硬件电路设计当中 の 常用分立元器件选型

自从 1883 年电子管作为人类第一个电子元器件诞生以来,电子元器件的发展历程,见证了人类科技进步的辉煌成就。从最初的 电阻电容电感 等基础元器件,发展到 晶闸管场效应管IGBT 等半导体元器件,再进一步发展到现如今各种琳琅满目的微处理器微控制器传感器。电子元器件的功能越来越强大,体积越来越小,集成度越来越高。这些变化不仅极大地提升了电子产品的性能和可靠性,也为我们带来了更加便捷与智能的生活方式。

电子元器件如同电子设备的细胞,承载着实现各种复杂功能的基础任务,它们是电路设计和调试中不可或缺的元素。实际的电路设计过程当中,各类电子元器件的选择、连接、调试都至关重要,正确的选型能够确保设备的性能和稳定性,而合理的连接方式更是能够降低信号的损失与干扰。本文旨在以简单明了的方式介绍 电阻器电容器电感器变压器二极管三极管晶闸管场效应管IGBT 等常用分立式电子元器件的参数与选型注意事项。

知识准备 Basic

电流

电荷的定向移动形成电流,电流通常使用字母 I 表示,其单位为 A 安培,更小的单位有毫安(mA)和微安(μA),它们之间的换算关系为:

\[ 1A = 10^3mA = 10^6 \mu A \]

注意:习惯上约定将电荷(电子带有负电)运动的反方向作为电流的方向,即将正电荷在电路当中的移动方向规定为电流的方向,也就是从正极流向负极。

电阻

导体对电流的阻碍作用称为电阻,通常使用字母 R 进行表示,其单位为 Ω 欧姆,更大的单位有千欧(KΩ)、兆欧(MΩ),它们之间的换算关系为:

\[ 1 MΩ = 10^3 KΩ = 10^6 Ω \]

一段导体的电阻主要是由导体的长度 \(L\)(单位)、横截面积 \(S\)(单位平方米)、电阻率 \(\rho\)(单位欧姆·米)共同来决定,它们之间的数学关系如下所示:

\[ R = \rho \frac{L}{S} \]

下面的表格,给出了一些常用导体的电阻率:

导体 电阻率 导体 电阻率
\(1.62 \times 10^{-8}\) Ω·m \(11.4 \times 10^{-8}\) Ω·m
\(1.69 \times 10^{-8}\) Ω·m \(10.0 \times 10^{-8}\) Ω·m
\(2.83 \times 10^{-8}\) Ω·m \(21.9 \times 10^{-8}\) Ω·m
\(2.4 \times 10^{-8}\) Ω·m \(95.8 \times 10^{-8}\) Ω·m
\(5.51 \times 10^{-8}\) Ω·m \(3500 \times 10^{-8}\) Ω·m

电压

电位是衡量电荷在电路当中某点所具有能量的物理量,也称为电势。电位是相对的,电路中某点电位的大小,与参考点(即零电位点)的选择有关。

电压则用于衡量单位电荷在静电场当中,由于电位不同而产生的能量差,也被称为电位差。电压的常用单位有(V)、毫伏(mV)、微伏(μV):

\[ 1V = 10^3 mV = 10^6 \mu V \]

注意:电源消耗能量在两极之间,所建立的电位差称为电动势(电源的电动势方向是从电源负极指向正极)。

欧姆定律

欧姆定律是指电路当中,流经导体的电流 I 与导体两端的电压 U 成正比,与这段导体的电阻 R 成反比:

\[ I = \frac{U}{R} \implies R = \frac{U}{I} \implies U = R \cdot I \]

对于上述的欧姆定律换算公式,可以借助下面图形来帮助记忆:

电功

电功是指电能所做的,单位为焦耳(J),其值与通过的电流(A)、电压(V)、以及通电时间(s)有关:

\[ W = U \cdot I \cdot t \]

实际工作当中,经常使用到电功的另外一个单位千瓦时(kW·h),也被称为,即 1千瓦时 = 1 度。千瓦时与焦耳的换算关系如下面所示:

\[ 1kW·h = (1 \times 10^3)W \times (60 \times 60)s = (3.6 \times 10^6) W·s = (3.6 \times 10^6) J \]

电功率

电功率是指单位时间电流通过用电设备所做的,使用字母 P 表示,单位为瓦特(W),其计算公式为:

\[ P = U \cdot I \]

根据欧姆定律的公式 \(U = R \cdot I\) 以及 \(I = \frac{U}{R}\),可以将上述电功率的计算公式,转换为下面两种形式:

\[ \begin{align} P &= I^2 \cdot R \\ P &= \frac{U^2}{R} \end{align} \]

焦耳定律

电流通过导体时,导体发出的热量 Q(焦耳)与导体经过的电流 I(安培)、导体的电阻 R(欧姆)、通电的时间 t(秒) 有关:

\[ Q = I^2 R t \]

注意:换而言之,电流经过导体产生的热量 \(Q\)电流 \(I\) 的平方、导体的电阻 \(R\)、通电的时间 \(t\)正比关系

电阻的串并联

电阻的串联

电阻的串联是指两个或者以上的电阻,在电路当中以首尾相接的方式进行连接:

电阻的串联电路,主要具备有如下四个特点:

  1. 流过每一个串联电阻的电流都相等,也就是都等于 \(I\)
  2. 总电压等于各个串联电阻上面的电压之和,即 \(U = U_{R1} + U_{R2}\)
  3. 电阻串联之后的总电阻增大,总电阻等于各个串联电阻之和,即 \(R = R_1 + R_2\)
  4. 串联电阻的阻值越大,电阻两端的电压就越高,即 \(R_1 < R_2 \implies U_{R1} < U_{R2}\)

电阻的并联

电阻的并联是指两个或者以上的电阻,在电路当中分别以首首相接尾尾相连的方式进行连接:

电阻的并联电路,主要具备有如下四个特点:

  1. 每一个并联电阻两端的电压都相等,即 \(U_{R1} = U_{R2}\)
  2. 总电流等于各个并联电阻上通过的电流之和,即 \(I = I_1 + I_2\)
  3. 电阻并联之后的总电阻减小,总电阻的倒数等于各个并联电阻的倒数之和,即 \(\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\)
  4. 并联电阻的阻值越小,通过电阻的电流就会越高,即 \(R_1 < R_2 \implies I_{R1} > I_{R2}\)

直流电 & 交流电

直流电

直流电是指方向始终固定不变的电压或者电流直流电源通常使用如下的符号进行表示:

注意:直流电的电流总是由电源的正极流出,再经由电路回流至电源的负极

直流电可以划分为稳定直流电方向大小都不发生变化)和脉动直流电方向不变,大小随时间变化)两种类型:

交流电

交流电是指方向大小都随时间进行周期性变化的电压或者电流,其中最为常见的是正弦交流信号,其符号与波形如下所示:

正弦交流信号的周期频率瞬时值有效值都是电子学当中非常重要的概念:

  • 周期是指交流信号重复变化一次所需的时间,通常使用字母 T 表示,单位是(s);例如上图当中交流信号的周期 \(T = 0.02s\),表示该交流信号每间隔 0.02 秒就会重复变化一次。
  • 频率是指交流信号在每一秒钟之内重复变化的次数,使用字母 f 表示,单位为赫兹(Hz),其值为周期的倒数 \(f = \frac{1}{T}\);例如上图当中交流信号的频率 \(f = \frac{1}{0.02} = 50Hz\),表明该信号在 1 秒钟之内会重复变化 50 次。
  • 瞬时值是指交流信号在某一个具体时刻的参数值;例如上图交流信号在 \(t_1\) 时刻的瞬时值为 \((220 \times \sqrt{2})V \approx 331V\),而在 \(t_2\) 时刻的瞬时值为 \(0V\)
  • 有效值用于计量交流电的大小,也称为均方根值,正弦交流电的有效值等于其最大瞬时值\(\frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.707\) 倍。

除此之外,正弦交流信号的相位相位差,也属于电子学当中比较重要的概念:

相位是指交流信号在某一个具体时刻的角度,上图当中交流信号在 \(t = 0.005s\) 时刻的相位为 \(\frac{\pi}{2}\) 或者 90° 度,而在 \(t = 0.01s\) 时刻的相位为 \(\pi\) 或者 180° 度。

  • 初相位就是交流信号在 0 时刻的角度。
  • 相位差是指两个相同频率正弦交流信号的相位之差。
  • 同一个坐标系上面,位置偏的相位称为超前,位置偏的相位称为滞后

电路网络图论

分析只包含有一个电源的简单电路,只需要运用欧姆定律电阻的串并联关系即可,而对于拥有着多个电源的复杂电路,则需要进一步借助基尔霍夫定律叠加定理戴维南定理 等。在进行更深入的讨论之前,需要引入电路网络图论的相关内容:

  • 支路:由一个或多个元器件首尾相接构成的一段电路(无其它分支),相同支路内通过所有元器件的电流都相等。上图电路当中拥有 BAFEBEBCDE 一共三条支路,其中包含有电源的称为有源支路,没有电源的称为无源支路
  • 结点:三条或者以上支路的共同连接点,例如上面电路当中的 B 点和 E 点。
  • 回路:即电路当中任意的闭合路径,例如上图所示电路当中的 ABEFABCDEBABCDEFA
  • 网孔:即内部不再包含有任何支路的回路,例如上图所示电路当中的 ABEFABCDEB,而 ABCDEFA 由于包含有支路 BE,因而不属于网孔。

基尔霍夫定律

基尔霍夫定律可以分为基尔霍夫第一定律(也称为基尔霍夫电流定律)和基尔霍夫第二定律(又称基尔霍夫电压定律)。

基尔霍夫电流定律

基尔霍夫电流定律:流入任意一个结点的电流之和,等于流出该结点的电流之和,即 \(\Sigma I_{流入结点} = \Sigma I_{流出结点}\)

上图所示的电路当中,流入 A 点的电流有 \(I_1\)\(I_2\)\(I_3\) 三个,而流出 A 点的电流有 \(I_4\)\(I_5\) 两个,根据基尔霍夫电流定律可以得出如下的关系:

\[ I_1 + I_2 + I_3 = I_4 + I_5 \]

注意:基尔霍夫电流定律不仅适用于电路当中的节点,同样也适用于一个封闭平面

基尔霍夫电压定律

基尔霍夫电压定律:任意一个回路内,所有支路的电压代数和为零(需要先确定参考方向),即 \(\Sigma U = 0V\)

指定上图电路当中 BCDFB 回路的参考方向,经过电阻 \(R_2\)电流 \(I_2\),与经过电阻 \(R_3\)电流 \(I_3\) 的绕行方向一致,所以 \(I_2 \times R_2 = U_2\)\(I_3 \times R_3 = U_3\) 两者都取。由于电源的电动势方向是从负极正极,所以电源 \(E_2\) 的电动势方向与参考方向相反取,根据基尔霍夫电压定律可以得出如下关系:

\[ E_2 = (I_2 \times R_2) + (I_3 \times R_3) \]

接下来,再指定上面电路当中 ABFHA 回路的参考方向,流过电阻 \(R_1\)电流 \(I_1\) 方向与参考方向相同,所以 \(I_1 \times R_1 = U_1\);而流过电阻 \(R_2\)电流 \(I_2\) 方向与参考方向相反,所以 \(I_2 \times R_2 = U_2\);同样由于电源的电动势方向是从负极正极,所以电源 \(E_2\) 的电动势方向与参考方向相同取,而电源 \(E_1\) 的电动势方向与参考方向相反取,从而可以得出如下的关系:

\[ E_2 - E_1 = (I_1 \times R_1) - (I_2 \times R_2) \]

