声控开关的制作2012/09/14

[教学目标]

l         掌握三极管的概念及相关物理量。

l         认识声光控开关电路的结构和原理。

l         熟练掌握三极管的参数、作用及测量方法。

l         了解场效应管、可控硅等元件的作用及测量方法。

l         掌握放大电路的简单分析。

l         会用示波器测量三极管的特性曲线。

l         掌握简单可控开关的制作方法。

[教学重点]：

l         三极管

一、任务

声光控节电开关的制作

按给出电路图的要求，选取元件、识别和测试。分析电路原理并安装调试。声控节电开关照明时间控制1分钟内，整个电路采用分立元器件或者数字集成电路组成。

二、所用元件及工具

1、三极管

半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。

三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。

三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。

常用的三极管有90××系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管9018(NPN)等。它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。在老式的电子产品中还能见到3DG6(低频小功率硅管)、3AX31(低频小功率锗管)等，它们的型号也都印在金属的外壳上。

三极管符号里，第一部分“3”表示三极管。符号的第二部分表示器件的材料和结构：A——PNP型锗材料；B——NPN型锗材料；C——PNP型硅材料；D——NPN型硅材料。符号的第三部分表示功能：U——光电管；K——开关管；X——低频小功率管；G——高频小功率管；D——低频大功率管；A——高频大功率管。另外，3DJ型为场效应管，BT打头的表示半导体特殊元件。

三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。

2、场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）介绍

一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶体管。而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

9011~9018塑封硅三极管的参数表

常用场效应三极管主要参数

3、各类电阻、电容、电感、（稳压）二极管和可控硅

3、电路原理图

三、任务分析

节电开关，在白天或光线较亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，脚步声等把节电开关启动，灯亮，延时40~50秒后节电开关自动关闭、灯灭。

上图是该声控照明节电开关电路原理方框，由话筒、声音放大、倍压整流、光控、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。

电路原理：话筒MIC1和VT1、R1~R3、C1组成声音拾取放大电路。为了获得较高的灵敏度，VT1 的β值选用大于100。话筒MIC也选用灵敏度高的。R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡，C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路。把声音信号变成直流控制电压。R4、R5和光敏电阻R11组成光控电路。有光照射在R11上时，阻值变小，对直流控制电压衰减很大。VT2、VT3和R7、D3组成的电子开关截止，C4 内无电荷，单向可控硅MCR截止，灯泡不亮。在MCR截止时，直流高压经R9、R10、D4降压后加到C3、CW1（稳压管）上端。C3为滤波电容，CW1为稳压值12~15V的稳压二极管，保证C3上电压不超过15V直流电压。当无光照射R11 时，R11 阻值很大，对直流控制电压衰减很小，VT2、VT3等组成的电子开关导通，D3 也导通，使C4充电。R8、C5和单向可控制MCR、D5~D8 组成延时与交流开关。C4通过R8 把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。灯泡发光时间长短由C4、R8 的参数决定，按图中所给出的元器件数值（R8为22K），发光30秒左右后，MCR截止，灯熄灭。C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。

设计印刷电路图：在一块4×7cm 面积大小敷铜板设计印刷电路。

制作检测：为确保制作能一次成功，所有元器件都要认真检测，判别元器件是否完好。最容易分不清二极管+、-极，三极管E、B、C 极位置。特别注意可控硅检测。

制作注意事项：

1. 首先检查你的印刷电路是否设计正确，元器件位置是否安装正确。特别是话筒、二极管、三极管、电容等极性不要装错。

2. 焊接质量尤其重要。焊接时间较长易损坏元器件，焊点处理是否合理，有没有焊接点短路、虚焊、多余管脚是否剪去。

3. 制作过程中必须听从实训老师电子制作安排和要求。遵守纪律，注意用电安全，按照正常规程进行操作。

故障判断：

1. 元器件安装后，通电220v电压检查不正常情况下：检查元器件是否安装正确。

2. 在这种不明确情况下，可以不通交流电，加入8V直流电压到D4阳极，检查各个三极管工作电压。

1) VE = +6.8V（VT3的e极电压）

2) 检查电子开关是否正常。将万用表电压档测可控硅(MCR100-6)阴阳极电压，当短接VT3的e、c极，可控硅(MCR100-6)阳极电压下降为零，说明电子开关电路正常。

