调光电路与光强监控电路设计.doc

1、电路与电子线路基础课外设计制作中期报告 题 目(C)： 调光电路与光强监控电路设计 组 号： 4 任课教师： 组 长： 成 员： 成 员： 成 员： 成 员： 联系方式： 二零一三年 十月 七日一、实验方案1.实验目的a.学习光敏电阻、电解电容器、整流二极管、发光二极管、三极管、运算放大器、电压比较器等器件的工作原理及应用背景知识。b.设计白炽灯调光电路和光强监控电路。c.掌握给定功能的电路系统的设计方法。2.实验器材a.白炽灯泡带灯座1只；光敏电阻3只；发光二极管10只，标准“洞洞板”3块；b.常规电阻、电容、二极管、三极管、运算放大器、电压比较器等若干。3.主要器材及原理介绍a.常规电阻

2、电阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。而超导体则没有电阻。 电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。 电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。 导体的电阻通常

3、用字母R表示，电阻的单位是欧姆（ohm），简称欧，符号是（希腊字母，读作Omega)，1=1V/A。比较大的单位有千欧（k）、兆欧（M）。它们的换算关系是：1T=1000G；1G=1000M；1M=1000K；1K=1000 电阻的计算公式有： 串联等效电阻：R=R1+R2+Rn 并联等效电阻：1/R=1/R1+1/R2+1/Rn，两个电阻并联时也表示为R=R1R2/(R1+R2） 电阻的定义式：R=U/I 电阻的决定式：R=L/S(表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，L表示电阻的长度，S表示电阻的横截面积) 本实验中电阻的识别采用色环法。现介绍用色环法识别电阻。 带有四个色环的其中第一、二

4、环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数量级范围内，例如是几点几K、还是几十几K的，再将前两环读出的数”代”进去，这样就可很快读出数来。2 （1）熟记第一、二环每种颜色所代表的数。可这样记忆：棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0。这样连起来读，多复诵几遍便可记住。记准记牢第三环颜色所代表的 阻值范围，这一点是快识的关键。具体是：金色：乘以10的负一次方 黑色：乘以10的零次方 棕色：乘以10的一次方 红色：乘以10的二次方 橙色：乘以10的三次方 黄色：乘以10的四次方 绿色：乘以10的五次方 蓝色：乘

5、以10的六次方 紫色：乘以10的七次方 灰色：乘以10的八次方 白色：乘以10的九次方从数量级来看，整体上可把它们划分为三个大的等级，即：金、黑、棕色是欧姆级的；红橙、黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。这样划分一下是为了便于记忆。（3）当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百 k等，这是读数时的特殊情况，要注意。例如第三环是红色，则其阻值即是整几k的。（4）记住第四环颜色所代表的误差，即：金色为5%；银色为10%；无色为20%。b.光敏电阻 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻

6、值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构

7、成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。根据光敏电阻的光谱特性

8、，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。 光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。 光敏电阻的主要参数是： （1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。 （2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下

9、，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 （3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。 （4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。 （5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。 （6

10、）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。 （7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。 （8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。 光敏电阻可以如此分类：按半导体材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：1.紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。2.红外光敏电阻器：主

11、要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。3.可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻常用硫化镉（CdS）制成。它分为环氧树脂封装和金属封装两款，同属于导线型（DIP型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直

12、径分为3mm、4mm、5mm、7mm、11mm、12mm、20mm、25mm。c.电解电容器 电解电容器，又称电容器隔膜纸，它在电解电容器的阳极和阴极铝箔之间起隔离、绝缘作用。电解电容器纸的质量越好，越能满足电容器耐压、低阻抗、损耗小的要求。电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等金属的表面采用阳极氧化法生成一薄层氧化物作为电介质，以电解质作为阴极而构成的电容器。 电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。 无极性（双极性）电解电容器采用双氧化膜结构，类似于两只有极性电解电容器将两个负极相连接

