项目2 电子生日蜡烛控制电路

项目二电子生日蜡烛控制电路模拟电子技术项目化教程项目概述无论在工农业生产，还是在日常生活中，经常需要将微弱的非电信号转换成成较大的电信号，以推动设备进行工作。例如：声音通过话筒转换成的信号电压往往在几十毫伏以下，它不可能使扬声器发出足够音量的声音；而从天线接收下来的无线电信号电压更小，只有微伏数量级。因此信号放大电路是电路系统中最基本的电路，应用十分广泛。控制电路在实际应用中非常普遍，本项目选择制作一款简易的电子生日蜡烛控制电路，该电路主要依靠三极管的放大、开关作用实现电路功能。项目引导教学目的：1．半导体三极管的结构、图形符号、特性曲线、主要参数及三极管的工作原理。2．半导体三极管管型号命名方法、管脚识别方法。3．放大电路的基本概念、一般组成、其性能指标和工作原理。4．多级放大器的级间耦合方式、性能特点及放大电路的频率特性。5．电路仿真软件Multisim的熟练使用，仿真电路的连接与调试。6．电路装配与调试；仪器仪表的使用方法。7．电路常见故障排查。项目引导项目要求：1．工作任务：电子生日蜡烛控制电路的设计、制作与调试2．电路功能：当用火给热敏器件加热，点亮LED，并使得音乐IC演奏乐曲；当嘴对着MIC吹气时，LED断电熄灭,音乐IC也断电停止播放音乐。项目引导参考电路：项目引导项目咨询：工作任务学习目标任务一认识三极管1．掌握三极管两种类型的结构、符号及分类；2．掌握三极管的电流放大作用及其放大基本条件；3．理解三极管的输入、输出特性曲线、主要参数及温度对三极管参数的影响；4．掌握三极管型号的命名方式，能使用仪表熟练判别三极管管脚和质量好坏。任务二基本放大电路1．理解放大电路的基本概念、一般组成、要求及其性能指标；2．理解共射放大电路的工作原理；3．掌握共射放大电路的分析方法（估算法、图解法、小信号模型法），进行电路分析，完成参数计算；4．理解温度对放大电路性能的影响，并能采取相应措施改善电路性能；5．掌握共集、共基电路的结构、性能特点及其应用。6．能独立完成放大电路仿真调试，实物搭接与性能测试；任务三多级放大电路1．掌握多级放大器的常见耦合方式及特点；2．掌握多级放大器的主要性能指标的估算方法；3．理解频率特性的一般概念，掌握三极管共射放大电路的频率特性；4．能独立完成多级放大电路的仿真调试，电路搭接与性能测试。任务1：认识半导体三极管2.1.1三极管的结构与类型1．三极管的分类(1)按结构(导电类型)划分：NPN和PNP。(2)按所用半导体材料划分：硅管和锗管。(3)按用途划分：放大管和开关管。(4)按工作频率划分：低频管和高频管。(5)按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。2．三极管的结构、电路符号三极管结构与符号如图所示。它们有三区：集电区、基区、发射区；三极：各对应引出的电极分别称为集电极c（Collector）、基极b（Base）和发射极e（Emitter）；两结：发射区与基区之间的PN结称为发射结Je，基区与集电区之间的PN结称为集电结Jc。（a）NPN型（b）PNP型任务1：认识半导体三极管2.1.1三极管的结构与类型2．三极管的外形结构任务1：认识半导体三极管2.1.1三极管的结构与类型注意：(1)两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别，箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向。(2)三极管具有信号放大作用。(3)保证放大的制造工艺：基区很薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电结的面积比发射结的面积大等。(4)在使用时三极管的发射极和集电极不能互换。一、三极管放大的基本条件（1）放大的偏置条件：Je正偏，Jc反偏。（2）NPN管具有放大作用时的电位关系：UC＞UB＞UE；PNP管：UC＜UB＜UE。任务1：认识半导体三极管2.1.2三极管的电流分配与放大原理二、三极管各电极上的电流分配NPN型三极管的电流分配实验电路如图所示，图中，IB为基极电流，IC为集电极电流，IE为发射极电流，它们的方向如图中箭头所示。UBE为发射结的正偏压，UCE为集电极与发射极之间的电压。任务1：认识半导体三极管2.1.2三极管的电流分配与放大原理调节实验电路的电位器RP可以改变UBE并产生相应的基极电流IB，而IB的变化又将引起IC和IE的变化。每产生一个IB值，就有一组IC和IE值与之对应，该实验所得数据见下表。由上表得出规律：IE=IB+IC，即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。三极管三个电极上的电流分配表任务1：认识半导体三极管2.1.2三极管的电流分配与放大原理由上表可知，当IB从0.02mA变化到0.03mA时，IC随之从1.14mA变化到了1.74mA，则两变化量之比（1.74-1.14）/（0.03-0.02）=60，说明此时三极管IC的变化量为IB的变化量的60倍。（1）三极管的电流放大作用就是基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化。（2）三极管放大电流时，被放大的IC是由电源VCC提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。（3）三极管是一种电流控制器件。任务1：认识半导体三极管2.1.2三极管的电流分配与放大原理任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共射特性曲线测试电路如图所示。三极管共射特性曲线测试电路三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用NPN型管组成的共射特性曲线测试电路如图所示。三极管共射特性曲线测试电路任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数一、输入特性曲线（Inputcharacteristiccurves）共射输入特性曲线方程式：iB=f(uBE)∣uCE=常数。下图为NPN型硅管3DG4的共射输入特性曲线。