叠加定理

叠加定理是一个反映线性电路基本性质的重要定理,其是指在线性电路当中,任意一条支路上的电流或者电压等于每一个电源单独作用在该条支路,所产生的电流或者电压的代数和。接下来,以下图所示电路为例来说明叠加定理的应用。已知下面电路当中的 \(E_1 = 14V\)\(R_1 = 0.5Ω\)\(E_2 = 12V\)\(R_2 = 0.2Ω\)\(R = 4Ω\),试求解支路电流 \(I\)\(I_1\)\(I_2\)

首先,标识出上述电路当中各条支路的电流方向,然后绘制出只存在一个电源 \(E_1\) 作用时的电路(将另外一个电源 \(E_2\) 视为短路),并且标识出简化电路上各条支路的电流方向,再分别求解出各条支路上的电流大小:

接下来,再绘制出只存在一个电源 \(E_2\) 作用时的电路(再将另外一个电源 \(E_1\) 视为短路),同样标识出简化电路上各条支路的电流方向,再分别求解出各条支路上的电流大小:

最后,叠加每一条支路上的电流或者电压(凡是与上面电路标识出的参考方向一致就为,反之就为),从而就可以求解出各条支路上的电流 \(I\)\(I_1\)\(I_2\)

\[ \begin{align} & I_1 = I_1' - I_1'' = (20.28 - 16.56) = 3.72A \\ & I_2 = I_2'' - I_2' = (18.6 - 19.3) = -0.7A \\ & I = I' + I'' = (0.98 + 2.04) = 3.02A \\ \end{align} \]

注意:如果元器件两端的电压与流过的电流呈正比,那么这类元器件(例如电阻)就被称作线性元件,而由线性元件组成的电路相应的就被称为线性电路

戴维南定理

二端网络顾名思义就是具有两个出线端子的电路,而包含有电源的二端网络就称为有源二端网络,否则就称为无源二端网络。例如下图左侧的电路,就可以简化为右侧的二端口网络:

戴维南定理是指对于任何一个有源二端口网络,都可以用一个等效的电源电动势 \(E_0\)内阻 \(R_0\) 的串联组合来代替,根据该定理同样可以将下图左侧的电路简化为右侧的形式:

戴维南定理还规定了等效的电源电动势 \(E_0\) 以及内阻 \(R\) 的计算方法:

  • 电源电动势 \(E_0\) 指的是该有源二端口网络开路时候的端口电压。
  • 内阻 \(R\) 是指从两个端口看进去,将电源视为短路时候的等效电阻。

接下来,以下图所示的电路为例来展示戴维南定理的应用,已知该电路当中的 \(E_1 = 14V\)\(R_1 = 0.5Ω\)\(E_2 = 12V\)\(R_2 = 0.2Ω\)\(R = 4Ω\),试求解通过电阻 \(R\)电流 \(I\) 的大小?

首先,将电路划分为待求支路有源二端口网络两个部分(如上图所示),然后假设待求支路处于断开状态,并且求解出有源二端网络开路时候的端口电压,该电压就等效为电源的电动势 \(E_0\)

然后,再假设有源二端口网络内部的所有电源短路,从而就可以获得其内部电阻 \(R_0\) 的阻值:

接下来,基于上述步骤获得的电源电动势 \(E_0\) 以及内阻 \(R\),就可以绘制出如下图所示的戴维南等效电路,并且求解出支路电流 \(I\) 的大小:

注意:对于拥有多个电源的复杂电路,如果需要求解多条支路上的电流大小,可以运用基尔霍夫定律或者叠加定理。如果只需要求解一条支路上的电流大小,则使用戴维南定理更加方便。

最大功率传输定理

最大功率传输定理是指负载要从电源获得最大功率的条件是:负载的内阻或者阻抗与电源的内阻相等,也就是电路设计工作当中经常提到的阻抗匹配。例如下图所示的电路,其中的电阻 \(R\)电源 \(E\) 的内阻,而 \(I\)\(U\) 则是负载电阻 \(R_L\) 上通过的电压电流

负载电阻 \(R_L\) 上获得的功率 \(P = UI\),如果增大负载电阻 \(R_L\) 的阻值,虽然电压 \(U\) 会随之增大,但是电流 \(I\) 会减小。如果减小负载电阻 \(R_L\) 的阻值,虽然电流 \(I\) 会随之增大,但是电压 \(U\) 又会减小。根据最大功率传输定理,此时负载电阻 \(R_L\) 要从电源 \(E\) 获得最大功率的条件是 \(R_L = R\),这样负载电阻 \(R_L\) 上获得的最大功率 \(P\) 为:

\[ P = \frac{E^2}{4 \cdot R_L} \]

对于下面这种拥有多个电源的复杂电路,则需要先使用戴维南定理求解出该电路的等效内阻 \(R_0\)等效电动势 \(E_0\)

然后同样只要负载电阻 \(R_L\) 与电源的等效内阻 \(R_0\) 相等,那么负载电阻 \(R_L\) 就可以获得到最大功率 \(P\)

\[ P = \frac{E_0^2}{4 \cdot R_L} \]

贴片元件封装规格

下面的表格体现了电路设计当中,常用元件的贴片封装规格,以及对应的尺寸信息:

电磁兼容性 EMC

EMC是电磁兼容性(Electromagnetic [ɪˌlektroʊmæɡˈnetɪk] Compatibility)的英文缩写,其意思是不对其它设备产生电磁干扰,即使受到来自其它设备的电磁干扰,也仍然能够保持原始的性能。由于需要同时兼具不干扰其它设备,以及抗其它设备干扰两种性能指标,因而被称为电磁兼容性

  • EMI(Electromagnetic Interference [ˌɪntəˈfɪərəns])是电磁干扰的英文缩写,表示因发射电磁波而对周围环境造成的干扰,即干扰其它设备
  • EMS(Electromagnetic Susceptibility [səˌseptəˈbɪləti])是电磁敏感性的英文缩写,代表的是对于电磁波干扰的耐受度,即被其它设备干扰

注意:上图中的传导表示的是传输导线,而辐射代表的是电磁辐射

电阻器 Resistor

电阻器可以具体划分为固定电阻器电位器敏感电阻器三种类型,其中固定电阻器的阻值固定不变,通常使用如下的电路符号来进行表示:

固定电阻器通常在电路中起到降压/限流分流分压的作用:

标称阻值

标称阻值是标注在电阻器上的阻值,使用单位来代表小数点是一种经常被使用到的阻值表示方法:

1
2
3
4
1k2 = 1.2
3M3 = 3.3
3R3 = 3.3Ω
R33 = 0.33Ω

贴片电阻器通常采用数值标注法,其最后一位表示阻值当中 0 的个数,而前面的三到四位才是真正的有效数值:

误差

电阻器的误差是实际阻值与标称阻值的差距,例如 \(\pm 5\%\)\(\pm 10\%\)\(\pm 20\%\)。国家标准 E-24E-12E-6 分别对各个厂家所生产电阻器的标称阻值(必须为 10 的正整数倍)与误差进行了规定:

标称阻值系列 允许误差 误差等级 标称阻值
E-24 \(\pm 5\%\) 1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1
E-12 \(\pm 10\%\) 1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2
E-6 \(\pm 20\%\) 1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8

额定功率

电阻器的额定功率是指一定条件下,长期使用所允许承受的最大功率。额定功率越大,允许流过电阻器的电流就越大。国家规定的固定电阻器额定功率有 1/8W1/4W1/2W1W2W5W10W 等,下面的表格体现了各种封装的贴片电阻与其额定功率的对应关系:

封装规格 额定功率 封装规格 额定功率
0402 封装 1/16 W 1210 封装 1/3 W
0603 封装 1/10 W 1812 封装 1/2 W
0805 封装 1/8 W 2010 封装 3/4 W
1206 封装 1/4 W 2512 封装 1 W

电阻器的选型

对电阻器进行选型时,会主要考虑其标称阻值误差额定功率最大工作电压温度系数,例如对于下面这个电路:

首先,在考虑到误差的前提下确定阻值,基于欧姆定律可以求解得到电阻器的取值:

\[ R = \frac{U}{I} = \frac{220V}{0.01A} = 22000Ω = 22kΩ \]

然后,根据功率的计算公式获得该电阻器消耗的功率,基于下面的公式可以计算得到 2.2W。由于选取的电阻器额定功率应当在实际功率的两倍以上,所以这里选择的电阻器额定功率应当为 5W

\[ P = I^2R = (0.01A)^2 \times 22000Ω = 2.2W \]

最后,还需要关注该电阻器所能够承受的最大工作电压,避免低于电路当中两端的实际电压而导致烧毁。除此之外,电阻器选型过程当中,温度系数噪声 也是非常重要的两个选型参数:

  • 温度系数也是一个十分需要关注的参数(例如±100 ppm/℃±200 ppm/℃),其表示了温度每变化 1℃ 所引发的阻值相对变化。通常情况下,温度系数越小越好
  • 噪声是产生于电阻器当中的一种不规则电压起伏,主要是由于内部不规则的自由电子运动所导致,噪声越低越好

注意:元器件的参数值,伴随着温度的升高而增大就称为正温度系数,反之则称为负温度系数

薄膜/厚膜电阻器

薄膜电阻或者厚膜电阻通常用于标注贴片电阻器,这是因为贴片电阻器是将金属粉玻璃釉粉混合之后,印刷在基板上制作而成,根据印刷厚度可以大致划分为薄膜电阻或者厚膜电阻两种类型:

注意:通常情况下,薄膜电阻的温度系数要优于厚膜电阻

碳膜/金属膜电阻器

这类电阻器是将一层碳膜或者金属膜附着在陶瓷基底上面制作而成,材料膜的厚度决定了阻值的大小:

注意金属膜电阻器精度更高,噪声更小,温度系数更低。而碳膜电阻器的优势则主要在于成本低廉。

采样电阻器

采样电阻通常采用铜镍、锰铜等合金材料制作,具备低温度系数(通常为 ±50ppm/℃ 或者更低)和极低的电阻值(毫欧级别,通常不会超过 ),可以在极宽的温度范围内具有比较稳定的电阻值。主要用于在电路当中进行电压或者电流的采样(电流采样串联一个较小阻值的采样电阻,电压采样时则需要并联一个较大阻值的采样电阻)。

注意:万用表当中经常使用的 康铜丝电阻,实质上就采用了铜镍或者锰铜合金材料。

电位器

电位器是一种阻值可以变化调节的电阻器,也被称作可变电阻器,其电路符号如下图所示:

电位器的基本结构如下图所示,其拥有 ACB 三个引脚,在 AB 引脚之间连接着一段阻值为 \(R_{AB}\) 的电阻材料,该阻值就是这个电位器的标称阻值:

上面电位器的引脚 C 连接着一个滑动片,此时 AC 引脚之间的阻值为 \(R_{AC}\),而 BC 引脚之间的阻值为 \(R_{BC}\),三个引脚之间的电阻值存在着如下关系:

\[ R_{AB} = R_{AC} + R_{BC} \]

类似于固定电阻器,电位器同样具备降压/限流分流分压的作用,不过由于其阻值可调,因而随时可以通过改变上述三个引脚之间的电阻值来调整相关的参数。

除了标称阻值额定功率等电阻器通用参数之外,电位器的另外一个重要参数是阻值变化特性,也就是电位器阻值与滑动片旋转角度之间的关系,根据阻值变化特性不同可以划分为如下三种类型:

  1. 直线式:阻值与旋转角度呈直线关系,当旋转滑动片时,电位器的阻值会匀速变化,即电位器的阻值变化与旋转角度大小呈正比
  2. 指数式:阻值与旋转角度呈指数关系,刚开始旋转滑动片时,阻值变化很,随着转动角度的增大,阻值变化增大
  3. 对数式:阻值与旋转角度呈对数关系,刚开始旋转滑动片时,阻值变化很,随着转动角度的增大,阻值变化减小

电位器的类型比较多,可以被划分为普通电位器微调电位器带开关电位器多联电位器等种类:

