入直流IB的比值,即=IC/IB。
② 交流放大倍数β。这个参数是指在共发射极电路有信号输入时,集电极电流的变化量与基极电流变化量的比值,即β = ΔIC/ΔIB。
以上两个参数分别表明了三极管对直流电流的放大能力及对交流电流的放大能力,但由于这两个参数值近似相等,即≈β,因而在实际使用时一般不再区分。
为了能直观地表明三极管的放大倍数,常在三极管的外壳上标上不同的色标,为选用三极管带来了很大的方便。
锗/硅开关管、高低频小功率管、硅低频大功率管D系列/DD系列/3CD系列的分挡标记如下:
0~15~25~40~55~80~120~180~270~440
棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑
锗低频大功率3AD系列分挡标记如下:
20~30~40~60~90
棕 红 橙 黄 绿
(4)特征频率fT
因为β值随工作频率的升高而下降,频率越高β下降越严重。三极管的特征频率fT是当β值下降到1时的频率值。就是说,在这个频率下工作的三极管,已失去放大能力,即fT是三极管运用的极限频率。因此在选用三极管时,一般管子的特征频率要比电路的工作频率至少高3倍,但并不是fT越高越好,否则将引起电路的振荡。
2.三极管的符号
在三极管的符号中,中间横线是基极B,带箭头的斜线是发射极E,另一斜线是集电极C,如图1-24所示。
图1-24 三极管的符号
3.三极管的规格与型号
由于三极管的型号很多,为了能在使用中很好地识别三极管的型号,应注意以下几点。
① 国内合资企业生产的三极管有相当一部分采用国外同类产品的型号,如2SCl815、2SA562等。
② 有些日产三极管受管面积较小的限制,为打印型号的方便,往往把型号前面的2S省掉。如2SA733型三极管可简写为A733,2SD869型可简写为D869,2SD903可简写为D903等。
③ 表面封装的三极管因受体积微小的限制,其型号是用数字表示的,使用时应将数字表示的型号与标准型号相对应,以防用错。
④ 美国产的三极管型号是用2N开头的,N是美国电子工业协会注册标志,其后面的数字是登记序号。从型号中无法反映出管子的极性、材料及高/低频特性和功率的大小,如2N6275、2N5401、2N5551等。
⑤ 欧洲国家生产的三极管各部分字母和数字所表示的含义如表1-8所示,如BU08D、BU607D、BU206A、BC548、BD234、BD 410、BF458等。
表1-8 欧洲国家三极管型号中字母与数字的含义
⑥ 韩国三星电子公司生产的三极管在我国电子产品中的应用也很多,以4位数字表示三极管的型号,常用的有9011~9018等几种型号。其中9011、9013、9014、9016、9018为NPN型三极管;9012、9015为PNP型三极管;9016、9018为高频三极管,它们的特征频率fT都在500MHz以上;9012、9013型三极管为功放管,耗散功率为625mW。
⑦ 日本产三极管的型号中第四部分表示注册登记的顺序号,其数字越大,则表明生产日期距当前时间越近。
1.5.3 性能
晶体三极管具有电流放大作用,其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIC/ΔIB的比值称为晶体三极管的电流放大倍数,用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值,但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。它有3种工作状态。
截止状态:当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。
放大状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数β=ΔIC/ΔIB,这时三极管处于放大状态。因此,三极管最基本的作用是放大作用。
饱和导通状态:当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
三极管还可以作电子开关,配合其他元器件还可以构成振荡器。半导体三极管除了构成放大器和作开关元器件使用外,还能够做成一些可独立使用的两端或三端器件,如图1-25所示。
图1-25 三极管的特殊用途
(a)把一只小功率晶闸管和一只大功率三极管组合,就可得到一只大功率晶闸管,其最大输出电流由大功率三极管的特性决定。
(b)为电容容量扩大电路。利用三极管的电流放大作用,将电容容量扩大若干倍。这种等效电容和一般电容器一样,可浮置工作,适用于在长延时电路中作定时电容。
(c)用稳压二极管构成的稳压电路虽具有简单、元器件少、制作经济方便的优点,但由于稳压二极管稳定电流一般只有数十毫安,因而决定了它只能用在负载电流不太大的场合,可使原稳压二极管的稳定电流及动态电阻范围得到较大的扩展,稳定性能可得到较大的改善。
(d)中的两只三极管串联可直接代换调光台灯中的双向触发二极管。
(e)中的三极管可代用8V左右的稳压管。
(f)中的三极管可代用30V左右的稳压管。
(g)调节510Ω电阻的阻值,即可调节三极管C、E两极之间的阻抗,此阻抗变化即可代替可变电阻使用。
(h)为用三极管模拟的稳压管。其稳压原理是:当加到A、B两端的输入电压上升时,因三极管的B、E结压降基本不变,故R2两端压降上升,经过R2的电流上升,三极管发射结正偏增强,其导通性也增强,C、E极间呈现的等效电阻减小,压降降低,从而使AB端的输入电压下降。调节R2即可调节此模拟稳压管的稳压值。
1.5.4 使用及检测
1.三极管的使用
① 加到管上的电压极性应正确。PNP管的发射极对其他两电极是正电位,而NPN管则是负电位。
② 不论是静态、动态或不稳定态(如电路开启、关闭时),均须防止电流、电压超出最大极限值,也不得有两项或两项以上参数同时达到极限值。
③ 选用三极管还应注意参数BV CE必须满足要求;一般高频工作时要求fT=(5~10)f, f为工作频率;开关电路工作时应考虑三极管的开关参数。
④ 三极管的替换。只要管子的基本参数相同,就能替换,性能高的可替换性能低的。低频小功率管,任何型号的高、低频小功率管都可替换它,但fT不能太高。只要fT符合要求,一般就可以代替高频小功率管,但应选内反馈小的管子,hFE>20即可。对低频大功率管,一般只要P CM、ICM、BV CEO符合要求即可。此外,通常锗、硅管不能互换。
⑤ 工作于开关状态的三极管,因BV CEO一般较低,所以应考虑是否要在基极回路加保护线路,以防止发射结击穿;若集电极负载为感性(如继电器的工作线圈),则必须加保护线路(如线圈两端并联续流二极管),以防线圈反电动势损坏三极管。
⑥ 管子应避免靠近热元件,减小温度变化和保证管壳散热良好。功率放大管在耗散功率较大时,应加散热板(磨光的紫铜板或铝板)。管壳与散热板应紧密贴牢。散热装置应垂直安装,以利于空气自然对流。
2.三极管的识别与测试
(1)判断基极B
采用万用表的电阻R×1k挡,用黑表笔接三极管的某一引脚端(假设作为基极),再用红表笔分别接另外两个引脚端,如果表针指示的两次值都很小,该管便是NPN管,其中黑表笔所接的引脚端是基极。如果指针指示的阻值一个很大,一个很小,那么黑笔表所接的引脚端就不是三极管的基极,再另外换一个引脚端进行类似的测试,直至找到基极。
用红表笔接三极管的某一引脚端(假设作为基极),再用黑表笔分别接另外两个引脚,如果表针指示的两次值都很小,则该管是PNP管,其中黑表笔所接的引脚端是基极。
(2)判断集电极C和发射极E
方法一:对于PNP管,将万用表置于R×1k挡,红表笔接基极,用黑表笔分别接触另外两个引脚端时,所测得的两个电阻值会是一大一小。在阻值小的一次测量中,黑表笔所接的引脚端为集电极;在阻值较大的一次测量中,黑表笔所接的引脚端为发射极。
对于NPN管,要将黑表笔固定接基极,用红表笔去接触其余两个引脚进行测量,在阻值较小的一次测量中,红表笔所接引脚端为集电极;在阻值较大的一次测量中,红表笔所接的引脚端为发射极。