3) 检测Mic话筒两端电压约2~3V左右，说明Mic话筒连接正确。再检查R11光敏电阻两端电压值，光照时电压较低，不受光时电压较高，说光控电路工作正常；

4）整体测试将光敏电阻用不透光的物体遮档住，测量VT3发射极对地电压，当发出响声在话筒边发出声音时，测得的电压就为5V以上，然后没有声音后又变为0。

以上各项测试是正常工作时的电压变化情况，如实际制作好后不能实现设计的功能，按照单元电路的分析方法，分步查找原因。

3．根据实际外壳大小设计1：1印刷板布线图

4．设计制作印刷线路板

5．焊接、调试电路

四、知识库

１、三极管

双极型半导体晶体三极管(BJT) 由两个PN结和三个电极构成。

三个区域为基区（B区）、发射区（E区）、集电区（C区）。

两个PN结为发射结（BE结）、集电结（CB结）。

三个电极为发射极E（Emitter）、基极B（Base）、集电极C（Collctor）。

因杂质半导体有P、N型两种，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种。

半导体三极管并不是两个PN结的简单连接，它的工艺特点是，基区（B）很薄且杂质浓度低，发射区（E区）杂质浓度高，集电结面积大。这3个特点保证了半导体三极管具有较好的电流放大作用。

偏置方式：

①发射结正偏、集电结反偏，BJT处于放大状态

②发射结反偏、集电结正偏，BJT处于反向应用状态，（一般不宜反向应用）。

③二个PN结均正偏，晶体管处于饱合状态

④二个PN结均反偏，晶体管处于截至状态

要了解半导体三极管放大原理，就要分析其内部载流子的运动情况，首先必须要使半导体三极管有一合理的偏置。半导体三极管内部两个PN结的4种偏置方式中，为体现放大作用，首先必须保证有足够多的多子运动，所以发射结要正偏，这样发射区能不断向基区发射载流子；其次，集电极电流必须由非集电极本身的多子运动形成，才能体现其电流控制作用，因此，集电结要反偏。不管半导体三极管组成的放大电路形式如何变化，要使其具有放大作用，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。

在发射结正偏，集电结反偏的情况下，载流子运动可分为如下3个过程。

1. 发射区向基区注入电子

2. 电子在基区的扩散与复合

3. 集电区收集扩散到集电结边缘的电子

静态特性曲线

2、放大电路三极管的三种连接方式

图（a）从基极输入信号，从集电极输出信号，发射极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共发射极（简称共射极）放大电路；图（b）从基极输入信号，从发射极输出信号，集电极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共集电极放大电路；图（c）从发射极输入信号，从集电极输出信号，基极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共基极放大电路。

放大器放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用。根据能量守恒定律，在这种能量的控制和转换中，电源U_CC为输出信号提供能量。

（1）外加电源的极性必须保证三极管的发射结正偏，集电结反偏。

（2）输入电压U_ｉ要能引起三极管的基极电流Ｉ_Ｂ作相应的变化。

（3）三极管集电极电流Ｉ_Ｃ的变化要尽可能的转为电压的变化输出。

（4）放大电路工作时，直流电源U_CC要为三极管提供合适的静态工作点。

需要特别注意的是，信号的放大仅对交流量而言。

３、场效应管

双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流子参与导电，因此称为单极型三极管；单极型三极管是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。

常见的有结型和ＭＯＳ场效应管。

４、SCR可控硅介绍

也可以按下面图示理解其等效电路。

可控硅又称晶闸管(thyristor)，是由三个及以上pn结组成、具有开关特性的半导体器件的总称，通常使用最多的是三端可控整流器，GTO晶闸管及双向硅可控整流器。具有栅极的三端可控硅叫做SCR(Semiconductor Controlled Rectifier 可控整流器)。