  • 普通电位器一般是指带有调节手柄的电位器。
  • 微调电位器通常不带调节手柄,需要使用螺丝刀进行调节。
  • 带开关电位器结合了开关(引脚数量会多出 2 个)与电位器的功能。
  • 多联电位器把多个电位器组合在一起,可以同时进行调节。

热敏电阻器

热敏电阻器是一种对于温度敏感的电阻器,当温度变化时其阻值也会随之变化,其电路符号如下图所示:

通常情况下,热敏电阻器可以被划分为负温度系数正温度系数热敏电阻器两种类型:

  1. 负温度系数热敏电阻器(NTC):阻值随着温度的升高减小
  2. 正温度系数热敏电阻器(PTC):阻值随着温度的升高增大

除此之外,热敏电阻器还可以被划分为缓慢型开关型两种:

  • 缓慢型热敏电阻器:温度每变化 1℃,其阻值就会随之发生 0.5% ~ 8% 的线性变化。
  • 开关型热敏电阻器:具有一个转折温度,当低于或者高于该温度时,阻值就会急剧增大或者减小。

注意:热敏电阻器的标称阻值,是指当处于 25℃ 室温情况下所测得的电阻值。

压敏电阻器

压敏电阻器是指当两端电压低于压敏电压时,其阻值接近于无穷大。当两端电压超过压敏电压时,阻值又会急剧变小,其电路符号如下图所示:

利用压敏电阻器过电压时阻值变小的特性,可以将其应用于一些过压保护或者浪涌保护电路:

在上图的电路当中,220V 交流电通过保险丝 F 连接至家用电器,当发生雷击的时候,就会导致电压瞬间上升。如果该电压被施加到压敏电阻器两端,就会使得压敏电阻器的阻值迅速降低至,此时流过保险丝和压敏电阻器的电流急剧增大,致使保险丝被瞬间熔断,从而防止雷击的电压触及家用电器。

注意:大多数情况下,压敏电压是指使用 1mA 直流电流经过压敏电阻器时所测得的电压值。对于 220V 的交流市电保护电路,通常会选用压敏电压介于 480V ~ 560V 范围的压敏电阻。

光敏电阻器

光敏电阻器是一种对光照敏感的电阻器,当照射的光线强弱发生变化时,其阻值也会随之变化(通常情况下光线越强阻值越小),其电路符号如下图所示:

下面分别展示了贴片式和直插式光敏电阻器的实物,在进行光敏电阻器的选型时,需要重点关注如下三个参数:

  1. 最高工作电压:光敏电阻器正常工作时,两端所允许的最大电压。
  2. 暗电阻:关闭光线照射(0 Lux)之后,第 10 秒钟时刻的阻值,此时在其最高工作电压下通过的电流的称为暗电流
  3. 亮电阻:使用光线照射(10 Lux)之后,所测得的阻值,此时在其最高工作电压下通过的电流的称为亮电流

下图是光敏电阻器的两个典型应用电路,即分别将其串联或者并联在电路当中使用:

  • 上图左侧电路是将光敏电阻串联使用,如果光敏电阻器 \(R_2\) 无光线照射,那么阻值增大,流经灯的电流较小,灯亮度较暗。如果 \(R_2\) 被光线照射,那么阻值降低,流经灯的电流增大,灯的亮度就会增强。
  • 上图右侧电路是将光敏电阻并联使用,当光敏电阻器 \(R_2\) 无光线照射,那么其阻值将会增大,并联分得的电流就会减少,此时灯的亮度就会增强。反之,如果 \(R_2\) 被光线照射,那么阻值就会降低,并联分得的电流就会增多,流经灯的电流将会减小,导致其亮度降低。

电容器 Capacitor

电容器是一种可以储存电荷的元器件,由相距很近且中间隔有绝缘介质的两块导电极板构成,按照有无极性可以划分为如下两种类型:

  1. 无极性电容:引脚没有正负极性之分,主要是 MLCC 多层陶瓷电容瓷片电容
  2. 有极性电容:需要区分引脚的正负极(正极连接高电位,负极连接低电位,反接会导致损毁),例如常见的电解电容钽电容

上图分别展示了有极性电容无极性电容的电路符号,使用的时候要注意加以区分。

主要参数

电容器选型主要关注的参数有 容值精度额定电压等效串联电阻(ESR):

  • 容值:电容器存储电荷的多少,单位有法拉(F)、毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF),相互之间的换算关系为 \(1F = 10^3mF= 10^6 \mu F = 10^9 nF = 10^{12}pF\)
  • 精度:标称容量与实际容量之间所允许的最大误差值,常见的精度有 ±10% 或者 ±20%,比较高精度的甚至可以达到 ±5%
  • 额定电压:也称为耐压值,是指在正常工作情况下,电容器两端所允许承受的最大电压值。一旦超过额定电压,极板之间的绝缘介质就会被击穿。常见的耐压值有 10V16V25V50V 等。
  • 等效串联电阻:由于制作电容的材料具有一定的电阻性,导致工作时电信号出现损耗,这个损耗在外部会体现为一个串联的电阻,因而称为等效串联电阻(ESR),通常使用的单位为毫欧(mΩ)。通常情况下 ESR 越小越好,但是某些稳压电路反而会选择具备一定 ESR 的电容器。
  • 损耗角正切值:由于电容器介电质损耗的原因,导致电容器上电压与电流的相位角并非理想的 90° 度,而是偏离了一个 \(\delta\) 度,这个 \(\delta\) 角就被称为电容器的损耗角,该参数用于衡量电容器内部的电能损耗程度,因而越小越好。
  • 漏电流:虽然电容器内部的电介质对于直流电流具有阻碍作用,但是依然会有少部分漏电流通过,此参数会伴随温度与电压的升高而增大。

充放电特性

充电(电容器上获得电荷的过程)与放电(电容器上电荷流失的过程)是电容器非常重要的性质,电容器极板上存储的电荷数量与两个极板之间的电压具有一定的关系,即容值 C(法拉 F)不变的情况下,电容器储存的电荷数量 Q(库伦 C)与其两端的电压 U(伏特 V)呈正比:

\[ Q = C \cdot U \]

隔直通交特性

电容器的一个显著特征是具有隔离直流通过交流的特性:

  • 隔直:直流电可以对电容器充电,这个过程持续时间很短,充电结束之后,直流电就无法再通过电容器。
  • 通交:由于交流电极性不断变化,电容器的充放电过程反复交替进行,因而始终会有交流电流通过电容器。

容抗

电容器虽然能够通过交流信号,但是对于交流信号也存在一定的阻碍,这种阻碍作用就被称为容抗,使用 \(X_C\) 进行表示,单位为欧姆(Ω)。电容器的容抗与交流信号的频率 \(f\),乃至于电容器容值 \(C\) 之间的关系如下面公式所示:

\[ X_C = \frac{1}{2 \pi f C} \]

观察这个公式可以得出结论:交流信号的频率越高,电容器的容抗就越小;或者电容器的容值越大,电容器的容抗也会越小

容值的标注

铝电解电容体积较大,通常使用直标法,即直接在外壳上标识出容值耐压值误差三个指标:

直插式瓷片电容,由于容值较小(皮法 pF 级别),则通常会采用更为简单明了的整数标注法

  • 如果标注的整数值末位为 0,例如 330 就表示容值为 \(330\ pF\)
  • 如果标注的整数值末位不为 0,例如 103 就表示容值为 \(10 \times 10^3\ pF\)
  • 如果标注的整数值末位为 9,并不是表示 \(10^9\),而是表示 \(10^{-1}\),例如 339 表示容值为 \(3.3\ pF\)

注意:对于容量较大的无极性电容器,少数情况下会采用小数点标注法,即分别使用 \(\mu\)\(n\)\(p\) 来表示小数点,例如 p1 表示 0.1pF4n7 表示 4.7nF3u3 表示 3.3uF

电容器误差的标注

电容器的误差标注方法,除了直接进行标注以外,还有罗马数字字母两种标注方法,其中前者就是使用罗马数字的 0 来分别标识误差值:

罗马数字 对应误差
0 ±2%
±5%
±10
±20%

相应的,字母表示法则是通过在电容器上标注字母 BCDFGJKMNQSZP 来表示误差的大小:

字母 对应误差 字母 对应误差 字母 对应误差
B ±0.1% J ±5% S +50% ~ -20%
C +0.25% K +10% Z +80% ~ -20%
D +0.5% M +20% P +100% ~ 0%
F ±1% N +30%
G +2% Q +30% ~ -10%

陶瓷电容介质分类

多层陶瓷贴片电容器(MLCC)根据介质或者介电材料的不同,可以具体划分为 NPOCOGX7RX5RY5VZ5U 六种材质,不同的介质类型会导致电容器的电场响应速度极化率稳定性介质损耗容量出现差异,这六种材质按照温度稳定性和容量变化率可以进一步被划分为 三种类型:

介质类型 英文缩写名称 类型名称 温度与容量变化率
Ⅰ 类陶瓷电容 NPO、COG 具有温度补偿特性的陶瓷电容器 温度从 -55°C ~ +125°C 时容量变化为 0±30ppm/°C,电容量随频率的变化小于 ±0.3ΔC
Ⅱ 类陶瓷电容 X7R、X5R 温度稳定型陶瓷电容器 X7R-55°C ~ +125°C 时容值变化为 15%X5R-55°C ~ +85°C 时容量变化为 15%
Ⅲ 类陶瓷电容 Y5V、Z5U 具有一定温度限制的陶瓷电容器 Y5V-30°C ~ +85°C 时容值变化为 +22% ~ -82%Z5U-30°C ~ +85°C 时容值变化为 +10% ~ -85%

电容器的串联

电容器的串联是指两个或者以上的电容器,在电路当中首尾相连,例如下面的电路:

电容器串联之后的总容值会降低(小于容值最小的电容器),串联之后总容值的倒数等于每一个电容器容值的倒数之和,所以上面的两个电路相互等效:

\[ \frac{1}{C} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} \implies C = \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2} = \frac{1000pF \times 100pF}{1000pF + 100pF} \approx 91pF \]

注意:电容器串联之后,容值较大的电容器两端的电压较小,而容值较小的电容器两端的电压较大。所以进行电容器选型的时候,对于容值较小的串联电容器,应当选择耐压值更高的型号。

电容器的并联

电容器的并联是指两个或者以上的电容器,在电路当中分别首首相连和尾尾相连,例如下面的电路:

电容器并联之后的总容值会增大,总容值等于全部并联电容器的容值之和,所以上述两个电路相互等效:

\[ C = C_1 + C_2 + C_3 = 5\mu F + 5\mu F + 10\mu F = 20 \mu F \]

注意:电容器并联之后,每一个电容器两端的电压都相等。所以在电容器的选型时,最好为并联电容器选择耐压值都相同的型号。

常用电容器

名称 实物 极性 优缺点
多层陶瓷电容器 串联等效电阻 ESR 比较低,容值范围介于 0.1pF ~ 470uF,耐压值介于 2.5V ~ 10kV,可以进一步划分为 I 类(温度系数相对较低)和 II 类(温度系数相对较高)两种类型。
铝电解电容器 铝壳顶部带有防爆纹,容值范围较宽 0.1uF ~ 2.2F,耐压值介于 2.5V ~ 700V,价格低廉,但是使用寿命较短,漏电流会随着温度和电压的升高而增大,过压和反接时会发生爆炸。
铝固态聚合物电容器 铝壳顶部通常没有防爆纹,ESR 非常低(毫欧级别),容值范围 2.2uF ~ 0.02F,耐压值介于 2V ~ 250kV,价格相对较贵(通常是电解电容的 5 倍),在工作温度高于 105℃ 以上时,各项参数指标会迅速恶化。
钽电容 ESR 相对较低(欧姆级别),体积小容值大(22nF ~ 0.1F),耐压性能差(2V ~ 125V),价格昂贵,工作范围宽,使用寿命长,反接和过压发生爆炸时会出现明火,使用时需要特别注意。