方法二:将万用表置于R×1k挡,两表笔分别接除基极之外的两个引脚端,如果是NPN型管,用手指握住基极与黑表笔所接的引脚端,可测得一个电阻值,然后将两表笔交换,同样用手握住基极和黑表笔所接的引脚端,又测得一个电阻值,两次测量阻值小的一次,黑表笔所接的是NPN管的集电极,红表笔所接的是发射极。如果是PNP管,应用手指握住基极与红表笔所接的引脚,同样,电阻小的一次红表笔接的是PNP管集电极,黑表笔所接的是发射极。
方法三:数字万用表上一般都有测试三极管hFE的功能,可以用来测试三极管的集电极和发射极。首先测出三极管的基极,并且测出是NPN型还是PNP型三极管,然后将万用表置于hFE功能挡,将三极管的引脚端分别插入基极孔、发射极孔和集电极孔,此时从显示屏上读出hFE值;对调一次发射极与集电极,再测一次hFE;数值较大的一次为正确插入发射极和集电极引脚端的情况。
1.6 场效应管
场效应管(简称FET)是一种电压控制的半导体器件,与三极管一样也有3个电极,即源极S、栅极G和漏极D,分别对应于(类似于)三极管的E极、B极和C极。它具有输入阻抗高,开关速度快,高频特性好,热稳定性好,功率增益大,噪声小等优点,因此,在电路中得到了广泛的应用。
1.6.1 分类
场效应管可以分为两大类:一类为结型场效应管,简写成JFET;另一类为绝缘栅场效应管,也叫金属-氧化物-半导体绝缘栅场效应管,简称为MOS场效应管。
场效应管根据其沟道所采用的半导体材料不同,可分为N型沟道和P型沟道场效应管两种。MOS场效应管有耗尽型和增强型之分。
1.6.2 参数规格及符号
1.场效应管参数
(1)结型场效应管
结型场效应管(JFET)利用加在PN结上的反向电压的大小控制PN结的厚度,改变导电沟道的宽窄,实现对漏极电流的控制作用。结型场效应管可分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。其主要参数如下。
① 饱和漏源电流IDSS。在一定的漏源电压下,当栅压UGS=0的漏源电流,称为饱和漏源电流IDSS。
② 夹断电压Up。在一定的漏源电压下,使漏源电流IDS=0或小于某一小电流值时的栅源偏压值,称为夹断电压Up。
③ 直流输入电阻RGS。在栅源极之间加一定电压的情况下,栅源极之间的直流电阻称为直流输入电阻RGS。
④ 输出电阻RD。当栅源电压UGS为某一定值时,漏源电压的变化与其对应的漏极电流的变化之比,称为输出电阻RD。
⑤ 跨导gm。在一定的漏源电压下,漏源电流的变化量与引起这个变化的相应的栅压的变化量的比值,称为跨导gm,单位为μA/V,即μS。这个数值是衡量场效应管栅极电压对漏源电流控制能力的一个参数,也是衡量场效应管放大能力的重要参数。
⑥ 漏源击穿电压UDSS。使ID开始剧增的UDS为漏源击穿电压UDSS。
⑦ 栅源击穿电压UGSS。反向饱和电流急剧增加的栅源电压为栅源击穿电压UGSS。
(2)绝缘栅场效应管
结型场效应管(JFET)的输入电阻可达108Ω。绝缘栅场效应管是G极与D、S极完全绝缘的场效应管,输入电阻更高。它是由金属(M)作电极、氧化物(O)作绝缘层和半导体(S)组成的金属-氧化物-半导体场效应管,因此,也称之为MOS场效应管。其参数如下。
① 夹断电压Up。对于耗尽型绝缘栅场效应管,在一定的漏源UDS电压下使漏源电流IDS=0或小于某一小电流值时的栅源偏压值,称为夹断电压Up。
对于增强型绝缘栅场效应管,在一定的漏源UDS电压下,使沟道可以将漏源极连接起来的最小UGS即为开启电压UT。
② 饱和漏源电流IDSS。对于耗尽型绝缘栅场效应管,在一定的漏源电压下,当栅压UGS=0的漏源电流,称为饱和漏源电流IDSS。
③ 直流输入电阻RGS。在栅源极之间加一定电压的情况下,栅源极之间的直流电阻称为直流输入电阻RGS。
④ 输出电阻RD。当栅源电压UGS为某一定值时,漏源电压的变化与其对应的漏极电流的变化之比,称为输出电阻RD。
⑤ 跨导gm。在一定的漏源电压下,漏源电流的变化量与引起这个变化的相应的栅压的变化量的比值,称为跨导gm。
⑥ 栅源击穿电压UGSS。反向饱和电流急剧增加的栅源电压为栅源击穿电压UGSS。应注意的是,栅、源之间一旦击穿,将造成器件的永久性损坏。因此在使用中,加在栅、源间的电压不应超过20V,一般电路中多控制在10V以下。为了保护栅、源间不被击穿,有的管子在内部已装有保护二极管。
⑦ 漏源击穿电压UDSS。一般规定,使ID开始剧增的UDS为漏源击穿电压UDSS,在使用MOS管时,漏、源间所加工作电压的峰值应小于UDSS。
2.场效应管符号
场效应管分为两大类:一类为JFET,即结型场效应管;另一类为MOSFET,即绝缘栅场效应管。其符号如图1-26所示。
图1-26 场效应管的符号
1.6.3 性能
场效应管是电压控制器件,而晶体三极管是电流控制器件。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,应选用三极管。场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而三极管既利用多数载流子,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,灵活性比三极管高。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到了广泛的应用。其主要作用如下。
① 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。
② 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。
③ 场效应管可以用作可变电阻。
④ 场效应管可以方便地用作恒流源。
⑤ 场效应管可以用作电子开关。
1.6.4 使用及检测
1.场效应管的使用
为了安全使用场效应管,设计的线路应注意不能超过场效应管的耗散功率、最大漏源电压、最大栅源电压和最大电流等参数的极限值。
各类型场效应管在使用时,都要严格按要求的偏置接入电路中,要遵守场效应管偏置的极性。如结型场效应管栅源漏之间是PN结,N沟道管栅极不能加正偏压,P沟道管栅极不能加负偏压。
为了防止场效应管栅极感应击穿,要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好的接地;引脚在焊接时,先焊源极;在连入电路之前,管子的全部引线端保持互相短接状态,焊接完后才把短接材料去掉;从元器件架上取下管子时,应以适当的方式确保人体接地,如采用接地环等;当然,如果能采用先进的气热型电烙铁,焊接场效应管是比较方便的,并且可确保安全;在未关断电源时,绝对不可以把管子插入电路或从电路中拔出。以上安全措施在使用场效应管时必须注意。
在安装场效应管时,注意安装的位置要尽量避免靠近发热元件;为了防止管件振动,有必要将管壳紧固起来;引脚引线在弯曲时,应当在大于根部尺寸5毫米处进行,以防止弯断引脚和引起漏气等。
结型场效应管的栅源电压不能接反,可以在开路状态下保存,而绝缘栅型场效应管在不使用时,由于它的输入电阻非常高,须将各电极短路,以免外电场作用而使管子损坏。
2.场效应管的检测
(1)用测电阻法判别结型场效应管的电极
根据场效应管的PN结正、反向电阻值不一样的现象,可以判别出结型场效应管的3个电极。具体方法:将万用表拨在R×1k挡上,任选两个电极,分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正、反向电阻值相等,且为几千欧姆时,则该两个电极分别是漏极D和源极S。因为对结型场效应管而言,漏极和源极可互换,剩下的电极肯定是栅极G。也可以将万用表的黑表笔(红表笔也行)任意接触一个电极,另一支表笔依次去接触其余的两个电极,测其电阻值。当出现两次测得的电阻值近似相等时,则黑表笔所接触的电极为栅极,其余两电极分别为漏极和源极。若两次测出的电阻值均很大,说明PN结反向,即都是反向电阻,可以判定是N沟道场效应管,且黑表笔接的是栅极;若两次测出的电阻值均很小,说明是正向PN结,即是正向电阻,判定为P沟道场效应管,黑表笔接的也是栅极。若不出现上述情况,可以调换黑、红表笔按上述方法进行测试,直到判别出栅极为止。