13、后构成，其两个电极分别为两个金属极板（均粘有氧化膜）相连，两组氧化膜中间为电解质。有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波，退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。无极性电解电容器通常用于音响分频器电路、电视机S校正电路及单相发动机的起动电路。 电解电容器的工作电压为4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、160V、200V、300V、400V、450V、500V，工作温度为-55+155（4500V）、，特点是容量大、体积大、有极性，一般用于直流电路中作滤波、整流。目前最常用的电解电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。电容器的主要

14、特性参数如下：1. 标称电容量和允许偏差 标称电容量是标志在电容器上的电容量。 电容器的基本单位是法拉（F），但是，这个单位太大，在实地标注中很少采用。 其它单位关系如下： 1F=1000mF 1mF=1000F 1F=1000nF 1nF=1000pF 电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。 精度等级与允许误差对应关系：00（01）-1%、0（02）-2%、-5%、-10%、-20%、-（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%）。一般电容器常用、级，电解电容器用、级，根据用途选取。2.额定电压额定电压是在最低环境温度和额定环境温度下可连续

15、加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。3. 绝缘电阻直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。当电容较小时，绝缘电阻主要取决于电容的表面状态，容量大于0.1f时，绝缘电阻主要取决于介质的性能。绝缘电阻越大越好。4.损耗 电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导

16、有关，而且与周期性的极化建立过程有关。5. 频率特性随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。电解电容器有如下用途： 1.隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。 2.旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。 3.耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。 4.滤波：这个对DIY而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。 5.温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。 6.计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。 7.调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。 8.整流：在预

17、定的时间开或者关半闭导体开关元件。 9.储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。d.整流二极管整流二极管(rectifier diode)是一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。P区的载流子是空穴，N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流

18、二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造（掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。 整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。 选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。 普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流

19、符合要求的整流二极管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或选择快恢复二极管。还有一种肖特基整流二极管。整流二极管的常用参数如下： （1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。 （2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(

20、IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。例如1N4001的VR为50V，1N4002-1n4006分别为100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的VR为1000V。 （3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。 （4）击穿电压VR：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。 （5）最高工作频率fm：它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电

21、容及扩散电容决定，若工作频率超过fm，则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。 （6）反向恢复时间trr：指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。 （7）零偏压电容C0：指二极管两端电压为零时，扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。手册中给出的参数往往是一个范围，若测试条件改变，则相应的参数也会发生变化，例如在25C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的IR小于10uA，而在100C时IR则变为小于500uA。e.发光二极管 发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与

22、砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极

23、管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算： R=（EUF）/IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。与小白炽灯泡和氖灯相

24、比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09，10个阿拉伯数字以及A，b，C，d，E，F等部分字母（必须区分大小写）。 LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。 1.发光效率和光通量 发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率代表了光源的节能特性，这

25、是衡量现代光源性能的一个重要指标。 2.发光强度和光强分布 LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。 3.波长对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察我国的一

26、些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。 发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。 LED的控制模式有恒流和恒压两种，有多种调光方式，比如模拟调光和PWM调光，大多数的LED都采用的是恒流控制，这样可以保持LED电流的稳定，不易受VF的变化，可以延长LED灯具的使用寿命。f.三极管 半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN

27、）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。 三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，可有PNP和NPN两种组合。三个接出来的端点依序称为发射极（emitter,E）、基极（base,B）和集电极（collector,C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 NPN与PNP三极管的电路符号，发射极特别被标出，箭号所指的即为n型半导体， 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性的p型区和n型区隔开。三极管的电特性和两个p

28、n结面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”（forward active），在此区EB极间的pn结面维持在正向偏压，而BC极间的pn结面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。EB接面的空乏区由于正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的空穴会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之PNP三极管为例，射极的空穴注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围

29、遮蔽，然后朝集电极方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的空穴到达BC接面的耗尽区时，会被此区内的电场加速扫入集电极，空穴在集电极中为多数载体，很快借由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。基极外部仅需提供与注入空穴复合部分的电子流IBrec，与由基极注入射极的电子流InBE（这部分是三极管作用不需要的部分）。InBE在射极与与电 洞复合，即InBE=IErec。射极注入基极的空穴流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极体的情形类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用VEB（或V