安规电容器

安规电容也被称为 EMI 抑制电容器,顾名思义在电路里主要用于减少电磁干扰,通常用于电源电路当中,可以滤除雷电或者插拔插座带来的高频脉冲,这类电容必须通过如下一系列的安全规范测试认证:

X 电容 通常使用的是聚酯材料,用于滤除差模干扰,使用时主要放置在零线火线之间:

Y 电容 通常使用的是陶瓷材料,用于滤除共模干扰,使用时分别放置在火线零线之间:

对于 X 电容Y 电容 的选型,主要关注的参数是其可以耐受的浪涌峰值电压(通常在千伏左右),两者通常配合起来使用,其典型的应用电路如下所示(图中的 L 表示火线N 表示零线G/PE 表示地线):

注意X2(浪涌峰值电压小于或等于 2.5KV)和 Y2(浪涌峰值电压为 5KV子类是国内比较常用的安规电容。

电感器 Inductor

将导线在绝缘支架上绕制出一定的匝数就可以构成一个电感器,其电路符号如下图所示:

根据绕制支架材料的不同,可以将其划分为:空心电感器(无支架)、磁芯电感器(磁性材料支架)、铁芯电感器(硅钢片支架):

电感器在电路当中,主要具备如下几个用途:

  • 功率电感:主要用于电压转换,例如 DC-DC 电路都需要使用到功率电感。
  • 去耦电感:主要用于 EMC 滤除电源线或者信号线上面的噪声,也就是所谓的扼流圈
  • 高频电感:主要用于射频电路,实现偏置、匹配、滤波等功能。

电感量

当电感器通过电流时就会产生磁场,电流越大产生的磁场就会越强,穿过电感器的磁通量也就会越大。磁场的磁感线方向电流方向遵循右手螺旋定则,也称为安培定则:右手握住电感线圈,让大拇指指向磁场的方向(从 N 极出发回到 S 极),那么其余四指所指向的就是电流的方向:

穿过电感器的磁通量 \(\varPhi\) 与通过电感器的电流 \(I\) 的比值叫做自感系数,也被称为电感量,通常使用字母 L 进行表示:

\[ L = \frac{\varPhi}{I} \]

电感量的基本单位为亨利,简称(H),常用的单位还有毫亨(mH)、微亨(uH),它们之间的换算关系如下面所示:

\[ 1H = 10^3mH = 10^6 \mu H \]

电感器所具有的电感量大小,主要取决于线圈的匝数、绕制的方式,以及磁芯的材料:

  1. 线圈匝数越多,绕制的线圈就会越密集,电感量也就会越大;
  2. 有磁芯的电感器,相比无磁芯的电感器的电感量要更大:
  3. 电感器磁芯的磁导率越高,其电感量也就会越大。

感抗

电感器对于直流信号的阻碍非常小,而对于交流信号的阻碍非常大,也就是所谓的通直隔交。导致这种现象出现的原因,是由于变化的电信号通过电感器时,会让电感器产生自感电动势来阻碍这个变化的电信号。

电感器对于交流信号的这种阻碍作用称为感抗,其单位为欧姆 Ω,电感器感抗 \(X_L\) (欧姆)的大小与其电感量 \(L\) (亨利)以及通过的频率 \(f\) (赫兹)相关:

\[ X_L = 2\pi fL \]

注意:通过的信号频率 \(f\) 越高,电感器的感抗 \(X_L\) 也就越大。电感器的电感量 \(L\) 越大,其对交流信号的感抗 \(X_L\) 也就会越大。

品质因数 Q 值

品质因数当向电感器两端施加特定频率 \(f\) 的交流信号时,其感抗 \(X_L\)直流电阻 \(R\) 的比值被称为品质因数。该参数是衡量电感器品质的一个重要参数,通常也被称作 Q 值

\[ Q = \frac{X_L}{R} \]

注意:品质因数通常用于表征储能元件(电感器、电容器)储存能量损耗能量的比值,品质因数越,表示吸收与储存能量的损耗就越小,转换效率就会越高。

电感器的选型

按照电感器在电路当中的用处,还可以将其大致划分为用于信号系统高频电感器,以及用于电源系统功率电感器

高频电感器主要运用在信号频率介于 MHz 或者 GHz 的场景,对于 Q 值的要求非常高,通常会采用空心结构,其主要用途如下表所示:

功率电感器主要被运用在电源电路当中,有时候也被称作工字型电感,其主要用途如下面的表格所示:

电感器的选型,除了电感量这个参数之外,还需要重点关注如下几个参数:

  • 温升额定电流:以电感器的发热量(温升为 40℃)作为指标的额定电流。
  • 电感值变化率额定电流:由通电时磁饱和所导致的电感值下降(直流叠加特性)作为指标的额定电流。
  • 工作温度范围:电感器正常工作的时候,环境温度所允许的范围。
  • 直流阻抗:能够通过的直流信号阻抗值,直流阻抗越小,损耗也就越少。

注意:电路当中经常使用到的扼流圈,本质也是一种可以扼制交流信号通过的电感线圈,它利用感抗 \(X_L\)频率 \(f\) 呈正比的关系,从而能够扼制特定频率的交流信号通过电感器。

共模 & 差模噪声

导线上的传导噪声可以划分为差模噪声共模噪声两种类型,在下面的示意图当中,把 PCB 电路板安装在了一个外壳里面:

  • 差模噪声:产生于电源线之间,由噪声信号串入电源线导致。噪声信号流入流出两条电源线的方向相反,所以被称为差模(Differential Mode)。
  • 共模噪声:由于噪声信号通过大地之后,再返回电源线所导致,噪声信号流入流出两条电源线的方向相同,所以被称为共模(Common Mode)。

共模 & 差模电感

共模电感是一种用于滤除共模干扰信号的专用元器件,通常被运用在开关电源当中,可以滤除 EMI 电磁干扰,或者抑制高速信号传输时产生的电磁辐射。

共模电感的工作原理是基于其特殊的双绕组结构:两个线圈绕制在相同的铁芯上面(匝数和相位相同,但是绕制的方向相反),从而形成一个四端元件。因而拥有 4 个外接引脚(这是共模电感器的典型外观特征),共模电感在电路原理图当中使用如下符号进行表示:

  1. 差模干扰信号经过共模电感时,信号会在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流只会受到线圈自身电阻的影响。
  2. 共模干扰信号流过共模电感时,由于共模信号的同向性,就会在线圈内产生相同方向的磁场,进而增大线圈的感抗,致使线圈表现为高阻抗,从而衰减共模信号达到滤除的目的。

相应的,差模电感本质上就是就是普通的绕线电感(两个引脚),其主要用于滤除差模干扰信号,通常被运用在一些大电流的场合,结构较为简单(主要由铁芯上绕制的线圈构成)。经常在电源电路当中,与电容一起构成用于减小噪声的 LC 滤波器。

磁珠

磁珠对于高频信号具有较大的阻碍作用(将其转换为热能),主要用于抑制信号线电源线上面的高频噪声与尖峰干扰。磁珠的单位是按照其在某一频率(通常为 100MHz)下产生的阻抗来进行标识的,所以其采用欧姆 Ω 作为单位(而非亨利):

通常情况下,制作磁珠的材料是铁氧体,大部分磁珠都会被制作为贴片元器件,只有穿芯磁珠属于直插式元器件。

注意:磁珠在选型时要重点关注其 标称阻抗@测试频率直流电阻额定工作电流 三个参数。

变压器 Transformer

变压器基于 电→磁磁→电 的转换原理,主要用于调整交流电压与电流的大小,通常由绝缘铜质线圈绕制而成的绕组(漆包线)和具备导磁性能的铁/磁芯(E 形、C 形、环形)构成,其电路符号(下图左)和结构示意图(下图右)分别如下所示:

其中,连接到输入端的绕组称为一次绕组或者初级绕组(源边),而连接至输出端的绕组被称为二次绕组或者次级绕组(副边)。变压器按照用途,可以进一步被划分为电源变压器隔离变压器信号处理变压器电流互感器 等。

工作原理

交流电压 \(U_1\) 传递到变压器的一次绕组 \(L_1\)匝数\(N_1\))两端时,就会有交流电流 \(I_1\) 通过 \(L_1\),导致 \(L_1\) 立刻产生磁场,磁场的磁感线沿着具备导磁能力的铁芯或者磁芯穿过二次绕组 \(L_2\)(匝数为 \(N_2\)),使得 \(L_2\) 绕组马上产生方向相反的感应电动势

此时 \(L_2\)电阻 \(R\) 形成闭合电路,开始输出交流电流 \(I_2\),电阻 \(R\) 两端的电压\(U_2\)。概而言之,变压器的一次绕组进行的是电 → 磁转换,而二次绕组进行的则是磁 → 电转换。

交流电压的转换

变压器可以改变交流电压,在忽略电能损耗的情况下,变压器的一次电压 \(U_1\)二次电压 \(U_2\)一次绕组匝数 \(N_1\)二次绕组匝数 \(N_2\) 的关系如下所示,其中的 n 被称为匝数比或者电压比

\[ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = n \]

  1. 当一次绕组匝数 \(N_1\) 少于二次绕组的匝数 \(N_2\) 时,一次电压 \(U_1\) 就会低于二次电压 \(U_2\)。换而言之,当 \(\frac{N_1}{N_2} = n < 1\) 的时候,变压器可以提高交流电压(同时也降低了输出电流),即升压变压器
  2. 当一次绕组匝数 \(N_1\) 多于二次绕组的匝数 \(N_2\) 时,一次电压 \(U_1\) 就会高于二次电压 \(U_2\)。换而言之,当 \(\frac{N_1}{N_2} = n > 1\) 的时候,变压器可以降低交流电压(同时也提高了输出电流),即降压变压器
  3. 当一次绕组匝数 \(N_1\) 等于二次绕组的匝数 \(N_2\) 时,一次电压 \(U_1\) 就会等于二次电压 \(U_2\)。换而言之,当 \(\frac{N_1}{N_2} = n = 1\) 的时候,虽然变压器不会改变交流电压的大小,但是依然能够起到电气隔离的作用,也就是所谓的隔离变压器

交流电流的转换

变压器在改变交流电压大小的同时,也会相应的改变交流电流的大小。假设变压器对于电能的损耗较小,根据功率守恒定律,可以将变压器的输入功率 \(P_1\)输出功率 \(P_2\) 视为相等,从而可以得到如下的推导过程:

\[ P_1 = P_2 \implies U_1 \cdot I_1 = U_2 \cdot I_2 \implies \frac{U_1}{U_2} = \frac{I_2}{I_1} \]

根据上述的推导过程,可以知道变压器的一二次电压 \(U_1\)\(U_2\) 与一二次电流 \(I_1\)\(I_2\) 呈现出反比关系。换而言之,变压器的匝数越多,绕组两端的电压就会越高,通过的电流相应的也就会越小。

例如上面这个输入电压为 220V,输出电压为 12V电源变压器,它的一次绕组与二次绕组的匝数比 n,可以基于如下的计算获得:

\[ n = \frac{U_1}{U_2} = \frac{220V}{12V} = \frac{55}{3} \xrightarrow{电压与电流成反比关系} \frac{I_2}{I_1} = \frac{55}{3} \approx 18.33 \]

根据上面的推导过程可以得出结论:该变压器二次绕组的输出电流是一次绕组输入电流18.33 倍。

符号与结构

接下来的表格里,展示了各种常见的变压器符号,并对其结构进行了简要的说明:

变压器符号 功能描述
该变压器拥有 2 组二次绕组,其中 3 ~ 4 为一组,而 5 ~ 6 为另一组。符号中的虚线表示一次和二次绕组之间存在着屏蔽层(接地,起到抗干扰作用),通常表示的是电源变压器
一次和二次绕组的一端标记的黑点表示的是变压器的同名端,表示这两处的电压极性相同
该变压器的一次和二次绕组之间没有实线,即表示该变压器没有铁芯或者磁芯
变压器的二次绕组上面存在着一个抽头,也就是二次绕组 3 ~ 5 之间的 4 号引脚。
变压器的一次绕组上面存在一个抽头(即 2 号引脚),表示可以输入不同电压的交流电。
变压器只拥有一个绕组,其中的 2 号引脚是其抽头,也被称作自耦变压器。如果将 2 ~ 3 作为一次绕组,而 1 ~ 3 作为二次绕组,就可以将其视为一个升压变压器;而如果把 1 ~ 3 作为一次绕组,而 2 ~ 3 作为二次绕组,则可以将其视为一个降压变压器

注意:变压器的同名端(极性相同的端口,通常在电路图当中使用实心黑点进行标注)和异名端(极性相反的端口)描述的是初级绕组次级绕组之间的缠绕方式极性关系

变压器选型指标

实际工作当中进行变压器的选型时,除了变压比/匝数比 n 之外,还需要关注下面几个性能指标:

  • 额定功率:在规定频率和电压之下,变压器长时间工作而不超过规定温升的最大输出功率,单位为伏安(V·A)。由于额定功率当中会存在一部分无功功率,所以这里不会使用瓦特(W)作为单位。
  • 绝缘电阻:实际的变压器,很难在绕组与铁/磁芯之间做到完全绝缘,因而变压器绝缘电阻指标的大小(等于 \(\frac{典型测试电压}{变压器漏电流}\),通常在兆欧 级别),不仅关系到变压器本身的质量,还关系到用电安全,选型时需要额外注意。
  • 转换效率:表示变压器正常工作时,对于电能的损耗程度,其值等于 \(\frac{输出功率}{输入功率}\) 的百分比。
  • 温升:变压器通电之后,其工作温度上升至稳定值时,比环境温度高出的数值(该参数越小越好)。

二极管 Diode

半导体是导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,根据掺杂元素的情况,可以具体划分为本征半导体N 型半导体P 型半导体三种类型:

  1. 本征半导体:纯净的半导体(原子核最外层有 4 个电子的等),导电能力较弱(掺入杂质后可通过富余的空穴和电子提高导电能力)。
  2. N 型半导体:向纯净半导体中掺入五价元素(原子核最外层只有 5 个电子的等),半导体中存在大量带有负电荷电子
  3. P 型半导体:向纯净半导体中掺入三价杂质(原子核最外层只有 3 个电子的等),半导体中存在大量带有正电荷空穴

当包含有空穴的 P 型半导体和包含有电子的 N 型半导体结合在一起时,由于两边正负电荷的相互扩散,就会在 P 型和 N 型半导体中间形成 PN 结

从包含有 PN 结的P 型半导体N 型半导体两端,分别引出一个电极并且封装起来,就构成了二极管,其基本结构与电路符号如下面示意图所示:

注意P 型半导体一侧的电极称为正极(Positive),N 型半导体一侧的电极称为负极(Negative)。

单向导电性

二极管具有正向导通、反向截止的特性,也就是所谓的二极管的单向导电性

  • 正向导通:二极管的正极连接电源的正极,而负极连接电源的负极,此时二极管处于导通状态。
  • 反向截止:二极管的正极连接电源的负极,而负极连接电源的正极,此时二极管处于截止状态。

伏安特性曲线

二极管的伏安特性曲线用来说明施加到二极管两端的电压 \(U\) 与通过的电流 \(I\) 之间的关系(第一象限的曲线描述的是二极管的正向特性,而第三象限的曲线描述的则是二极管的反向特性):

  • 正向特性:即二极管被施加正向电压(二极管正极接高电位,负极接低电位)时的特性,向二极管施加正向电压时不一定能导通,只有正向电压达到正向导通电压时才能够导通。
  • 反向特性:即二极管被施加反向电压(二极管正极接低电位,负极接高电位)时的特性,向二极管施加反向电压时不会导通,当达到反向击穿电压的时候,二极管就会由于被反向击穿而失去单向导电性。

注意硅基二极管的正向导通电压通常为 0.7V,而锗基二极管的正向导通电压一般为 0.3V

性能参数

阅读二极管数据手册进行选型工作的时候,需要重点关注下面表格当中列出的参数指标:

参数名称 符号 参数功能描述
最大直流反向电流 \(I_R\) 二极管反向截止时,通过二极管的漏电流(通常在微安 uA 级别)。
最大正向平均电流 \(I_F\) 二极管长时间正向导通时,在允许温升的条件下,所通过的最大平均电流值(该参数与 PN 结的尺寸以及封装的散热能力有关)。
最大正向电压 \(V_F\) 二极管正向导通时,当 \(I_F\) 为指定电流值(例如 10mA )的时候,所测得的导通电压。
最大反向峰值电压 \(V_{RRM}\) 二极管反向截止时,二极管所允许承受的最大重复峰值电压。
最大有效值电压 \(V_{RMS}\) 二极管反向截止时,峰值电压乘以 0.707 倍之后,所得到的电压真有效值。
正向峰值浪涌电流 \(I_{FSM}\) 二极管正向导通时,在特定的短暂时间内(例如 8.3 ms),最大所允许通过的瞬时电流,一旦超过将会导致损坏。
PN 结工作温度 \(T_J\) PN 结长时间正常工作时的温度范围,例如 –55°C ~ +150°C
典型 PN 结电容 \(C_J\) 二极管反向截止时,施加 4.0V 的反向电压,在 1MHz 频率下测得的 PN 结电容值。
反向恢复时间 \(t_{rr}\) 二极管从正向导通状态,切换至反向截止状态所需要的时间。

注意:通常情况下,普通二极管带有划线标记的一端为负极,而另外一端则属于正极

整流二极管

利用二极管的单向导电特性,可以将交流电转换为直流电。因为只有在交流电的正半周,二极管才会导通,而在交流电的负半周,二极管不会导通,所以整流二极管只会保留交流电的正半周,这种方式称作半波段整流

要实现全波段整流的效果,提升转换效率,则必须使用整流桥,这是一种由多个二极管组合在一起构成的元器件(整流桥缺角的一端属于正极):

整流桥也称为桥式整流器,其通常带有四个引脚(其中标注有 ~ 的两个引脚为交流输入端,而分别标注有 +- 的则属于直流输出端),典型的应用电路如下图所示::

开关二极管

开关二极管正是利用了二极管的正向导通、反向截止特性,实现了类似开关一样的功能,并且开关的速度极其迅速:

这类二极管最大的特点在于其反向恢复时间 \(t_{rr}\) 通常在纳秒级别,而普通二极管的 \(t_{rr}\) 通常在微秒级别:

向开关二极管施加正向电压时电流通过(表示打开),施加反向电压时电流停止(表示关闭),具体过程可以参考下面的示意图:

肖特基二极管

肖特基二极管也称为肖特基势垒二极管(SBD,Schottky Barrier Diode),利用的是金属N 型半导体结合时,所产生的肖特基势垒原理:

肖特基二极管的优点在于正向导通电压 \(V_F\) 相比普通二极管更低,通过相同电流时所消耗的功率更少。同时反向恢复时间 \(t_{rr}\) 非常短,开关频率特别高。而缺点在于漏电流 \(I_R\) 比较大,可能会因为持续的发热而损毁,使用时需要特别注意:

齐纳稳压二极管

稳压二极管也称为齐纳二极管(Zener Diode),通常在电路当中起到稳压的作用,其电路符号如下图所示:

稳压二极管使用的时候,需要反接在电路当中(负极接高电位,正极接低电位),其正接时的性质与普通二极管相同:

下面的电路是稳压二极管的典型接法,其中的 \(E\) 代表电压源,而 \(U_{VZ}\) 代表的是稳压二极管(稳压值为 5V)的输出电压:

  1. 当外加电压低于稳压二极管的稳压值时,稳压二极管无法导通,此时没有稳压功能(这种情况下,如果上述电路当中的 \(E = 4V\),那么 \(U_{VZ} = 4V\))。
  2. 当外加电压高于稳压二极管的稳压值时,稳压二极管反向击穿导通,并且会保持两端电压不变,电压的大小等于稳压值(这种情况下,如果上述电路当中的 \(E = 8V\),那么 \(U_{VZ} = 5V\))。

进行稳压二极管选型的时候,需要特别关注如下表格当中的三个参数:

参数名称 符号 参数功能描述
稳压范围 \(V_{ZT}\) 也称为齐纳电压范围,稳压二极管工作在反向击穿状态时,两端的电压范围。
反向电流 \(I_R\) 稳压二极管正常工作时所允许通过的反向电流。
耗散功率 \(P_D\) 稳压二极管通过反向电流时允许消耗的最大功率,其值等于稳压值 \(V_{ZT}\) 与反向电流 \(I_R\) 的乘积。

注意:为了确保稳压二极管能够可靠工作,使用的时候总是需要串联上一枚限流电阻

瞬态电压抑制二极管

瞬态电压抑制二极管(TVS,Transient Voltage Suppressors)是一种用于过电压保护静电释放(ESD,Electro-static Discharge)的元器件,当两极之间的电压超过一定值时,就能够以极快的速度导通,并且钳制电压到预定值范围。根据导通方向的不同,可以将其划分为单向型双向型两种类型:

瞬态电压抑制二极管通常会在接地之后,并联在电路当中使用。下面的电路将瞬态电压抑制二极管并联在电源与 IC 之间,当电路正常工作时,二极管处于截止状态,只会消耗一定的漏电流。而当电路上出现浪涌电压的时候,二极管就会转换为导通状态,此时耗散的则是脉冲电流,同时还会钳制通过的电压,进而保护后级 IC 的正常稳定工作:

瞬态电压抑制二极管的极性,主要用于标识其保护作用属于单向还是双向,通常情况下采用的都是双向瞬态电压抑制二极管,因为它可以同时钳制浪涌电压的正负脉冲

注意整流二极管肖特基势垒二极管利用的都是二极管的正向特性,而瞬态电压抑制二极管齐纳稳压二极管利用的则是二极管的反向特性

发光二极管

发光二极管(LED,Light Emitting Diode)同样是由 N 型半导体和 P 型半导体结合而成,当两端施加正向电压时,电子与空穴不断结合所释放的能量,就会转变为可见光,这个过程可以参考下面的示意图:

发光二极管通常会与一枚限流电阻串联起来使用,该限流电阻的阻值 \(R\) 可以通过公式 \(\frac{输入电压 V_{in} - 发光二极管正向电压 V_F}{发光二极管正向电流 I_F}\) 计算得到:

接下来,以国星光电 的贴片式发光二极管为例,其 040206030805 三种常用封装的正向电压 \(V_F\)正向电流 \(I_F\)耗散功率 \(P_D\) 三个参数基本一致(仅发光强度上有所区别,大尺寸封装的 LED 会更亮):

LED 颜色 正向电压 \(V_F\) 正向电流 \(I_F\) 耗散功率 \(P_D\)
红色 1.6V ~ 2.6V 20mA 65mW
黄色 1.6V ~ 2.6V 20mA 65mW
橙色 1.6V ~ 2.6V 20mA 65mW
黄绿色 1.6V ~ 2.6V 5mA 65mW
白色 2.6V ~ 3.6V 5mA 72mW
蓝色 2.6V ~ 3.6V 10mA 72mW
翠绿色 2.6V ~ 3.6V 10mA 72mW

三极管 Triode

三极管又称为晶体三极管,根据其结构和电气特性可以划分为 NPNPNP 两种类型,它们的电路符号如下所示(箭头朝外 NPN,箭头朝内 PNP):

基本结构

PNP 型三极管是由两个 P 型半导体 和一个 N 型半导体 共同构成(电流是从发射极进入):