(2)用测电阻法判别场效应管的好坏
测电阻法是用万用表测量场效应管的源极与漏极、栅极与源极、栅极与漏极、栅极G1与栅极G2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符的方法去判别管子的好坏。具体方法:首先将万用表置于R×10或R×100挡,测量源极S与漏极D之间的电阻,通常在几十欧到几千欧范围(从手册中可知,各种不同型号的管子,其电阻值是各不相同的),如果测得阻值大于正常值,可能是由于内部接触不良;如果测得阻值是无穷大,可能是内部断极。然后把万用表置于R×10k挡,再测栅极G1与G2之间、栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻值,当测得其各项电阻值均为无穷大,则说明管子是正常的;若测得上述各阻值太小或为通路,则说明管子是坏的。要注意,若两个栅极在管子内断极,可用元器件代换法进行检测。
(3)用感应信号输入法估测场效应管的放大能力
具体方法:用万用表电阻的R×100挡,红表笔接源极S,黑表笔接漏极D,给场效应管加上1.5V的电源电压,此时表针指示出漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的栅极G,将人体的感应电压信号加到栅极上。这样,由于管子的放大作用,漏源电压VDS和漏极电流ID都要发生变化,也就是漏源极间电阻发生了变化,由此可以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小,说明管子的放大能力较差;表针摆动较大,表明管子的放大能力大;若表针不动,说明管子是坏的。
根据上述方法,我们用万用表的R×100挡,测结型场效应管3DJ2F。先将管子的G极开路,测得漏源电阻RDS为600Ω,用手捏住G极后,表针向左摆动,指示的电阻RDS为12kΩ,表针摆动的幅度较大,说明该管是好的,并有较大的放大能力。
运用这种方法时要说明几点:首先,在测试场效应管用手捏住栅极时,万用表的表针可能向右摆动(电阻值减小),也可能向左摆动(电阻值增加)。这是由于人体感应的交流电压较高,而不同的场效应管用电阻挡测量时的工作点可能不同(或者工作在饱和区或者在不饱和区)所致。试验表明,多数管子的RDS增大,即表针向左摆动;少数管子的RDS减小,表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何,只要表针摆动幅度较大,就说明管子有较大的放大能力。第二,此方法对MOS场效应管也适用。但要注意,MOS场效应管的输入电阻高,栅极G允许的感应电压不应过高,所以不要直接用手去捏栅极,必须用手握螺丝刀的绝缘柄,用金属杆去碰触栅极,以防止人体感应电荷直接加到栅极,引起栅极击穿。第三,每次测量完毕,应当让G-S极间短路一下。这是因为G-S结电容上会充有少量电荷,建立起VGS电压,造成再进行测量时表针可能不动,只有将G-S极间电荷短路放掉才行。
(4)用测电阻法判别无标志的场效应管
首先用测量电阻的方法找出两个有电阻值的引脚,也就是源极S和漏极D,余下两个脚为第一栅极G1和第二栅极G2。把先用两表笔测得的源极S与漏极D之间的电阻值记下来,对调表笔再测量一次,把其测得电阻值记下来,两次测得阻值较大的一次,黑表笔所接的电极为漏极D,红表笔所接的为源极S。用这种方法判别出来的S、D极,还可以用估测其管子的放大能力的方法进行验证,即放大能力大的黑表笔所接的是D极,红表笔所接的是S极,两种方法检测结果均应一样。当确定了漏极D、源极S的位置后,按D、S的对应位置装入电路,一般G1、G2也会依次对准位置,这就确定了两个栅极G1、G2的位置,从而就确定了D、S、G1、G2引脚的顺序。
(5)用测反向电阻值的变化判断跨导的大小
对VMOS N沟道增强型场效应管测量跨导性能时,可用红表笔接源极S、黑表笔接漏极D,这就相当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的,管子的反向电阻值是很不稳定的。将万用表的欧姆挡选在R×10k的高阻挡,此时表内电压较高。当用手接触栅极G时,会发现管子的反向电阻值有明显变化,其变化越大,说明管子的跨导值越高;如果被测管的跨导很小,用此法测时,反向阻值变化不大。
1.7 晶闸管
晶体闸流管简称晶闸管,旧称可控硅。晶闸管是在三极管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域,使弱电对强电的控制得到了很大的发展。晶闸管已在各个领域得到广泛应用,在家电中主要用于交/直流无触点开关、台灯调光、电扇调速、彩色电视机过电压保护等。
1.7.1 分类
晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(TT/TTS)和光控晶闸管(LTT)等多种。按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管3种类型。其中,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种,塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管3种,通常,大功率晶闸管多采用陶瓷封装,而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管,快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管,可分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。
1.7.2 参数规格及符号
1.晶闸管的参数
晶闸管的主要参数如表1-9所示。
表1-9 晶闸管的主要参数
2.晶闸管的符号
晶闸管的种类较多,其符号如图1-27所示。
图1-27 晶闸管的符号
1.7.3 性能
1.晶闸管的静态伏安特性
第Ⅰ象限的是正向特性,有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时,晶闸管的伏安特性是一组随门极电流的增加而不同的曲线簇,如图1-28所示。当IG足够大时,晶闸管的正向转折电压很小,可以看成与一般二极管一样。第Ⅲ象限的是反向特性,晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。
图1-28 晶闸管的静态伏安特性
IG=0时,器件两端施加正向电压,为正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通,随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低,导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小,在1V左右。导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。
2.动态特性(见图1-29)
图1-29 晶闸管的开通和关断过程波形
(1)开通过程
延迟时间td:门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。
上升时间tr:阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。
开通时间tgt:以上两者之和,tgt=td+tr,普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s,上升时间为0.5~3s。
(2)关断过程
反向阻断恢复时间trr:正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的时间。
