一文看懂电容、二极管、三极管的概念和原理
0 2023-06-06

汽车电子元件中,电容器、二极管和三极管扮演者非常重要的角色,以下对这三种元件进行介绍,一文看懂它们的概念和原理。


一、电容器


电容器与电阻、电感并称为三大被动元件,其年产量在世界范围内已达约2万亿个 。电容器中使用最广泛的是陶瓷电容器,同时,绝缘性和稳定性俱佳的薄膜电容器、以大容量著称的电解电容器等各类电容器,也凭借各自的优势与特点为人们所用。


1、电容器的原理与基本结构

电容器的基本结构是间隔对置的两个电极(金属板),施加直流电压(V)到两个电极上,电子瞬间聚集到其中一个电极上,该电极带负电,另一个电极则处于电子不足的状态,带正电。

该状态在撤去直流电压后依旧存在,即在2个电极之间蓄积了电荷(Q)。在电极间插入电介质(陶瓷、塑料薄膜等),通过电介质的极化,蓄积的电荷增加。表示电容器蓄积多少电荷的指标叫做电容量(C)(简称容量)。


2、电容器的基本性质

① "积蓄电荷"

电容器也被称为蓄电器,顾名思义,就是通过采用大面积的电极构造以及高电容率的电介质,从而能够蓄积大量电荷。

接通电源施加直流电压,则电流瞬间流向导线,对电容器进行充电;当电极间的电位差与电源电压相等,则电流不再流动,充电结束。充放电过程如下图所示:

②"阻直流,通交流"

电容器的电极被电介质阻隔,施加直流电压后,在充电过程中电流瞬间流过导线,但不会流到电介质的内部。即,电容器具有阻断直流的性质。连接交流电源,则电极板周期性地反复进行充电与放电,电场方向也会相应地发生改变。

虽然不是在绝缘体内部出现电子移动,但实际上与流过交流电流相同,因此可视为电容器使交流电流通过。相对于通常的电流(传导电流),我们将该电流称为位移电流。

③"频率越高,电容量越大,交流电越容易通过"

"阻直流,通交流"是电容器的基本性质,但并非所有交流电都一样通过,通过的阻碍由交流电的频率与电容器的电容量决定。该交流电通过的阻碍叫做容抗(XC),是电容器对交流电的阻抗,单位是欧姆(Ω)。电容器的容抗(XC)以如下公式表示:


二、二极管


1、概念、原理和类别

利用半导体特性,制成的一种电力电子元件,在汽车当中可以起到开关、整流、稳压、显示等一系列作用,它就是晶体二极管。

半导体可分为P型半导体和N型半导体,在P型半导体和N型半导体的交界处形成PN结,当PN结的P区接电源的正极,N区接电源的负极,称PN结加正向电压,也叫正偏。此时PN结导通,呈低阻性,灯亮。

当PN结的P区接电源的负极,N区接电源的正极,称PN结加反向电压,也叫反偏。此时PN结截止,呈高阻性,灯不亮。PN结加正向电压时导通,加反向电压时截止的性质称PN结的单向导电特性。

晶体二极管(简称二极管)是由一个PN结加上相应的电极引线和管壳做成的,从P区引出的电极引线为正极(也称阳极),从N区引出的电极引线为负极(也称阴极),二极管的电路符号如图下图所示。

二极管其实就是一个PN结,所以二极管的性质和PN结的性质相同,即单向导电特性。二极管正极接电源正极,二极管负极接电源负极,称二极管加正向电压,也叫正偏;反之则称二极管加反向电压,也叫反偏。

二极管按所用材料不同,分为硅二极管和锗二极管两种。

按PN结的结构特点,分点接触型和面接触型两种。点接触型二极管允许通过的电流小,适用于高频检波、脉冲电路和小功率的整流电路;面接触型二极管允许通过的电流大,适用于低频整流电路。

按用途不同,分普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光敏二极管、续流二极管、光电二极管和发光二极管等。


2、二极管的伏安特性

所谓晶体二极管的伏安特性是指加到二极管两端的电压U与流过二极管的电流I的特性曲线I=f(U)。通常用横轴表示电压U,用纵轴表示电流I。

①正向特性

当二极管两端加上正向电压且当正向电压比较小时(室温条件下,硅管的死区电压应为0.5V导通电压0.7V,锗管的死区电压应为0.2V,导通电压0.3V),PN结正向电阻很大,正向电流接近于零。一般把这一段称为不导通区或死区。