NPN 型三极管则是由两个 N 型半导体 和一个 P 型半导体 共同构成(电流是从集电极进入):

三极管的 3 个电极分别被称为集电极Collector)、基极Base)、发射极Emitter),这三个电极之间会形成 2 个 PN 结:

  • 发射结:基极和发射极之间的 PN 结。
  • 集电结:基极与集电极之间的 PN 结。

正是这 2 个 PN 结又会将三极管内部,划分为如下的 3 个区域:

  • 发射区:跟发射极相连的区域,发射区的本征半导体掺杂浓度较高,存在有大量电荷,可以发射电荷。
  • 集电区:跟集电极相连的区域,集电区本征半导体的面积非常大,从而便于收集发射区传递过来的电荷。
  • 基区:跟基极相连的区域,基区处于上述两者之间,掺杂浓度低并且面积较小。由于从发射区进入集电区的电荷都要经过基区,所以基区可以控制发射区流向集电区的电荷数量。

三种工作状态

偏置电路用于向 NPN 和 PNP 三极管的各个,提供相应的工作电压,从而使其运行在不同的工作状态:

  1. 放大状态:发射结正偏导通,集电结反偏。此时基极电流 \(I_B\) 流入,三极管内部导通,集电极电流 \(I_C\) 进入到三极管内部,在与基极电流 \(I_B\) 汇合之后,形成发射极电流 \(I_E\) 输出;
  2. 饱和状态:发射结和集电结都正偏导通,此时基极电流 \(I_B\) 不断增大,集电极电流 \(I_C\) 也会不断增大,当两者增大到一定程度时,\(I_C\) 无法再伴随 \(I_B\) 进一步增大,两者的大小关系就会维持不变。换而言之,基极电流 \(I_B\) 无法再控制 集电极电流 \(I_C\)
  3. 截止状态:发射结电压小于开启电压(0.7V),集电结反偏。此时基极电流 \(I_B\) 为零,三极管内部无法导通,集电极电流 \(I_C\) 无法进入三极管,致使发射极电流 \(I_E\) 也为零;

接下来以一系列共集电极放大电路为例,来说明上述的三种工作状态。下图 NPN 三极管偏置电路 当中的 \(U_C = 4V\)\(U_B = 2.5V\)\(U_E = 1.8V\),此时 \(U_B - U_E = 0.7V\) 发射结正偏导通,而 \(U_C > U_B\) 集电结反偏,三极管处于放大状态

当偏置电路中的 NPN 与 PNP 三极管工作在放大状态时,其三个引脚之间的电压电流关系总是会遵循下面的规律(其中的 \(\beta\) 是三极管的电流放大倍数):

\[ \begin{align} 所有三极管& \implies I_E = I_B + I_C \\ 所有三极管& \implies I_C = \beta \cdot I_B \\ NPN 型三极管& \implies U_E < U_B < U_C \\ PNP 型三极管& \implies U_E > U_B > U_C \end{align} \]

下图 NPN 三极管偏置电路 当中的 \(U_C = 4.7V\)\(U_B = 5V\)\(U_E = 4.3V\),此时 \(U_B - U_E = 0.7V\) 发射结正偏导通,而 \(U_B > U_C\) 集电结同样正偏,三极管处于饱和状态

下图 PNP 三极管偏置电路 当中的 \(U_C = 0V\)\(U_B = 6V\)\(U_E = 6V\),此时 \(U_B - U_E = 0V\) 发射结零偏不导通,而 \(U_B > U_C\) 集电结反偏,三极管处于截止状态

基本放大电路的接法

由单个三极管构成的放大电路称为基本放大电路,根据不同的偏置电路连接方法,可以划分为如下三种基本接法:

  • 共射极放大电路:既能放大电流又能放大电压输入电阻居于三种接法的中位,输出电阻比较大,频带较窄,通常用于低频电压放大电路
  • 共集极放大电路:只能放大电流不能放大电压输入电阻在三种接法当中最大,输出电阻最小,并且具有电压跟随的特点,通常用于电压或功率放大电路
  • 共基极放大电路:只能放大电压不能放大电流输入电阻最小,电压放大倍数输出电阻与共射极放大电路相当,且具有电流跟随的特点,在三种接法当中高频特性最好,通常用于宽频带放大电路

注意:基本放大电路的输入回路输出回路的公共端(也就是)在三极管的哪个极,就可以称其为共 X 极放大电路

数据手册参数

三极管的数据手册,通常会将重点参数划分为最大额定值(Maximum Ratings)和电器特性(Electrical Characteristics)两个部分,具体可以参见下面的表格:

参数(最大额定值) 参数名称(中文) 参数名称(英文)
\(V_{CBO}\) 集电极-基极电压 Collector-Base Voltage
\(V_{CEO}\) 集电极-发射极电压 Collector-Emitter Voltage
\(V_{EBO}\) 发射极-基极电压 Emitter-Base Voltage
\(I_{B}\) 基极电流 Base Current-Continuous
\(I_{C}\) 集电极电流 Collector Current-Continuous
\(I_{E}\) 发射极电流 Emitter Current-Continuous
\(P_{C}\) 耗散功率 Collector Power Dissipation
\(T_{j}\) 结温 Junction Temperature
\(T_{stg}\) 储存温度 Storage Temperature
参数(电器特性) 参数名称(中文) 参数名称(英文)
\(V_{(BR)CBO}\) 集电极-基极击穿电压 Collector-base Breakdown Voltage
\(V_{(BR)CEO}\) 集电极-发射极击穿电压 Collector-emitter Breakdown Voltage
\(V_{(BR)EBO}\) 发射极-基极击穿电压 Emitter-base Breakdown Voltage
\(I_{CBO}\) 集电极-基极截止电流 Collector Cut-off Current
\(I_{CEO}\) 集电极-发射极截止电流 Collector Cut-off Current
\(I_{EBO}\) 发射极-基极截止电流 Emitter Cut-off Current
\(hFE\) 直流电流增益 DC Current Gain
\(V_{CE}(sat)\) 集电极-发射极饱和压降 Collector-emitter Saturation Voltage
\(V_{BE}(sat)\) 发射极-基极饱和压降 Base-emitter Saturation Voltage

注意:三极管之所以被称为电流控制元件,是因为其本质是通过控制一个较小的电流(基极电流 \(I_B\))来影响或者控制一个较大的电流(集电极电流 \(I_C\)、发射极电流 \(I_E\))。

达林顿管

达林顿管包含有两个或者多个三极管,其中第 1 个三极管的集电极直接连接至第 2 个三极管的基极。这种连接方式会让其具有高电流放大倍数大输入电阻良好的温度稳定性等特点,被广泛应用于开关电路、放大电路、功率控制电路:

  • 第 1 个三极管放大之后的电流,可以进一步被第 2 个三极管放大,从而实现了电流放大特性的成倍叠加,因而具有更高的电流放大倍数 \(\beta\)
  • 增大了达林顿三极管的输入电阻,有助于降低输入电路对于信号源的影响,提高输出信号的稳定性。
  • 改善温度稳定性,虽然内部各个三极管的工作参数会受到温度的影响而变化,但是各极之间的相互连接关系,往往能够部分抵消这些变化。

上图当中的 TIP122(NPN,上图右)以及 TIP127(PNP,上图左)都属于比较常见的达林顿管,它们都具备高达 1000 的电流放大倍数,且基极与发射极之间只需要维持 \(V_{EBO} = 5V\) 的电压,而基极电流仅为 \(I_B = 120mA\),通常外接至微控制器的 GPIO 端口,对一些大电流的负载进行开关控制。

而上图当中的 ULN2003A 则属于高电压、大电流的达林顿管阵列,片上主要由 7 对具备高压输出能力的 NPN 型达林顿管组成,并且带有用于开关感性负载的共阴极钳位二极管。下图是使用其驱动电机、电位器、电磁阀等感性负载时的典型应用电路:

注意:微控制器的外围电路经常会使用到 ULN2003A 去驱动一些高电压(50V)或者大电流(500mA)的外设。

光电耦合器

光电耦合器(OC,Optical Coupler)简称光耦,是一种以光作为媒介来传递电平信号的元器件。内部由一个发光元件(发光二极管)和一个光敏元件(光电三极管)共同组成,通过不断的执行 电 → 光 → 电 的转换过程,在传输信号的同时还可以起到保护隔离的作用,下面是经典的 PC817A 型光耦的剖面示意图:

对于一侧是低电压的微控制器电路,而另外一侧是高电压的功率控制端,这种情况下就可以选用光耦进行隔离控制。除此之外,由于光耦的输入端属于电流驱动的低阻元件,因而具备较强的共模抑制能力,可以应用在长距离信号传输当中提升信噪比(光耦封装上的小圆点标注的是第 1 号引脚)。

对光电耦合器进行选型时,需要分别关注其输入端(可视为发光二极管)和输出端(可视为光电三极管集电极发射极)的相关参数。下图左侧展示的是光耦典型应用电路,而右侧呈现的是光耦通信时的输入输出信号状态:

除开二极管、三极管的各种通用参数之外,还需要额外关注输出脉冲信号的上升时间 \(t_r\)(从输出脉冲的 10% → 90% 所需的时间)和下降时间 \(t_f\)(从输出脉冲的 90% → 10% 所需的时间),这两个参数通常在微秒级别,两者之和(不考虑信号的持续时间)即为光耦通信速率的上限。

三端稳压器

三端稳压器是一款由许多三极管构成的串联型稳压芯片,比较常用的有正电压输出78XX 系列,以及负电压输出79XX 系列(最后的尾数 XX 表示的是稳压值),它们通常会采用如下三个引脚的封装形式(这些引脚分别为输入输出):

三端稳压器的工作原理主要依赖于反馈控制,即当输入电压发生变化时,通过内部 基准电压源比较放大器误差放大器 的协同工作,以维持一个稳定的电压输出(下面是 78XX 系列的内部原理图):

注意:在进行三端稳压器选型的时候,需要额外注意 输入电压 \(V_{in}\) 必须始终高于 输出电压 \(V_{out}\),两者之间必须维持一个合理的压差。

可控硅 SCR

可控硅(SCR,Silicon Controlled Rectifier)通常被称作晶闸管,是一种外形尺寸比较硕大的元器件(也存在尺寸相对小巧的贴片或者直插式封装),被广泛应用于 高电压大电流大功率 的工作场景:

单向可控硅

单向晶闸管顾名思义只能单向导通,其拥有着 阳极(A)、控制极(G)、阴极(K)三个引脚,对应的电路符号如下图所示:

单向晶闸管的内部结构如下图左侧所示,我们可以将其等效为下图右侧的一个 PNP 型三极管与一个 NPN 型三极管的相互连接:

下面是一个单向晶闸管的偏置电路,其中的电源 \(E_2\) 通过电阻 \(R_2\) 为单向晶闸管的 A 极K 极 提供正向电压 \(U_{AK}\),而电源 \(E_1\) 经过电阻 \(R_1\)开关 \(S\) 为单向晶闸管的 G 极K 极 提供正向电压 \(U_{GK}\)

  • 开关 \(S\) 处于断开状态的时候,单向晶闸管内部的三极管 \(VT_1\) 没有基极电流 \(I_{B1}\) 通过无法导通,同样的 \(VT_2\) 也无法导通(电流 \(I_2 = 0A\)),此时单向晶闸管处于截止状态
  • 开关 \(S\) 处于闭合状态的时候,电源 \(E_1\) 开始向三极管 \(VT_1\) 提供基极电流 \(I_{B1}\),此时由于三极管 \(VT_2\)基极电流 \(I_{B2}\) 会经过三极管 \(VT_1\) 的集电极和发射极,从而使得三极管 \(VT_1\)\(VT_2\) 先后导通。此时三极管 \(VT_2\)集电极电流 \(I_{C2}\)电源 \(E_1\) 提供的电流汇合,形成一股更大的电流 \(I_{B1}\) 进入三极管 \(VT_1\) 的发射极,由于三极管 \(VT_1\) 的导通程度越深,通过的集电极电流 \(I_{C1}\) 就会越大,导致三极管 \(VT_2\)基极电流 \(I_{B2}\) 以及集电极电流 \(I_{C2}\) 也随之增大,从而形成正反馈