正向阻断恢复时间tgr:晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间,在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通。实际应用中,应对晶闸管施加足够长时间的反向电压,使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力,电路才能可靠工作。
关断时间tq:trr与tgr之和,即tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间不到毫秒级,这是设计反向电压时间的依据。
1.7.4 使用及检测
1.晶闸管的使用
使用时一般小功率晶闸管不需加散热片,但应远离发热元件,如大功率电阻、大功率三极管以及电源变压器等。对于大功率晶闸管,必须按手册中的要求加装散热装置及冷却条件,以保证管子工作时的温度不超过结温。
晶闸管在使用中发生短路现象时,会引发过电流将管子烧毁。对于过电流,一般可在交流电源中加装快速保险丝加以保护。快速保险丝的熔断时间极短,一般保险丝的额定电流为晶闸管额定平均电流的1.5倍。
交流电源在接通与断开时,有可能在晶闸管的导通或阻断时出现过电压现象,将管子击穿。对于过电压,可采用并联RC吸收电路的方法。因为电容两端的电压不能突变,所以只要在晶闸管的阴极及阳极间并联RC电路,就可以削弱电源瞬间出现的过电压,起到保护晶闸管的作用。当然也可以采用压敏电阻过电压保护元件进行过电压保护。
选用晶闸管的额定电压时,应参考实际工作条件下的峰值电压的大小,并留出一定的余量。
选用晶闸管的额定电流时,除了考虑通过元件的平均电流外,还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。
使用晶闸管之前,应该用万用表检查晶闸管是否良好。发现有短路或断路现象时,应立即更换。
严禁用兆欧表(摇表)检查器件的绝缘情况。
电流为5A以上的晶闸管要装散热片,并且保证所规定的冷却条件。为保证散热片与晶闸管管芯接触良好,它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂,以便于良好的散热。
按规定对主电路中的晶闸管采用过电压及过电流保护装置。
要防止晶闸管控制极的正向过载和反向击穿。
2.晶闸管的检测
(1)单向晶闸管的检测
① 判别各电极:根据普通晶闸管的结构可知,其门极G与阴极K之间为一个PN结,具有单向导电特性,而阳极A与门极之间有两个反极性串联的PN结。因此,通过用万用表的R×100或R×1 k挡测量普通晶闸管各引脚之间的电阻值,即能确定3个电极。具体方法是:将万用表黑表笔任接晶闸管某一极,红表笔依次去触碰另外两个电极。若测量结果有一次阻值为几千欧姆(kΩ),而另一次阻值为几百欧姆(Ω),则可判定黑表笔接的是门极G。在阻值为几百欧姆的测量中,红表笔接的是阴极K,而在阻值为几千欧姆的那次测量中,红表笔接的是阳极A,若两次测出的阻值均很大,则说明黑表笔接的不是门极G,应用同样方法改测其他电极,直到找出3个电极为止。
也可以测任两脚之间的正、反向电阻,若正、反向电阻均接近无穷大,则两极即为阳极A和阴极K,而另一脚即为门极G。
普通晶闸管也可以根据其封装形式来判断出各电极。一般螺栓形普通晶闸管的螺栓一端为阳极A,较细的引线端为门极G,较粗的引线端为阴极K;平板形普通晶闸管的引线端为门极G,平面端为阳极A,另一端为阴极K;金属壳封装(TO-3)的普通晶闸管,其外壳为阳极A。塑封(TO-220)的普通晶闸管的中间引脚为阳极A,且多与自带散热片相连。图1-30为几种普通晶闸管的引脚排列。
图1-30 几种普通晶闸管的引脚排列
② 判断其好坏:用万用表R×1 k挡测量普通晶闸管阳极A与阴极K之间的正、反向电阻,正常时均应为无穷大(∞);若测得A、K之间的正、反向电阻值为零或阻值均较小,则说明晶闸管内部击穿短路或漏电。
测量门极G与阴极K之间的正、反向电阻值,正常时应有类似二极管的正、反向电阻值(实际测量结果要较普通二极管的正、反向电阻值小一些),即正向电阻值较小(小于2 kΩ),反向电阻值较大(大于80 kΩ)。若两次测量的电阻值均很大或均很小,则说明该晶闸管G、K极之间开路或短路。若正、反向电阻值均相等或接近,则说明该晶闸管已失效,其G、K极间PN结已失去单向导电作用。
测量阳极A与门极G之间的正、反向电阻,正常时两个阻值均应为接近兆欧级(MΩ)或无穷大,若出现正、反向电阻值不一样(有类似二极管的单向导电),则是G、A极之间反向串联的两个PN结中的一个已击穿短路。
③ 触发能力检测:对于小功率(工作电流为5 A以下)的普通晶闸管,可用万用表R×1挡测量。测量时黑表笔接阳极A,红表笔接阴极K,此时表针不动,显示阻值为无穷大(∞)。用镊子或导线将晶闸管的阳极A与门极短路(如图1-31所示),相当于给G极加上正向触发电压,此时若电阻值为几欧姆至几十欧姆(具体阻值根据晶闸管的型号不同会有所差异),则表明晶闸管因正向触发而导通。再断开A极与G极的连接(A、K极上的表笔不动,只将G极的触发电压断掉),若表针示值仍保持在几欧姆至几十欧姆的位置不动,则说明此晶闸管的触发性能良好。
图1-31 小功率单向晶闸管触发能力检测
对于工作电流在5 A以上的中、大功率普通晶闸管,因其通态压降VT、维持电流IH及门极触发电压Vo均相对较大,万用表R×1 k挡所提供的电流偏低,晶闸管不能完全导通,故检测时可在黑表笔端串接一只200 Ω可调电阻和1~3节1.5 V干电池(视被测晶闸管的容量而定,其工作电流大于100 A的,应用3节1.5 V干电池),如图1-32所示。
图1-32 大功率普通晶闸管触发能力检测
也可以用图1-33中的测试电路测试普通晶闸管的触发能力。电路中,VS为被测晶闸管,HL为6.3 V指示灯(手电筒中的小电珠), GB为6 V电源(可使用4节1.5 V干电池或6 V稳压电源), S为按钮,R为限流电阻。
图1-33 普通晶闸管测试电路
当按钮S未接通时,晶闸管VS处于阻断状态,指示灯HL不亮(若此时HL亮,则是VS击穿或漏电损坏)。按动一下按钮S后(使S接通一下,为晶闸管VS的门极G提供触发电压),若指示灯HL一直点亮,则说明晶闸管的触发能力良好。若指示灯亮度偏低,则表明晶闸管性能不良、导通压降大(正常时导通压降应为1 V左右)。若按钮S接通时,指示灯亮,而按钮S断开时,指示灯熄灭,则说明晶闸管已损坏,触发性能不良。
(2)双向晶闸管的检测
① 判别各电极:用万用表R×1或R×10挡分别测量双向晶闸管3个引脚间的正、反向电阻值,若测得某一引脚与其他两脚均不通,则此脚便是主电极T2。找出T2极之后,剩下的两脚便是主电极T1和门极G3。测量这两脚之间的正、反向电阻值,会测得两个均较小的电阻值。在电阻值较小(几十欧姆)的一次测量中,黑表笔接的是主电极T1,红表笔接的是门极G。
螺栓形双向晶闸管的螺栓一端为主电极T2,较细的引线端为门极G,较粗的引线端为主电极T1。金属封装(TO-3)双向晶闸管的外壳为主电极T2。塑封(TO-220)双向晶闸管的中间引脚为主电极T2,该极通常与自带小散热片相连。图1-34为几种双向晶闸管的引脚排列。
图1-34 几种双向晶闸管的引脚排列
② 判别其好坏:用万用表R×1或R×10挡测量双向晶闸管的主电极T1与主电极T2之间、主电极T2与门极G之间的正反向电阻值,正常时均应接近无穷大。若测得电阻值均很小,则说明该晶闸管电极间已击穿或漏电短路。
测量主电极T1与门极G之间的正反向电阻值,正常时均应在几十欧姆(Ω)至100Ω之间(黑表笔接T1极,红表笔接G极时,测得的正向电阻值较反向电阻值略小一些)。若测得T1极与G极之间的正反向电阻值均为无穷大,则说明该晶闸管已开路损坏。
③ 触发能力检测:对于工作电流为8A以下的小功率双向晶闸管,可用万用表R×1挡直接测量。测量时先将黑表笔接主电极T2,红表笔接主电极T1,然后用镊子将T2极与门极G短路,给G极加上正极性触发信号,若此时测得的电阻值由无穷大变为十几欧姆,则说明该晶闸管已被触发导通,导通方向为T2→T1。