30、BE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。NPN三极管的操作原理和PNP三极管是一样的，只是偏压方向，电流方 向均相反，电子和空穴的角色互易。PNP三极管是利用VEB控制由射极经基极，入射到集电极的空穴，而NPN三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在发射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号

31、放大器。 晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，

32、而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成

33、了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib。式中：1称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib。式中称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。 NPN三极管放大时管子内部的工作原理如下： 1.发射区向基区发射电子（形成发射极电

34、流）发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区多数自由电子越过发射结扩散到基区，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。（同时，基区的多数载流子也会扩散到发射区，成为发射极电流的一部分。由于基区很薄，且掺杂浓度较低，因此由基区多数空穴形成的电流可以忽略不计） 2.自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散自由电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合（基区中的空穴由直流电源补充），扩散的电子流与复合电子流之比

35、例决定了三极管的放大能力。 3.集电区收集自由电子，形成集电极电流由于集电结加反向电压且面积很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。 4.三极管工作状态 NPN型，当B与E之间电压Vbe0.5V时，如果三个管脚电压关系是VcVbVe，则会处於放大状态；如果是VbVcVe则会处於饱和状态(相当于开关)；如果此时VeVc则仍会处於截止状态。 PNP型，当B和E之间电压Veb0.5V时，如果三个

36、管脚电压关系是VeVbVc，则会处於放大状态；如果是VeVcVb则会处於饱和状态(相当於开关);如果此时VcVe则仍会处於截止状态。注：三极管放大状态时，导通能力大小由基极电流Ib决定，因此三极管是电流控制型元件。g.运算放大器 运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。运算放大器

37、最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊

38、规格的运算放大器。 运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用-和+号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端

39、的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0是

40、运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1是同相端的输入信号电压，E2是反相端的输入信号电压。h.电压比较器 电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。 电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。 电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当“+”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“+”输入端电压低于”输入端时，电压比较器

41、输出为低电平； 电压比较器可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时特点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断； 由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，一般在电路中接入正反馈。它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。二、原理图1、注：图中

42、滑动变阻器代替光敏电阻。第一个电路图主要元件是一个三极管和光敏电阻，还有电阻如图所示，6V直流稳压电源，发光二极管。光敏电阻在光亮时电阻值比较小，在光暗时电阻比较大。图中R1和滑动电阻器有分压作用。当光亮时，光敏电阻的电阻小，三极管的B、E极之间分得的电压很小，三极管的C、E极截止。当光暗时，光敏电阻的阻值变大，三极管的B、E极之间的电压变大，大约大于0.7V时，三极管的C、E极导通，发光二极管发光。这个电路能实现在环境光较暗时自动开启，环境光较亮时自动关闭。36V-15W2、第二个电路图的元件有3只开关，电阻如图所示，电灯泡，36V的稳压交流电源。通过电路的分流作用实现电灯泡的强、中、弱三档

43、控制。3、注：图中滑动变阻器代替光敏电阻。第三个电路图主要元件是两个三极管和光敏电阻。还有电阻如图所示，发光二极管3个，6V稳压直流电源。因为要实现三档光强监控电路，三个二极管中至少有一个发光，所以有一个发光二极管LED3直接和电源连接在一起。另外在光强逐渐增强时，亮的二极管数目增加，所以当光敏电阻的阻值减小时，三极管Q1，Q2的B、E极的逐渐电压增加，Q1,Q2的电压依次达到约0.7V时，三极管C,E极导通,发光二极管LED1,LED2依次发光。这样就能实现当白炽灯的光强较弱时，仅使一个发光二极管发光，当白炽灯的光强中等时，使二个发光二极管同时发光，当白炽灯的光强较强时，使三个发光二极管同时发光。三、完成过程四、团队分工合作情况word文档 可自由复制编辑