SCR结构是在n型衬底(n1)两边用p杂质扩散形成p1、p2，然后在p2用n杂质形成n2区。上部p1区电极为阳极A, 下部n2区电极为阴极K，从p2区引出电极为栅极G。

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示

可控硅等效图解图

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅便饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

五、仪器与测量

１、用万用表判断三极管的三个极性

三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功，为了迅速掌握测判方法，可以总结出四句口诀：“三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。

（１）、三颠倒，找基极

大家知道，三极管是含有两个PN结的半导体器件。根据两个PN结连接方式不同，可以分为NPN型和PNP型两种不同导电类型的三极管。

测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位 (注意红表笔所连接的是表内电池的负极，黑表笔则连接着表内电池的正极) 。

假定我们并不知道被测三极管是NPN型还是PNP型，也分不清各管脚是什么电极。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。这时，我们任取两个电极(如这两个电极为1、2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。

（２）、 PN结，定管型

   找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型管；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为PNP型。

（３）、顺箭头，偏转大

找出了基极b，另外两个电极哪个是集电极c，哪个是发射极e呢?这时我们可以用测穿透电流Iceo的方法确定集电极c和发射极e。

(1) 对于NPN型三极管，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致(“顺箭头”)，所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。

(2) 对于PNP型的三极管，  道理也类似于NPN型，  其电流流向一定是：黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c。

（４）、测不出，动嘴巴

若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。具体方法是：在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住(或用舌头抵住)基电极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。

２、判断三极管的好坏

（1）、检查三极管的两个PN结。我们以PNP管为例来说明，一只PNP型的三极管的结构相当于两只二极管，负极靠负极接在一起。我们首先用万用表R×100或R×1K挡测一下e与b之间和e与c之间的正反向电阻。当红表笔接b 时，用黑表笔分别接e和c应出现两次阻值小的情况。然后把接b 的红表笔换成黑表笔，再用红表笔分别接e和c，将出现两次阻值大的情况。被测三极管符合上述情况，说明这只三极管是好的。

（2）检查三极管的穿透电流：我们把三极管c、e之间的反向电阻叫测穿透电流。用万用表红表笔接PNP三极管的集电极 c , 黑表笔接发射极 e，看表的指示数值，这个阻值一般应大于几千欧，越大越好越小说明这只三极管稳定性越差。

（3）测量三极管的放大性能：分别用表笔接三极管的c和e看一下万用表的指示数值，然后再c与b间连接一只50--100K的电阻看指针向右摆动的多少，摆动越大说明这只管子的放大倍数越高。外接电阻也可以用人体电阻代替，即用手捏住b和c。

３、三极管放大倍数的测量

选用欧姆档的R*100（或R*1K）档，对NPN型管，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，测量时，只要比较用手捏住基极和集电极（两极不能接触），和把手放开两种情况小指针摆动的大小，摆动越大，β值越高。

４、场效应管的测量

(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三个电极.具体方法:将万用表拨在R×1k档上，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，另一只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，说明是PN结的反向，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去判别管的好坏。具体方法是首先将万用表置于R×10或R×100档,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(在手册中可知，各种不同型号的管,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档,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，则说明管是正常的；若测得上述各阻值太小或为通路，则说明管是坏的.要注意，若两个栅极在管内断极，可用元件代换法进行检测。

５、可控硅的测量

万用表选用电阻R×1档，用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑笔接的引脚为控制极G，红笔接的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短接线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。

六、体验与挑战

１、自己动手根据电路图制作声光控开关。

２、根据实物用EWB软件绘制电路图并分析原理。

3、搜集常见声光控节电开关实物及资料，研究流行声光控开关实物，特别是研究带有ＩＣ的实际开关实物的原理分析，了解声光控开关的发展趋势。