再将黑表笔接主电极T1,红表笔接主电极T2,用镊子将T2极与门极G之间短路,给G极加上负极性触发信号时,测得的电阻值应由无穷大变为十几欧姆,则说明该晶闸管已被触发导通,导通方向为T1→T2。
若在晶闸管被触发导通后断开G极,T2、T1极间不能维持低阻导通状态而阻值变为无穷大,则说明该双向晶闸管性能不良或已经损坏。若给G极加上正(或负)极性触发信号后,晶闸管仍不导通(T1与T2间的正反向电阻值仍为无穷大),则说明该晶闸管已损坏,无触发导通能力。
对于工作电流在8 A以上的中、大功率双向晶闸管,在测量其触发能力时,可先在万用表的某支表笔上串接1~3节1.5 V干电池,然后再用R×1挡按上述方法测量。
对于耐压为400 V以上的双向晶闸管,也可以用220 V交流电压来测试其触发能力及性能好坏。
图1-35是双向晶闸管的测试电路。电路中,EL为60 W/220 V白炽灯泡,VS为被测双向晶闸管,R为100Ω限流电阻,S为按钮开关。
图1-35 双向晶闸管的测试电路
将电源插头接入市电后,双向晶闸管处于截止状态,灯泡不亮(若此时灯泡正常发光,则说明被测晶闸管的T1、T2极之间已击穿短路;若灯泡微亮,则说明被测晶闸管漏电损坏)。按动一下按钮S,为晶闸管的门极G提供触发电压信号,正常时晶闸管应立即被触发导通,灯泡正常发光。若灯泡不能发光,则说明被测晶闸管内部开路损坏。若按动按钮S时灯泡点亮,松手后灯泡又熄灭,则表明被测晶闸管的触发性能不良。
(3)门极关断晶闸管的检测
① 判别各电极:门极关断晶闸管3个电极的判别方法与普通晶闸管相同,即用万用表的R×100挡,找出具有二极管特性的两个电极,其中一次为低阻值(几百欧姆),另一次阻值较大。在阻值小的那一次测量中,红表笔接的是阴极K,黑表笔接的是门极G,剩下的一只引脚即为阳极A。
② 触发能力和关断能力的检测:可关断晶闸管触发能力的检测方法与普通晶闸管相同。检测门极关断晶闸管的关断能力时,可先按检测触发能力的方法使晶闸管处于导通状态,即用万用表R×1挡,黑表笔接阳极A,红表笔接阴极K,测得电阻值为无穷大。再将A极与门极G短路,给G极加上正向触发信号时,晶闸管被触发导通,其A、K极间电阻值由无穷大变为低阻状态。断开A极与G极的短路点后,晶闸管维持低阻导通状态,说明其触发能力正常。再在晶闸管的门极G与阳极A之间加上反向触发信号,若此时A极与K极间电阻值由低阻值变为无穷大,则说明晶闸管的关断能力正常,图1-36是关断能力的检测示意图。
图1-36 门极关断晶闸管的关断能力测试
也可以用图1-37所示电路来检测门极关断晶闸管的触发能力和关断能力。电路中,EL为6.3V指示灯(小电珠), S为转换开关,VS为被测晶闸管。当开关S关断时,晶闸管不导通,指示灯不亮。将开关S的K1触点接通时,为G极加上正向触发信号,指示灯亮,说明晶闸管已被触发导通。若将开关S断开,指示灯维持发光,则说明晶闸管的触发能力正常。若将开关S的K2触点接通,为G极加上反向触发信号,指示灯熄灭,则说明晶闸管的关断能力正常。
图1-37 门极关断晶闸管检测电路
(4)温控晶闸管的检测
① 判别各电极:温控晶闸管的内部结构与普通晶闸管相似,因此也可以用判别普通晶闸管电极的方法来找出温控晶闸管的各电极。
② 性能检测:温控晶闸管的好坏也可以用万用表大致测出来,具体方法可参考普通晶闸管的检测方法。
图1-38是温控晶闸管的测试电路。电路中,R是分流电阻,用来设定晶闸管VS的开关温度,其阻值越小,开关温度设置值就越高。C为抗干扰电容,可防止晶闸管VS误触发。HL为6.3 V指示灯(小电珠), S为电源开关。
图1-38 温控晶闸管检测电路
接通电源开关S后,晶闸管VS不导通,指示灯HL不亮。用电吹风“热风”挡给晶闸管VS加温,当其温度达到设定温度值时,指示灯亮,说明晶闸管VS已被触发导通。若再用电吹风“冷风”挡给晶闸管VS降温(或待其自然冷却)至一定温度值时,指示灯能熄灭,则说明该晶闸管性能良好。若接通电源开关后指示灯即亮或给晶闸管加温后指示灯不亮,或给晶闸管降温后指示灯不熄灭,则是被测晶闸管击穿或性能不良。
(5)光控晶闸管检测
用万用表检测小功率光控晶闸管时,可将万用表置于R×1挡,在黑表笔上串接1~3节1.5 V干电池,测量两引脚之间的正反向电阻值,正常时均应为无穷大。然后再用小手电筒或激光笔照射光控晶闸管的受光窗口,此时应能测出一个较小的正向电阻值,但反向电阻值仍为无穷大。在较小电阻值的一次测量中,黑表笔接的是阳极A,红表笔接的是阴极K。
也可用图1-39中电路对光控晶闸管进行测量。接通电源开关S,用手电筒照射晶闸管VS的受光窗口。为其加上触发光源(大功率光控晶闸管自带光源,只要将其光缆中的发光二极管或半导体激光器加上工作电压即可,不用外加光源)后,指示灯EL应点亮,撤离光源后指示灯EL应维持发光。
图1-39 光控晶闸管的测试电路
若接通电源开关S后(尚未加光源),指示灯EL即点亮,则说明被测晶闸管已击穿短路。若接通电源开关并加上触发光源后,指示灯EL仍不亮,在被测晶闸管电极连接正确的情况下,则是该晶闸管内部损坏。若加上触发光源后,指示灯发光,但取消光源后指示灯即熄灭,则说明该晶闸管触发性能不良。
(6)BTG晶闸管的检测
① 判别各电极:根据BTG晶闸管的内部结构可知,其阳极A、阴极K之间和门极G、阴极K之间均包含有多个正反向串联的PN结,而阳极A与门极G之间却只有一个PN结。因此,只要用万用表测出A极和G极即可。
将万用表置于R×1 k挡,两表笔任接被测晶闸管的某两个引脚(测其正、反向电阻值),若测出某对引脚为低阻值时,则黑表笔接的是阳极A,而红表笔接的是门极G,另外一个引脚即是阴极K。
② 判断其好坏:用万用表R×1 k挡测量BTG晶闸管各电极之间的正、反向电阻值。正常时,阳极A与阴极K之间的正、反向电阻均为无穷大;阳极A与门极G之间的正向电阻值(指黑表笔接A极时)为几百欧姆至几千欧姆,反向电阻值为无穷大。若测得某两极之间的正、反向电阻值均很小,则说明该晶闸管已短路损坏。
③ 触发能力检测:将万用表置于R×1挡,黑表笔接阳极A,红表笔接阴极K,测得阻值应为无穷大。然后用手指触摸门极G,给其加一个人体感应信号,若此时A、K极之间的电阻值由无穷大变为低阻值(数欧姆),则说明晶闸管的触发能力良好,否则说明此晶闸管的性能不良。
1.8 单结管
单结晶体管又叫双基极二极管,简称UJT,是一种具有负阻特性的单PN结半导体器件。单结晶体管广泛应用在振荡、延时和触发等电路中,最常见的电路就是弛张振荡器电路。
1.8.1 符号及参数规格
1.单结管的符号
单结晶体管是只有一个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,两端分别引出两个基极B1和B2,在硅片中间略偏B2一侧制作一个P区作为发射极E。其结构和符号如图1-40所示。
图1-40 单结管的结构示意图及电路符号
在一般情况下,B1接地,B2加上正偏压UBB,在发射极的N面产生一加在其极间电压UBB的部分电压ηUBB。
当发射极E加上正电压UE时,如果UE<ηU BB,则发射极处于负偏压状态,只有极小的反向漏电流。当UE>UD(UD为发射极的正向压降)时,发射极处于正偏压状态,发射极注入电流。
2.参数规格
(1)基极间电阻RBB
发射极开路时,基极B1、B2之间的电阻,一般为2~10kΩ,其数值随温度上升而增大。
(2)分压比η
由管子内部结构决定的常数,它是发射极到第一基极之间的电压和第二基极到第一基极之间的电压之比,一般为0.3~0.8。
(3)E与B1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。
(4)反向电流IEO
B1开路,在额定反向电压VCB2下,E与B2间的反向电流。
(5)发射极饱和压降VEO
在最大发射极额定电流时,E与B1间的压降。
(6)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。