共射输入特性曲线任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数(1)uCE＝0：c极与b极相连，相当于两个二极管并联，输入特性曲线与二极管伏安特性曲线的正向特性相似。(2)uCE＝1V：曲线右移。(3)uCE＞1V：曲线与uCE=1V时的曲线近乎重合。实际中，通常就用uCE＝1V这条曲线来代表。(4)三极管放大状态的依据：硅管│uBE│=0.7V，锗管│uBE│=0.2V。一、输入特性曲线（Inputcharacteristiccurves）任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数二、输出特性曲线（Outputcharacteristiccurves）1．方程输出特性曲线方程式：iC=f(uBE)∣iB=常数。2．输出特性曲线测试测试时，先调节RP1使iB为某一值固定不变，再调节RP2，得到与之对应的uCE和iC值，根据所对应的值可在直角坐标系中画出一条曲线。重复上述步骤，可得不同IB值的曲线族，如下图所示。任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数射输出特性曲线由图可知：(1)曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合。(2)对一条曲线而言，uCE增大，iC增大，但当uCE大于0.3V左右以后，曲线较平坦，只略有上翘。这说明三极管具有恒流特性。(3)输出特性曲线不是直线，是非线性的，说明三极管是一种非线性器件。二、输出特性曲线（Outputcharacteristiccurves）任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数3．三极管输出特性曲线的四个区(1)放大区（Activeregion）(2)饱和区（Saturationregion）(3)截止区(Cutoffregion)(4)击穿区(Breakdownregion)4．PNP管特性曲线由于电源电压极性和电流方向不同，PNP管与NPN管的特性曲线是相反、“倒置”的。二、输出特性曲线（Outputcharacteristiccurves）任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数三、三极管的主要参数及温度对特性的影响三极管的参数用来表征管子性能优劣和适用范围，它是合理选用三极管的依据。1、电流放大系数（Currentamplificationfactor）电流放大系数是表征三极管放大能力的参数。电路工作状态有两种：电路无交流信号输入而工作在直流状态时，称为静态；电路有交流信号输入而工作在交流状态时，称为动态。1)共发射极电路直流电流放大系数它反映静态时集电极电流与基极电流之比值。任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数温度升高，β值增大。每升高1℃，β值增加0.5%～1%，反映在输出特性曲线上就是各条曲线的间距增大。3)共基极电路电流放大系数2)共发射极电路交流电流放大系数在共基极电路（即信号从发射极输入，集电极输出，基极为输入输出的公共端）中，三极管的集电极电流IC与发射极电流IE之比称为共基极电路直流电流放大系数。三、三极管的主要参数及温度对特性的影响任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数2、极间反向电流（1）ICBO指发射极开路时集电极和基极之间的反向饱和电流。ICBO很小，温度升高，ICBO增加。一般硅管热稳定性比锗管好。下图（a）为该参数的测试电路。（2）ICEO是指基极开路时，集电极和发射极之间的反向饱和电流，又称为穿透电流。ICEO=(1+β)ICBO。下图（b）为该参数的测试电路。极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了管子的温度特性。三、三极管的主要参数及温度对特性的影响任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM(Maximumallowablecollectorcurrent)：是指当β下降到正常β值的2/3时所对应的IC值。当IC超过这个值时，放大性能下降或损坏管子。（2）反向击穿电压（Reversebreakdownvoltage）U(BR)CBO：发射极开路时，集电极－基极之间允许施加的最高反向电压，超过此值，集电结发生反向击穿。U(BR)EBO：集电极开路时，发射极－基极之间允许施加的最高反向电压。U(BR)CEO：基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。为可靠工作，使用时VCC取U(BR)CEO的1/2或2/3。在输出特性曲线中，iB＝0的曲线开始急剧上翘所对应的电压即为U(BR)CEO，其值比U(BR)CBO小。T↑，U(BR)↓。三、三极管的主要参数及温度对特性的影响任务1：认识半导体三极管2.1.3三极管的伏安特性及主要参数（3）集电极最大允许耗散功率PCM(Maximumallowablepowerdissipation)：PCM的大小主要决定于允许的集电结结温。一般硅管约为150℃，锗管约为70℃。显然，PCM的大小与管子的散热条件及环境温度有关。且PCM=iCuCE，由此可画出三极管的安全工作区。三极管的安全工作区3、极限参数三、三极管的主要参数及温度对特性的影响2.1.3三极管的伏安特性及主要参数任务1：认识半导体三极管4、温度对三极管参数的影响温度升高，UBE下降，三极管提前导通温度升高，极间反向电流增大温度升高，放大倍数变大温度升高，反向击穿电压下降三、三极管的主要参数及温度对特性的影响2.1.3三极管的伏安特性及主要参数任务1：认识半导体三极管要准确地了解一只三极管类型、性能与参数,可用专门的测量仪器进行测试,但一般粗略判别三极管的类型和管脚,可直接通过三极管的型号简单判断,也可利用万用表测量方法判断.下面具体介绍其型号的意义及利用万用表的简单测量方法。1．三极管型号的意义三极管的型号一般由五大部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG110B为例说明各部分的命名含义。半导体三极管的判别与检测方法技能训练