随着电压逐渐增大,正向电流随电压近似按平方率增长,电压稍有增加,电流就急剧增加,特性几乎是一条直线。此段称为二极管的导通区,此特性称为二极管的正向特性。

②反向特性

当二极管两端加反向电压时,在反向电压作用下,电路中形成很小的反向电流。从零增大到0.1V一段,反向电流随反向电压增加而增大;随后反向电流便不随反向电压的增加而增大,而是保持一定的数值。

当二极管外加反向电压超过一定数值后,反向电流突然猛增,此时称二极管反向击穿,这时所对应的电压称为反向击穿电压。二极管击穿后,管子会因过热而损坏。此特性称为二极管的反向特性。


3、几种常见二极管

①稳压二极管

稳压二极管也是由一个PN结构成,工作时在反向击穿状态(普通二极管在反向击穿区会损坏),接到电路中时,应该反接,即稳压二极管的正极应接被稳压电路的负极,稳压二极管的负极应接被稳压电路的正极,稳压管就是利用它的反向击穿电流在很大范围内变化时,反向击穿电压基本不变的特性,达到稳压的目的。

②发光二极管

发光二极管通以正向电流时会发出光来,具有电光转换的性能,可见光有红、黄、绿、蓝、紫等。广泛用于各种电子设备中作为工作状态指示灯。

③光电二极管

光电二极管的反向电流随光照强度的增加而上升,它的主要特点是:管子工作在反向状态,反向电流与照度成正比。

④汽车用整流二极管

汽车硅整流发电机用二极管与其他二极管工作原理基本相同,但外形结构与也一般二极管有所不同,具有一个引出极,另一个极是外壳,分正极二极管和负极二极管两种,正极二极管的引出端为正极,外壳为负极;负极二极管的引出端为负极,外壳为正极,为了便于识别,通常在正极二极管上涂有红点,负极二极管上涂有黑点。


⑤续流二极管

二极管在汽车中应用的第二种类型是续流。快速恢复二极管(一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管)主要用于配合开关各类功率变换器的功率器件(如IGBT或MOSFET),起续流作用。


三、三极管


三极管是最重要的电子元器件之一,它的看家本领,是可以以小电流控制大电流,颇似武侠中的四两拨千斤。

下图是2种类型的三极管NPN和PNP的结构和电路图符号示意。

很多初学者都会认为三极管是两个 PN 结的简单凑合,这种想法是错误的,两个二极管的组合不能形成一个三极管。


我们以 NPN 型三极管为例,两个 PN 结共用了一个 P区 —— 基区。基区做得极薄,只有几微米到几十微米,正是靠着它把两个PN结有机地结合成一个不可分割的整体,它们之间存在着相互联系和相互影响,使三极管完全不同于两个单独的PN结的特性。


三极管在外加电压的作用下,形成基极电流、集电极电流和发射极电流,成为电流放大器件。


三极管的电流放大作用与其物理结构有关,三极管内部进行的物理过程是十分复杂的,初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲,可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后,它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了,用式子来表示就是:

β和α称为三极管的电流分配系数,其中β值大家比较熟悉,都管它叫电流放大系数。

三个电流中,有一个电流发生变化,另外两个电流也会随着按比例地变化。例如,基极电流的变化量 ΔIb = 10 μA , β = 50 ,根据 ΔIc = βΔI b 的关系式,集电极电流的变化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ,实现了电流放大。

三极管自身并不能把小电流变成大电流,它仅仅起着一种控制作用,控制着电路里的电源,按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电流。

为了容易理解,我们还是用水流比喻电流。这是粗、细两根水管,粗的管子内装有闸门,这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流,粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大,闸门就开得越大,相应地流过粗管子的水就越多,这就体现出“以小控制大,以弱控制强”的道理。


由图可见,细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。


如上图,若给三极管外加一定的电压,就会产生电流 Ib 、 Ic 和 Ie 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b , I c 也随之变化。由于 I c = βI b ,所以很小的 I b 控制着比它大 β 倍的 I c 。Ic 不是由三极管产生的,是由电源 VCC 在 I b 的控制下提供的,所以说三极管起着能量转换作用。

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