1.8.2 性能
单结管的两基极B1与B2之间的电阻称为基极电阻:rBB=rB1+rB2,式中:rB1是第一基极与发射结之间的电阻,其数值随发射极电流iE而变化;rB2为第二基极与发射结之间的电阻,其数值与iE无关;发射结是PN结,与二极管等效。其特性测试如图1-41所示。
图1-41 单结晶体管的伏安特性曲线测试
若在基极B2、B1间加上正电压VBB,则A点电压为:
VA=[rB1/(rB1+rB2)]VBB=(rB1/rBB)VBB=ηV BB。假如发射极电压VE由零逐渐增加,就可测得单结晶体管的伏安特性。
① 当VE<ηV BB时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小的漏电流ICEO。
② 当VE≥ηV BB+VD时,VD为二极管正向压降(约为0.7V), PN结正向导通,iE明显增加,rB1阻值迅速减小,VE相应下降。这种电压随电流增加反而下降的特性,称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点,与其对应的发射极电压和电流,分别称为峰点电压VP和峰点电流IP。IP是正向漏电流,它是使单结晶体管导通所需的最小电流,显然VP=ηV BB。
③ 随着发射极电流iE不断上升,VE不断下降,降到V点后,VE不降了,这点V称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压VV和谷点电流IV。
④ 过了V点后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态,所以VE继续增加时,iE便缓慢地上升,显然VV是维持单结晶体管导通的最小发射极电压,假如VE<VV,管子重新截止。
1.8.3 使用及检测
在某些应用中,用一只二极管与单结晶体管的基极B2或发射极E相串联,这样可改善温度稳定性及减小电源电压变化的影响。另外,单结晶体管的抗辐照特性很差,不宜在辐照环境中使用。
判断单结晶体管发射极E的方法是:把万用表置于R×100挡或R×1k挡,黑表笔接假设的发射极,红表笔接另外两极,当出现两次低电阻时,黑表笔接的就是单结晶体管的发射极。
单结晶体管B1和B2的判断方法是:把万用表置于R×100挡或R×1k挡,用黑表笔接发射极,红表笔分别接另外两极,两次测量中,电阻大的一次,红表笔接的就是B1极。
应当说明的是,上述判别B1、B2的方法,不一定对所有的单结晶体管都适用,有个别管子的E-B1间的正向电阻值较小。不过准确地判断哪极是B1,哪极是B2在实际使用中并不是特别重要。即使B1、B2用颠倒了,也不会使管子损坏,只影响输出脉冲的幅度(单结晶体管多作脉冲发生器使用)。当发现输出的脉冲幅度偏小时,只要将原来假定的B1、B2对调过来就可以了。
单结晶体管性能的好坏可以通过测量其各极间的电阻值是否正常来判断。用万用表R× 1k挡,将黑表笔接发射极E,红表笔依次接两个基极(B1和B2),正常时均应有几千欧至十几千欧的电阻值。再将红表笔接发射极E,黑表笔依次接两个基极,正常时阻值为无穷大。
单结晶体管两个基极(B1和B2)之间的正反向电阻值均为2~10kΩ范围内,若测得某两极之间的电阻值与上述正常值相差较大时,则说明该二极管已损坏。
1.9 半导体集成电路
集成电路(Integrated Circuit)是一种微型电子器件。半导体集成电路是采用一定的工艺,把一个电路中所需的三极管(又称晶体管)、二极管、电阻、电容和电感等元器件及布线互连,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,从而完成特定的电路或者系统功能,其中所有元器件在结构上已组成一个整体,使电子元器件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。
1.9.1 分类
集成电路如果以构成它的电路基础的晶体管来区分,有双极型集成电路和MOS集成电路两类。前者以双极结型平面晶体管为主要器件,后者以MOS场效应晶体管为基础。一般说来,双极型集成电路优点是速度比较快,缺点是集成度较低,功耗较大;而MOS集成电路则由于MOS器件的自身隔离特性,工艺较简单,集成度较高,功耗较低,缺点是速度较慢。近来在发挥各自优势,克服自身缺点的发展中,已出现了各种新的器件和电路结构。
集成电路按电路功能分,可以有以门电路为基础的数字逻辑电路和以放大器为基础的线性电路。后者由于半导体衬底和工作元器件之间存在着有害的相互作用,发展较前者慢。同时应用于微波的微波集成电路和以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体激光器和光纤维导管为基础的光集成电路也正在发展之中。
半导体集成电路除以硅为基础的材料外,砷化镓也是重要的材料,以它为基础材料制成的集成电路,其工作速度可比目前硅集成电路高一个数量级,有着广阔的发展前景。
从整个集成电路范畴讲,除半导体集成电路外,还有厚膜电路与薄膜电路。
厚膜电路。以陶瓷为基片,用丝网印刷和烧结等工艺手段制备无源元件和互连导线,然后与晶体管、二极管和集成电路芯片以及分立电容等元器件混合组装而成。
薄膜电路。有全膜和混合之分。所谓全膜电路,就是指构成一个完整电路所需的全部有源元件、无源元件和互连导体,皆用薄膜工艺在绝缘基片上制成。但由于膜式晶体管的性能差、寿命短,因此难以实际应用。所以目前所说的薄膜电路主要是指薄膜混合电路。它通过真空蒸发和溅射等薄膜工艺和光刻技术,用金属、合金和氧化物等材料在微晶玻璃或陶瓷基片上制造电阻、电容和互连(薄膜厚度一般不超过1μm),然后与一片或多片晶体管器件和集成电路的芯片高密度混合组装而成。
厚膜和薄膜电路与单片集成电路相比,各有所长,互为补充。厚膜电路主要应用于大功率领域,而薄膜电路则主要在高频率、高精度领域应用。目前,单片集成电路技术和混合集成电路技术相互渗透和结合,发展特大规模和全功能集成电路系统,已成为集成电路发展的一个重要方向。
1.9.2 参数规格及符号
半导体集成电路类型很多,这里只作简单介绍。半导体集成电路型号由5部分组成,各部分的符号及意义如表1-10所示。
表1-10 半导体集成电路型号命名方法
双列直插式集成电路一般给出顶视引脚图。芯片上以缺口、小圆点或竖线等标记出引脚“1”的位置。如图1-42所示,左下第一脚即为1脚,此后引脚号按逆时针方向排序。
图1-42 双列直插式芯片引脚排序
圆形集成电路芯片给出的是底脚图。一般在其外壳上有一个突出物,由它标明最大引脚序号所在位置,其他引脚序号的排列方法有的是按逆时针方向排序,也有的是按顺时针方向排序(参阅厂家产品说明书),如图1-43所示。
图1-43 圆形芯片引脚排序
1.线性集成运算放大器
(1)通用型集成单运放LM741
LM741的引脚图如图1-44所示,特点是电压适应范围较宽,可在+ 5~+18V范围内选用;具有很高的输入共模、差模电压,电压分别为+15V和+30V;内含频率补偿和过载、短路保护电路;可通过外接电位器进行调零,如图1-44所示。
图1-44 LM741的引脚图和调零电路
(2)通用型低功耗集成四运放LM324
LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器;既可单电源使用(3~30V),也可双电源使用(+1.5~+15V),驱动功耗低;可与TTL逻辑电路相容。其引脚图如图1-45所示。
图1-45 LM324引脚图
2.集成三端稳压器
集成三端稳压器根据稳定电压的正、负极性分为78×××、79×××两大系列。图1-46给出了正、负稳压的典型电路。
图1-46 典型稳压电路
三端稳压器的型号规格如图1-47所示。
图1-47 三端稳压器的型号规格
其中输出电流字母表示法规定如下。
例如78M05三端稳压器可输出+5V、0.5A的稳定电压。7912三端稳压器可输出-12V、1A的稳定电压。外形及引脚分布如图1-48所示。
图1-48 三端稳压器的引脚图
3.TTL系列集成电路组件