  1. 正反馈会使得三极管 \(VT_1\)\(VT_2\) 都进入饱和状态,基极电流 \(I_{B2}\) 以及集电极电流 \(I_{C2}\) 都来源于三极管 \(VT_2\)发射极(即单向晶闸管的 A 极),最后从三极管 \(VT_1\)发射极 流出(即单向晶闸管的 K 极),此时单向晶闸管导通
  2. 单向晶闸管导通之后,即使开关 \(S\) 断开,三极管 \(VT_2\)基极电流 \(I_{B2}\) 以及 集电极电流 \(I_{C2}\) 会继续存在,单向晶闸管持续导通
  3. 如果此时调低电源 \(E_2\) 的电压,那么流入单向晶闸管 A 极的电流也会随之减小,当 \(E_2\) 的电压被调整至极低的时候(接近于 0V),流入单向晶闸管 A 极的电流也就会接近于 0A,此时单向晶闸管就进入截止状态。

综上所述,我们可以将单向晶闸管的主要特点,归结为如下这四个方面:

  1. 无论 A 极K 极 之间施加任何电压,只要 G 极K 极 之间未被施加正向电压,单向晶闸管都无法导通
  2. 只有 A 极K 极之间施加正向电压,并且 G 极K 极 之间也施加一定的正向电压,单向晶闸管才能够导通
  3. 单向晶闸管导通之后,即使撤掉其 G 极K 极之间的正向电压,单向晶闸管仍然能够继续维持导通状态。
  4. 如果要让已经导通的单向晶闸管进入截止状态,要么让流入单向晶闸管 A 极的电流减小至其维持电流 \(I_H\),要么使其 A 极K 极 之间的正向电压 \(U_{AK}\) 减小至 0V,或者直接施加一个反向电压(简而言之,只能控制开,无法控制关)。

重点选型参数

单向晶闸管元器件进行选型时,需要重点关注下面表格当中的一系列参数:

参数名称 符号 解释
正向断态重复峰值电压 \(U_{DRM}\) 指在单向晶闸管关断,并且 G 极 开路的情况下,允许重复施加到 A 极K 极 之间的最大正向峰值电压。
反向重复峰值电压 \(U_{RRM}\) 是指在 G 极开路的时候,允许施加到单向晶闸管 A 极K 极 之间的最大反向峰值电压(\(U_{DRM}\)\(U_{RRM}\) 两个参数通常比较接近)。
控制极 / G 极触发电压 \(U_{GT}\) 指室温条件下,当 A 极K 极 之间施加指定电压的时候,能够使单向晶闸管从截止转变为导通,所需的最小 G 极直流电压
控制极 / G 极触发电流 \(I_{GT}\) 指室温条件下,当 A 极K 极 之间施加指定电压的时候,能够使单向晶闸管从截止转变为导通,所需的最小 G 极直流电流
通态平均电流 \(I_T\) 指室温条件下,能够连续通过 50Hz 正弦波的电流平均值。
维持电流 \(I_H\) 指在 G 极开路的条件下,能够维持单向晶闸管持续导通的最小正向电流。

双向可控硅

双向晶闸管能够双向导通,其拥有主电极 \(T_1\)主电极 \(T_2\)控制极 \(G\) 三个引脚,对应的电路符号(下图左侧)和内部结构(下图右侧)如下所示:

当向双向晶闸管\(T_1\)\(T_2\) 极之间施加正向电压\(U_{T2} > U_{T1}\))的时候,如果其 G 极没有施加电压,那么 \(T_1\)\(T_2\) 极之间就不会导通。如果在 \(G\) 极与 \(T_1\) 极之间施加正向电压\(U_{G} > U_{T1}\)),那么 \(T_1\)\(T_2\) 极之间将会马上导通,电流会由 \(T_2\) 极流入,并从 \(T_1\) 极流出。此时即使移除 G 极电压,双向晶闸管的 \(T_1\)\(T_2\) 极之间仍然处于导通状态。换而言之,当 \(U_{T2} > U_{G} > U_{T1}\) 的时候,双向晶闸管就会导通,电流会从 \(T_2\) 极流入 \(T_1\) 极流出,此时即使移除 G 极电压,晶闸管仍然能够保持导通:

当向双向晶闸管\(T_1\)\(T_2\) 极之间施加反向电压\(U_{T2} < U_{T1}\))时,如果其 G 极没有施加电压,那么 \(T_1\)\(T_2\) 极之间就不会导通。如果在 \(G\) 极与 \(T_1\) 极之间施加反向电压\(U_{G} < U_{T1}\)),那么 \(T_1\)\(T_2\) 极之间将会立刻导通,电流会由 \(T_1\) 极流入,并从 \(T_2\) 极流出。此时即使移除 G 极电压,双向晶闸管的 \(T_1\)\(T_2\) 极之间仍然处于导通状态。换而言之,当 \(U_{T1} > U_{G} > U_{T2}\) 的时候,双向晶闸管就会导通,电流会从 \(T_1\) 极流入 \(T_2\) 极流出,此时即使移除 G 极电压,晶闸管仍然能够保持导通:

当双向晶闸管导通之后,即使移除 G 极电压其仍然能够保持导通状态。此时如果需要关断双向晶闸管,使其进入截止状态,那么可以采取如下任意一种措施:

  1. 让流过主电极 \(T_1\)主电极 \(T_2\) 极的电流减小至维持电流 \(I_H\) 以下。
  2. 主电极 \(T_1\)主电极 \(T_2\) 极之间的电压置为 0V,或者直接施加一个反向电压(依然是只能导通,无法关断 (•ิ_•ิ) )。

场效应管 FET

晶体管(Transistor)是一种以固态半导体作为制造原材料的元器件,通常都至少拥有三只引脚,可以划分为如下一系列类型:

  • 双极型晶体管BJT,Bipolar Junction Transistor):即前面介绍的三极管,如前所述,可以划分为 NPN 型和 PNP 型两种。
  • 单极型晶体管FET,Field Effect Transistor):即本节内容即将介绍的场效应管,根据材料还可以细分为 JFET(结型)和 MOSFET(金属氧化物型),两者还可以进一步被划分为 N 沟道P 沟道 类型。

注意双极型晶体管的载流子包含电子空穴两种,类似于拥有两个极性,所以称为双极型;而在单极型晶体管当中,只存在电子或者空穴两种载流子当中的一种,类似于只存在着一个极性,因而被称为单极型

虽然场效应管和之前讨论过的三极管在外形上都拥有着三只引脚,但是场效应管的核心原理是通过栅极源极两端的电压,来控制漏极的电流,因而被称为压控型元器件。而三极管则是通过基极电流 \(I_B\) 控制集电极电流 \(I_C\),所以被称为流控型元器件。

结型场效应管 JFET

如前所述,结型场效应管 JFET 可以划分为 P 沟道N 沟道两种类型,因其工作电流非常小(最大仅有 500mA,大部分低于 100mA),导致应用场合十分有限,仅有百余种型号,它们的电路符号如下图所示:

  • N 沟道结型场效应管(下图左侧):内部两块 P 型半导体通过导线连接(引出 G 极),除此之外的部分均为 N 型半导体,在 P 型和 N 型半导体的交界处会形成两个 PN 结,它们中间的区域称为沟道(两端分别引出 D 极S 极)。由于该沟道由 N 型半导体构成,所以称为 N 沟道
  • P 沟道结型场效应管(下图右侧):内部两块 N 型半导体同样通过导线连接(引出 G 极),中间的沟道P 型半导体制成(分别引出 D 极S 极),此时交界处会形成两个 PN 结,中间的沟道也就称作 P 沟道

注意:上述示意图当中的栅极Gate)也被称作 G 极漏极Drain)也称作 D 极,而 源极Source)被称为 S 极

以下图虚线框中的 N 沟道结型场效应管 为例,当向 D 极S 极之间施加正向电压 \(U_{DS}\) 时,就会有电流从 D 极 流向 S 极。此时如果再在 G 极S 极之间施加一个反向电压 \(U_{GS}\),就会导致内部的两个 PN 结增厚(沟道变窄),由 D 极流向 S 极的电流 \(I_D\) 就会随之减小:

由此可见,改变 G 极S 极之间的电压 \(U_{GS}\),就能改变从 D 极 流向 S 极 的电流 \(I_D\),并且电流 \(I_D\) 的变化幅度要远大于电压 \(U_{GS}\),这正是结型场效应管的放大原理所在。通常我们使用 跨导 \(g_m\) 来衡量结型场效应管 JFET 的放大能力(单位为西门子 S):

\[ g_m = \frac{\Delta I_D}{\Delta U_{GS}} \]

如果向 N 沟道结型场效应管G 极S 极 之间施加正向电压 \(U_G > U_S\),其内部两个 PN 结就会导通,此时无论如何增大 G 极S 极 之间的正向电压,沟道宽度都不会变化,电流 \(I_D\) 也不会发生变化。换而言之,向 G 极S 极之间施加正向电压的时候,无法控制电流 \(I_D\) 的变化:

综上所述,向 N 沟道结型场效应管G 极S 极 之间施加反向电压 \(U_G < U_S\),而 P 沟道结型场效应管G 极S 极之间施加正向电压 \(U_G > U_S\),就可以确保它们能够正常工作。无论是 N 沟道还是 P 沟道的结型场效应管,它们都存在有如下几个重要参数:

  • 跨导 \(g_m\):当电压 \(U_{DS}\) 为一个确定值的时候,该参数的值等于 电流 \(I_D\) 变化量与电压 \(U_{GS}\) 变化量的比值 \(g_m = \frac{\Delta I_D}{\Delta U_{GS}}\),这个参数主要反映了 G 极S 极之间的电压,对于 D 极电流的控制能力。
  • 夹断电压 \(U_{P}\):当电压 \(U_{DS}\) 为一个确切的值,使得 电流 \(I_D\) 减小至近似为 0A 时候,\(U_{GS}\) 的电压值。
  • 漏源极最大电压 \(U_{DS}\):是指漏极与源极之间的最大击穿电压,即电流 \(I_D\) 急剧增大时候的 \(U_{DS}\) 值。
  • 饱和漏极电流 \(I_{DSS}\):是指当 \(U_{GS} = 0V\),并且 \(U_{DS}\) 大于夹断电压 \(U_P\) 时候的沟道电流

金属氧化物场效应管 MOSFET

金属氧化物场效应管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)由于名称过于冗长,所以经常被简称为 MOS 管,主要分为耗尽型增强型两种,每种类型又可以进一步细分为 P 沟道N 沟道,具体关系可以参考下面的示意图:

增强型

根据增强型 MOS 管内部的导电沟道是形成在 N 型 还是 P 型 半导体之间,可以将其细分为 N 沟道P 沟道 两种类型,分别称作增强型 NMOS 管增强型 PMOS 管,它们的电路符号分别如下图所示:

实际生产环境下,增强型 NMOS 会更加常用,所以接下来就以 NMOS 管为例来讨论其内部结构。首先,增强型 NMOS 管采用 P 型 半导体作为衬底,在上面制作出两个含有较多杂质的 N 型 半导体,并覆盖上一层极薄的 \(SiO_2\) 二氧化硅绝缘层。然后在两个 N 型 半导体上分别引出漏极Drain)和源极Source),再在两极中间的二氧化硅绝缘层上制作出一层金属导电层,并从该导电层上引出栅极Gate):