TTL器件的典型产品为54族(军用品)和74(民用品)两大类。下面给出部分常用器件引脚排列和功能说明,如图1-49所示,其中图1-49(a)为74LS00双输入四与非门引脚图,图1-49(b)为74LS02双输入四或门引脚图,图1-49(c)为74LS20六反相器引脚图,图1-49(d)为74LS27三输入三或非门引脚图,图1-49(e)为74LS30八输入与非门引脚图。
图1-49 常见TTL 74系列集成电路引脚图
4.CMOS系列数字集成电路组件
CC4051八选一模拟开关是一个带有禁止端(INH)和3位译码端(A、B、C)控制的8路模拟开关电路;各模拟开关均为双向,既可实现8-1线传输信号,也可实现1-8线传输信号。其引脚图及真值表如图1-50所示。
图1-50 CC4051逻辑功能引脚图及真值表
5.光电耦合器
光电耦合器内部由发光器件和光敏器件两部分组成,它可把由输入电流产生的光信号再转换为电信号传输出去。其内部结构原理图如图1-51所示。
图1-51 光电耦合器的几种类型
6.LED数码管
常见的数码管由7个条状和一个点状发光二极管管芯制成,如图1-52所示,根据其结构的不同,可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。
图1-52 LED数码管内、外结构图及引脚分布
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似,只是正向压降较大,正向电阻也较大。在一定范围内,其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1~2mA,最大极限电流也只有10~30mA,所以它的输入端与5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时,一定要串加限流电阻,以免损坏器件。
1.9.3 使用及检测
1.集成电路的使用
TTL集成电路的电源电压不能高于+5.5V使用,不能将电源与地颠倒错接,否则将会因为过大电流而造成器件损坏;电路的各输入端不能直接与高于+5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接,因为低内阻电源能提供较大的电流,导致器件过热而烧坏;除三态和集电极开路的电路外,输出端不允许并联使用;输出端不允许与电源或地短路,否则可能造成器件损坏,但可以通过电阻与地相连,提高输出电平;在电源接通时,不要移动或插入集成电路,因为电流的冲击可能会造成其永久性损坏;多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平,并不影响与非门的逻辑功能,但悬空容易受干扰,有时会造成电路的误动作,在时序电路中表现更为明显。因此,多余输入端一般不采用悬空办法,而是根据需要处理;对触发器来说,不使用的输入端不能悬空,应根据逻辑功能接入电平,输入端连线应尽量短,这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线的延迟时间,一般不允许将触发器的输出直接驱动指示灯、电感负载、长线传输,需要时必须加缓冲门。
CMOS集成电路由于输入电阻很高,因此极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿,生产CMOS集成电路时,在输入端都要加上标准保护电路,但这并不能保证绝对安全,因此使用CMOS集成电路时,必须采取以下预防措施:存放CMOS集成电路时要屏蔽,一般放在金属容器中,也可以用金属箔将引脚短路;CMOS集成电路可以在很宽的电源电压范围内提供正常的逻辑功能,但电源的上限电压(即使是瞬态电压)不得超过电路允许极限值,电源的下限电压(即使是瞬态电压)不得低于系统工作所必需的电源电压最低值Vmin,更不得低于VSS;焊接CMOS集成电路时,一般用20W内热式电烙铁,而且烙铁要有良好的接地线,也可以利用电烙铁断电后的余热快速焊接,禁止在电路通电的情况下焊接;为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏,输入电压必须处在VDD和VSS之间,即VSS<U1<VDD;调试CMOS电路时,如果信号电源和电路板用两组电源,则刚开机时应先接通电路板电源,后开信号源电源,关机时则应先关信号源电源,后断电路板电源,即在CMOS集成电路本身还没有接通电源的情况下,不允许有输入信号输入;多余输入端绝对不能悬空,否则不但容易受外界噪声干扰,而且输入电位不稳定,破坏了正常的逻辑关系,也消耗不少的功率,因此,应根据电路的逻辑功能需要分情况加以处理;CMOS电路装在印制电路板上时,印制电路板上总有输入端,当电路从机器中拔出时,输入端必然出现悬空,所以应在各输入端上接入限流保护电阻,如果要在印制电路板上安装CMOS集成电路,则必须在与它有关的其他元器件安装之后再装CMOS电路,避免CMOS器件输入端悬空。
2.集成电路(IC)的检测
集成电路(IC)的检测在专业的情况下使用专用集成电路检测仪。没有仪器常采用万用表来检测,在IC未焊入电路时进行不在路检测,一般情况下可用万用表测量各引脚对应于接地引脚之间的正、反向电阻值,并和完好的IC进行比较。在路检测是通过万用表检测IC各引脚在路直流电阻、对地交直流电压以及总工作电流的检测方法,这种方法克服了代换试验法需要有可代换IC的局限性和拆卸IC的麻烦,是检测IC最常用和实用的方法。
(1)在路直流电阻检测法
这是一种用万用表欧姆挡,直接在线路板上测量IC各引脚和外围元器件的正、反向直流电阻值,并与正常数据相比较,来发现和确定故障的方法。测量时要注意以下3点。
① 测量前要先断开电源,以免测试时损坏电表和元器件。
② 万用表欧姆挡的内部电压不得大于6V,量程最好用R×100或R×1k挡。
③ 测量IC引脚参数时,要注意测量条件,如被测机型、与IC相关的电位器的滑动臂位置等,还要考虑外围电路元器件的好坏。
(2)直流工作电压测量法
这是一种在通电情况下,用万用表直流电压挡对直流供电电压、外围元器件的工作电压进行测量,检测IC各引脚对地直流电压值,并与正常值相比较,进而压缩故障范围,找出损坏的元器件。测量时要注意以下8点。
① 万用表要有足够大的内阻,至少要大于被测电路电阻的10倍以上,以免造成较大的测量误差。
② 通常把各电位器旋到中间位置,如果是电视机,信号源要采用标准彩条信号发生器。
③ 表笔或探头要采取防滑措施。因任何瞬间短路都容易损坏IC。可采取如下方法防止表笔滑动:取一段自行车用气门芯套在表笔尖上,并长出表笔尖0.5mm左右,这既能使表笔尖良好地与被测试点接触,又能有效防止打滑,即使碰上邻近点也不会短路。
④ 当测得某一引脚电压与正常值不符时,应根据该引脚电压对IC正常工作有无重要影响以及其他引脚电压的相应变化进行分析,才能判断IC的好坏。
⑤ IC引脚电压会受外围元器件影响。当外围元器件发生漏电、短路、开路或变值时,或外围电路连接的是一个阻值可变的电位器,则电位器滑动臂所处的位置不同,都会使引脚电压发生变化。
⑥ 若IC各引脚电压正常,则一般认为IC正常;若IC部分引脚电压异常,则应从偏离正常值最大处入手,检查外围元器件有无故障,若无故障,则IC很可能损坏。
⑦ 对于动态接收装置,如电视机,在有无信号时,IC各引脚电压是不同的。如发现引脚电压不该变化的反而变化大,该随信号大小和可调元件不同位置而变化的反而不变化,就可确定IC损坏。
⑧ 对于多种工作方式的装置,如录像机,在不同工作方式下,IC各引脚电压也是不同的。
(3)交流工作电压测量法
为了掌握IC交流信号的变化情况,可以用带有dB插孔的万用表对IC的交流工作电压进行近似测量。检测时万用表置于交流电压挡,正表笔插入dB插孔;对于无dB插孔的万用表,需要在正表笔串接一只0.1~0.5μF隔直电容。该法适用于工作频率比较低的IC,如电视机的视频放大级、场扫描电路等。由于这些电路的固有频率不同,波形不同,所以所测的数据是近似值,只能供参考。
(4)总电流测量法
该法是通过检测IC电源进线的总电流来判断IC好坏的一种方法。由于IC内部绝大多数为直接耦合,IC损坏时(如某一个PN结击穿或开路)会引起后级饱和与截止,使总电流发生变化。所以通过测量总电流的方法可以判断IC的好坏。也可用测量电源通路中电阻的电压降,用欧姆定律计算出总电流值。
以上检测方法各有利弊,在实际应用中最好将各种方法结合起来,灵活运用。
1.10 焊接技术
焊接技术是从事电子技术工作的基本功。
焊接的过程可理解为加热→熔入→浸润→冷却→连接。即低熔点焊料(锡与铅合金)在助焊剂的帮助下,熔化并渗透到被焊元器件的金属表面,然后在冷却过程中凝固为新的合金结构,从而把焊件相互连接起来。
焊接操作不是用电烙铁来“粘”“涂”“抹”,也不是用焊料把元器件堆砌在焊点上,而是利用加热器,促使焊料与焊件的渗透与融合。焊接的质量取决于金属表面的清洁度、温度和时间等技术要素。
1.10.1 焊接工具
电路焊接所用的工具有电烙铁、吸锡器、放大镜、镊子、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳、小刀、台灯和烙铁架等,以下介绍焊接工具电烙铁和拆焊工具吸锡器。
1.电烙铁
① 电烙铁的外形如图1-53所示。
图1-53 电烙铁外形
② 电烙铁的结构如图1-54所示。
图1-54 电烙铁结构
③ 电烙铁的工作步骤。焊接的工作步骤如下。
接通电源→电阻丝发热→加热烙铁头→熔化焊锡→焊接。
内热式电烙铁的外形和内部结构如图1-53、图1-54所示,烙铁芯装在烙铁头的内部,故称之为“内热式”电烙铁。内热式电烙铁具有加热效率高、加热速度快、耗电少、体积小和重量轻等优点,20W规格的电烙铁适合印制电路板和小型元器件的焊接。
另外,还有一种外热式电烙铁。如图1-55所示,加热器通过传热筒套在烙铁头的外部,当电烙铁接通电源时,由电阻丝绕制成的加热器发热,再通过传热筒使烙铁头发热。这种电烙铁热效率较低,但价格相对便宜。
图1-55 外热式烙铁
④ 电烙铁的常见故障。电烙铁最常见的故障是电路内部开路,其现象是通电后烙铁长时间不发热。如图1-56所示,使用者可拆开烙铁,用万用表欧姆挡分别测量A、B两处的电阻值,便可找出电烙铁的故障所在。若发现加热器过度氧化,则需要及时更换。
图1-56 电烙铁检修
烙铁头使用过久,会出现腐蚀、凹坑等现象,这样会影响正常焊接,此时应使用锉刀对其进行整形,把它加工成符合焊接要求的形状。
⑤ 电烙铁的接地端。要求电烙铁接地的原因有两个:一是为了保护人身安全,防止烙铁的漏电外壳带电造成伤害,二是为了避免静电感应击穿MOS器件。
电烙铁接地就是将电烙铁金属外壳的引线接到三线电源插头中间接零线的铜片上,如图1-57、图1-58所示。
图1-57 电烙铁的接地端
图1-58 三线电源插头结构
如果所用的电烙铁没有引出地线,则可在焊接MOS类型集成电路时拔下电烙铁的电源插头,利用余热焊接。这一点要特别注意。
2.吸锡器和吸锡电烙铁
① 吸锡器是无损拆卸元器件时的必备工具。吸锡器的原理是利用弹簧突然释放的弹力带动一个吸气筒的活塞向外抽气,同时在吸嘴处产生强大的吸力,从而将液态的焊锡吸走。
② 吸锡电烙铁的外形及内部结构如图1-59、图1-60所示。
图1-59 吸锡电烙铁的外形示意图
图1-60 吸锡电烙铁内部结构示意图
这类产品具有焊接和吸锡的双重功能,在使用时,只要把烙铁头靠近焊点,待焊点熔化后按下按钮,即可把熔化后的焊锡吸入储锡盒内。
1.10.2 元器件的焊接
1.焊接元器件前的准备工作
① 清洗印制电路板:一般用橡皮反复擦拭铜箔面氧化层,若铜箔氧化严重也可以用细砂纸轻轻打磨,直至铜箔表面光洁如新,然后在铜箔表面涂上一层松香水起防护作用。
② 元器件引脚镀锡:一般元器件引脚在插入印制电路板之前,都必须刮干净再镀锡,另外个别因长期存放而氧化的元器件,也应重新镀锡。需要注意的是,对于扁平封装的集成电路引线,不允许用刮刀清除氧化层,只能用橡皮擦。
③ 助焊剂的选择:选用松香作助焊剂。因为焊锡膏、焊油等助焊剂的腐蚀性大,所以在印制电路板的焊接中禁止使用。
④ 焊锡的选用:选用芯内储有松香助焊剂的空心焊锡丝,它的常用规格有lmm、1.5mm和2mm等。使用者可根据焊件大小加以选择。
⑤ 为了便于安装和焊接,在安装前要预先把元器件引脚弯曲成一定的形状,如图1-61所示。在没有专用工具或只需加工少量元器件引线时,可使用尖嘴钳和镊子等工具将引脚加工成形。
图1-61 元器件引脚形式
2.元器件的焊接
安装元器件时应注意将元器件的标志朝向便于观察的方向,以便校核电路和维修。元器件的安装形式如图1-62所示。
图1-62 元器件的安装形式
在印制电路板上安装元器件的先后次序没有固定的模式,特别是人工安装元器件一般取决于个人习惯,但应以前道工序不妨碍后道工序为基本原则。元器件一般有以下几种安装方式。
① 按元器件的属性:先全部接电阻→再接电容。
② 按元器件的体积大小:先小后大。
③ 按元器件的安装方式:先卧后立。
④ 按元器件的位置:先内后外。
⑤ 按电路原理图:逐一完成局部电路。
焊接时需要注意以下几点。
掌握焊接的热量和焊接的时间。若电烙铁没有达到足够的热度,就不能急着去焊元器件,因为此时焊锡没有充分熔化,焊接表面粗糙,且颜色暗淡,稍一用力焊点就会断裂,造成虚焊。另外,此时锡在焊点上熔化很慢,若元器件、印制焊盘和烙铁接触的时间较长,就会使热量过多地传导到印制焊盘和元器件上去,导致印制电路板焊盘翘起、变形,甚至会损坏元器件。焊接时间过长的主要原因是电烙铁的功率和加热时间不够或被焊元器件表面不干净,应根据实际情况分析解决。
焊接过程的把握。将经过镀锡处理的元器件找准焊孔后插入,焊脚在印制电路板反面透出的长度不得小于5mm,然后将烙铁及焊丝同时凑到焊脚处加热,待焊锡熔化,浸润在焊脚周围并形成大小适中、圆润光滑的焊点时,将烙铁向上迅速抽出,不要让烙铁头在铜箔上拖动游移。焊点形成后,焊盘的焊锡尚未凝固,此时不能移动焊件,否则焊锡会凝成沙粒状,使被焊物件附着不牢,造成虚焊:另外也不要对焊锡吹气使其散热,应让它自然冷却。若将烙铁拿开后,焊点带不规则毛刺,则说明焊接时间过长。这是焊锡汽化引起的,需重新焊接。
焊点的检查。将焊接的结果罗列几种,如图1-63所示。
图1-63 焊点质量
(a)焊点:优良焊点。
(b)焊点:焊料过多。
(c)焊点:焊料过少。
(d)焊点:外表不光滑,有毛刺,焊接时间过长。
(e)焊点:过于饱满,其实为焊锡未浸润焊点,多为虚焊。
(f)焊点:拖尾,易造成相互间短路,焊接时间过长造成。
(g)焊点:焊点不完整,机械强度不够。
(h)焊点:焊点反面渗出过多,因烙铁过热所致。
(i)焊点:焊点在凝固时元器件有晃动,造成焊料凝固成松散的豆渣形状。
单股线芯的连接如图1-64所示。
图1-64 单股线芯的连接
元器件之间的焊接方式。元器件之间的焊接方式有钩焊、搭焊、插焊和网焊等几种形式,如图1-65、图1-66、图1-67和图1-68所示。
图1-65 钩焊
图1-66 搭焊
图1-67 插焊
图1-68 网焊
小型元器件的焊接。电子元器件的发展趋势是微型化。电子元器件的微型化带来了焊接技术的革命,一般工厂都采用波峰焊接等专门技术,但遇到试制、修理和批量生产中坏机的返修等情况,就只能用手工来焊接。这样的操作需要耐心、细心,同时焊接也需要专用的微焊工具,如放大镜、台灯等。微型烙铁头可自制,其方法是在烙铁头上加缠不同直径的铜丝,并将铜丝锉成烙铁头形状,如图1-69所示。
图1-69 改制微型烙铁头
3.元器件拆卸
从事电子技术这一行,免不了要从印制电路板上拆卸电子元器件。若拆卸得当,元器件、印制焊盘就可反复使用;若拆卸不当,则容易损坏元器件和印制电路板,为后续工作带来麻烦。
为了拆焊的顺利进行,在拆焊过程中要使用一些专用的拆焊工具,如吸锡器、捅针和钩形镊子等工具。捅针可用硬钢丝线或注射器针头改制,其作用是清理锡孔的堵塞,以便重新插入元器件,捅针外形如图1-70所示。
图1-70 捅针
元器件拆卸方法如图1-71、图1-72所示。
图1-71 拆卸方法一
图1-72 拆卸方法二