增强型 NMOS 管需要施加相应的电压才能够正常工作,在下面的示例电路当中,电源 \(E_1\) 通过电阻 \(R_1\) 连接到 NMOS 管的 D 极S 极,而电源 \(E_2\) 通过开关 \(S\) 连接到 NMOS 管的 G 极S 极

  1. 当开关 \(S\) 断开时,增强型 NMOS 管的 G 极上没有电压,并且 D 极S 极所连接的两个 N 型半导体区域之间没有导电沟道,所以两个 N 型半导体区域之间无法导通,通过的电流为 0A
  2. 当开关 \(S\) 闭合时,增强型 NMOS 管的 G 极获得正向电压\(U_G > U_S\)),此时与 G 极相连接的金属导电层上存在有电荷,产生的电场会穿过二氧化硅绝缘层,将 P 型半导体衬底上的大量电子吸引到 \(SiO_2\) 层一侧,进而在两个 N 型半导体区域之间形成一条导电沟道,导通 D 极S 极 并且输出电流 \(I_D\)
  3. 改变电源 \(E_2\) 输出电压的大小,就会相应的改变 G 极S 极之间的电压 \(U_{GS}\),致使 G 极所连接铝电极上的电场也随之变化,进而引发 \(SiO_2\) 绝缘层下电子数量的变化,并使得两个 N 型半导体区域之间的沟道宽度发生改变,流过的电流 \(I_D\) 也就相应的改变。

综上所诉,就是依靠金属导电层上产生的电场,吸引半导体衬底上的电子,从而产生导电沟道与电流,基于此可以总结出增强型 NMOS 管的如下特点:

  1. 当没有向 G 极S 极 之间施加电压的时候(\(U_{GS} = 0V\)),在 D 极S 极之间不会形成导电沟道,D 极上的输出电流 \(I_D = 0A\)
  2. G 极S 极之间施加上合适的电压时(开启电压,即刚形成导电沟道时的栅源极电压 \(U_{GS(th)}\)),就会在 D 极S 极之间形成导电沟道,D 极上开始输出电流 \(I_D\)
  3. G 极S 极之间的电压 \(U_{GS}\) 发生变化时,导电沟道的宽度也会随之变化,致使电流 \(I_D\) 也会发生变化;

增强型 NMOS 管和 PMOS 管形成导电沟道的条件,分别如下面所示:

  • 增强型 NMOS 管:需要向 G 极与 S 极之间施加正向电压\(U_G > U_S\)),才会在 D 极与 S 极之间形成导电沟道;
  • 增强型 PMOS 管:需要向 G 极与 S 极之间施加反向电压\(U_G < U_S\)),才会在 D 极与 S 极之间形成导电沟道;

注意跨导 \(g_m = \frac{\Delta I_D}{\Delta U_{GS}}\) 同样可以用于衡量金属氧化物场效应管 MOSFET 的放大能力(单位为西门子 S)。

耗尽型

耗尽型 MOS 管同样根据内部导电沟道是形成在 N 型 还是 P 型 半导体之间,被细分为 N 沟道P 沟道 两种类型,分别称作耗尽型 NMOS 管耗尽型 PMOS 管,它们的电路符号分别如下面所示:

注意:相比于增强型 MOS 管,耗尽型 MOS 管的型号非常稀少(仅十余种),因而实际工作当中极少被使用。

耗尽型 NMOS 管的内部构造与增强型 NMOS 管类似,不同之处在于 \(SiO_2\) 绝缘层中掺有大量含有正电荷的杂质(而耗尽型 PMOS 管掺入的是带有负电荷的杂质),从而吸引衬底当中的大量电子,并在两个 N 型半导体区域之间形成导电沟道

相较于增强型 MOSFET,耗尽型 MOS 管由于向 \(SiO_2\) 绝缘层掺入了大量带有正电荷的杂质,即使 G 极S 极之间没有施加电压(\(U_{GS}=0V\)),在 D 极S 极之间依然也会存在着导电沟道,此时电流 \(I_D\) 并不会等于 0A;当 G 极S 极之间施加反向电压 \(U_{GS}\) 的时候,才会影响到导电沟道的宽度,进而使得通过的电流 \(I_D\) 发生变化。换而言之,耗尽型 MOSFET 的最大特点在于栅极电压为零或者比较小的时候就已经处于导通状态(因为导电沟道已经存在)。

  • 耗尽型 NMOS 管:如果 G 极与 S 极之间施加正向电压\(U_G > U_S\)),那么 D 极S 极之间的导电沟道变宽,漏极电流 \(I_D\) 才会增大;反之如果施加反向电压\(U_G < U_S\)),那么 D 极S 极之间的导电沟道变窄,漏极电流 \(I_D\) 就会减小。
  • 耗尽型 PMOS 管:如果 G 极与 S 极之间施加反向电压\(U_G < U_S\)),那么 D 极S 极之间的导电沟道变宽,漏极电流 \(I_D\) 才会增大;反之如果施加正向电压\(U_G > U_S\)),那么 D 极S 极之间的导电沟道变窄,漏极电流 \(I_D\) 就会减小。

综上所述,耗尽型 MOS 管 分别在 \(U_{GS} > 0\)\(U_{GS} = 0\)\(U_{GS} < 0\) 这三种情况下,都总是会形成导电沟道并且通过电流 \(I_D\)(但是通过的电流大小会有所区别),因而电路设计时可以将其作为常开开关来使用,选型的时候则需要注意如下表格当中的三个参数:

参数名称 符号 描述
漏极到源极的击穿电压 \(BV_{DSX}\) 选型时注意保留一定的安全裕量,以适应正常的电压波动,以及瞬态浪涌或者干扰引发的电压尖峰。
漏极到源极的最小饱和电流 \(I_{DSS}\) 栅极与源极电压为零 \(U_{GS} = 0\) 时,在特定漏极与源极电压 \(U_{DS}\) 下面通过的漏极电流。
栅极到源极的截止电压 \(V_{GS(OFF)}\) 反向增加 耗尽型 NMOS 管 的栅极与源极电压 \(U_{GS}\),或者正向增加 耗尽型 PMOS 管 的栅极与源极电压 \(U_{GS}\) 的时候,漏极电流 \(I_D\) 都将会逐渐减小,直至 \(U_{GS} = V_{GS(OFF)}\) 的时候就会停止导通。

绝缘栅双极晶体管 IGBT

绝缘栅双极晶体管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种由场效应管三极管共同构成的复合型元器件,其兼具有三极管的大功率特性和场效应管的高速转换电压驱动特点,被广泛运用于各种功率电路当中(耐压值达到 6500V,单管芯电流可达到 200A,开关频率可以达到 300kHz)。该元器件同样被划分为 N 沟道P 沟道两种类型,它们的电路符号分别如下图所示:

观察上面的符号,可以看到 IGBT 拥有着 集电极Collector)、栅极Gate)、发射极Emitter)三个引脚,接下来以目前比较主流的 N 沟道型 IGBT 为例展开介绍。这里可以将内部结构为下图左侧的 N 沟道型 IGBT,等效为下图右侧那样由 PNP 型三极管增强型 NMOS 管 组合而成的电路:

在下面的 N 沟道型 IGBT 偏置电路里,电源 \(E_2\) 通过开关 \(S\)IGBT 提供 \(U_{GE}\) 电压,电源 \(E_1\) 经过 \(R_1\)IGBT 提供 \(U_{CE}\) 电压:

  • 开关 \(S\) 闭合的时候,如果 IGBTG 极E 极之间的电压 \(U_{GE}\) 大于开启电压,那么 IGBT 内部的 NMOS 管就会形成导电沟道,使得 NMOS 管的 D 极S 极导通,从而为三极管的基极电流 \(I_B\) 提供通路,进而导通三极管,电流 \(I_C\) 开始从 IGBTC 极流入,经过三极管的 E 极之后分为 \(I_1\)(通过 NMOS 管的 D 极S 极)和 \(I_2\)(从三极管的 C 极流出)两路电流。这两路电流 \(I_1\)\(I_2\) 汇合之后形成 \(I_E\)(从 IGBTE 极流出),此时 IGBT 就处于导通状态
  • 开关 \(S\) 断开的时候,IGBTG 极E 极之间的电压 \(U_{GE} = 0V\),此时 NMOS 管的导电沟道夹断消失,电流 \(I_1\)\(I_2\) 都为 0A电流 \(I_C\)\(I_E\) 也等于 0A,此时 IGBT 就会处于截止状态
  • 通过电源 \(E_2\) 调节电压 \(U_{GE}\) 的大小,就可以改变 IGBT 内部 NMOS 管导电沟道的宽度,使得电流 \(I_1\) 发生变化。此时 \(I_1\)(即三极管的基极电流 \(I_B\))的微小变化,就会引发 \(I_2\)(即三极管的集电极电流 \(I_C\))的大幅度变化。例如当电压 \(U_{GE}\) 增大的时候,NMOS 管的导电沟道将会变宽,电流 \(I_1\)\(I_2\) 都会增大,从 IGBTC 极流入 E 极流出的电流也随之增大

注意:上图右侧的三款元器件被称作功率型 IGBT 模块,通常运用在一些大电流高电压的场景,主要由 IGBT 和续流二极管通过特定的电路桥接封装而成。

碳化硅功率器件 SiC

碳化硅(SiC,Silicon Carbide)是由硅 Si 和碳 C 共同构成的化合物半导体材料,可以通过向碳化硅材料当中掺入来形成 N 型半导体,或者向碳化硅材料当中掺入来形成 P 型半导体。其在 禁带宽度(3 倍)、击穿电场强度(10 倍以上)、饱和电子漂移速率热传导率(3 倍)方面远远优于传统硅基半导体材料。目前使用碳化硅材料生产的元器件主要有 SBD 肖特基势垒二极管和 MOSFET 金属氧化物场效应管。

碳化硅二极管 SiC-SBD

由碳化硅材料制作的肖特基势垒二极管(SBD)不仅具备出色的高速开关性能,还实现了更高的耐压值,而与高耐压型的硅基快速恢复二极管相比,其反向恢复时间更快,可以实现更低的损耗与小型化:

碳化硅场效应管 SiC-MOSFET

使用碳化硅作为衬底材料的金属氧化物场效应管(MOSFET)耐压值可以高达 1000V 以上,相比传统 IGBT 其工作频率更高,从而有效降低了开关损耗。而相对于同等耐压值的硅基 MOSFET,其导通电阻更小,在同等导通电阻条件下可以有效减小元器件的体积,并且显著的降低恢复损耗:

半导体元器件总结

BJT 与 MOSFET 比较 缩写 描述
三极管 BJT 电流控制型元件,通过基极流向发射极的电流 \(I_{BE}\) 来控制集电极发射极之间通过电流 \(I_{CE}\) 的大小。
金属氧化物场效应管 MOSFET 电压控制型元件,通过栅级源极之间的电压 \(V_{GS}\) 来控制漏极源极之间的电阻 \(R_{DS}\),从而实现对漏极源极之间电压 \(V_{DS} = \frac{I_{DS}}{R_{DS}}\) 的控制。
功率型半导体元器件比较 缩写 描述
金属氧化物场效应管 MOSFET 大电流,低耐压,开关频率极高(可以高达数十兆赫兹),即有功率型器件,也有高频小信号器件。
可控硅 SCR 大功率器件,频率极低(仅数千赫兹),只能控制开,不能控制关,但是抗过载能力极强。
绝缘栅双极晶体管 IGBT 大功率器件,频率较低(几十至几百千赫兹),可以控制开和关,成本比可控硅略高,逐渐在替代可控硅。

注意三极管可以理解为使用二极管控制另外一个二极管,而场效应管可以理解为用电容控制电阻IGBT 则是使用电容控制二极管

硬件电路设计当中 の 常用分立元器件选型

http://www.uinio.com/Electronics/Component/

作者

Hank

发布于

2024-03-31

更新于

2024-05-27

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