調(diào)光電路與光強(qiáng)監(jiān)控電路設(shè)計(jì)解析

1、電路與電子線路基礎(chǔ)課外設(shè)計(jì)制作中期報(bào)告題 目(C):調(diào)光電路與光強(qiáng)監(jiān)控電路設(shè)計(jì)組號(hào):任課教師:組長:成員:成員:成員:成員:聯(lián)系方式:二零一三年十月 七日、實(shí)驗(yàn)方案1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶.學(xué)習(xí)光敏電阻、電解電容器、整流二極管、發(fā)光二極管、三極管、運(yùn)算放大器、電壓比較 器等器件的工作原理及應(yīng)用背景知識(shí)。b設(shè)計(jì)白熾燈調(diào)光電路和光強(qiáng)監(jiān)控電路。c掌握給定功能的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2. 實(shí)驗(yàn)器材a白熾燈泡帶燈座1只；光敏電阻3只；發(fā)光二極管10只，標(biāo)準(zhǔn) 洞洞板”3塊； b常規(guī)電阻、電容、二極管、三極管、運(yùn)算放大器、電壓比較器等若干。3. 主要器材及原理介紹 a常規(guī)電阻電阻（Resista nee,通常用“ R”

2、示），在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo) 體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。而超導(dǎo)體則沒有電阻。電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長度，還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1C時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對(duì)信號(hào)來說，交流與直流信號(hào)都可以通過電阻。導(dǎo)體的電阻通常用字母 R表示，電阻的單位是歐姆（ohm）,

3、簡稱歐，符號(hào)是 Q （希臘 字母，讀作 Omega）, 1Q =1V/A。比較大的單位有千歐（kQ）、兆歐（MQ ）。它們的換算關(guān) 系是：1TQ =1000GQ ; 1GQ =1000MQ ; 1MQ =1000KQ ; 1KQ =1000Q電阻的計(jì)算公式有：串聯(lián)等效電阻：R=R1+R2+ . +Rn并聯(lián)等效電阻：1/R=1/R1+1/R2+. . . +1/Rn,兩個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)也表示為 R=R1 R2/（R1+R2） 電阻的定義式：R=U/I電阻的決定式：R=p L/S（表示電阻的電阻率，是由其本身性質(zhì)決定，L表示電阻的長度，S表示電阻的橫截面積）本實(shí)驗(yàn)中電阻的識(shí)別采用色環(huán)法?，F(xiàn)介紹用色環(huán)法

4、識(shí)別電阻。帶有四個(gè)色環(huán)的其中第一、 二環(huán)分別代表阻值的前兩位數(shù)； 第三環(huán)代表倍率； 第四環(huán)代 表誤差。快速識(shí)別的關(guān)鍵在于根據(jù)第三環(huán)的顏色把阻值確定在某一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，例如是幾點(diǎn)幾K、還是幾十幾 K的，再將前兩環(huán)讀出的數(shù) ”代”進(jìn)去，這樣就可很快讀出數(shù)來。 2（1 ）熟記第一、二環(huán)每種顏色所代表的數(shù)?？蛇@樣記憶：棕1，紅2，橙3，黃4，綠5,藍(lán)6,紫7,灰8，白9，黑0。這樣連起來讀，多復(fù)誦幾遍便可記住。記準(zhǔn)記牢第三環(huán)顏色所代表的阻值范圍，這一點(diǎn)是快識(shí)的關(guān)鍵。具體是：金色：乘以10的負(fù)一次方黑色：乘以10的零次方棕色：乘以10的一次方紅色：乘以10的二次方橙色：乘以10的三次方黃色：乘以10的四

5、次方綠色：乘以10的五次方藍(lán)色：乘以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的九次方從數(shù)量級(jí)來看，整體上可把它們劃分為三個(gè)大的等級(jí)，即：金、黑、棕色是歐姆級(jí)的； 紅橙、黃色是千歐級(jí)的；綠、藍(lán)色則是兆歐級(jí)的。這樣劃分一下是為了便于記憶。（3） 當(dāng)?shù)诙h(huán)是黑色時(shí)，第三環(huán)顏色所代表的則是整數(shù)，即幾，幾十，幾百kQ等，這是讀數(shù)時(shí)的特殊情況，要注意。例如第三環(huán)是紅色，則其阻值即是整幾kQ的。（4）記住第四環(huán)顏色所代表的誤差，即：金色為 5% ;銀色為10% ;無色為20%。b光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制

6、作材料具有在特定波長的光照射下， 其阻值迅速減小的特性。這是由于光 照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電， 在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)， 電子奔向電源的正極， 空穴 奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。 光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光（0.40.76）叩的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。設(shè)計(jì)光控電路時(shí)，都用白熾燈泡（小電珠） 光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計(jì)大為簡化。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料

7、兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。 入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子 一空穴對(duì) 將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 光敏電阻沒有極性， 純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體 的

8、導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。圖15-8光敏電阻的外形及 貳在電路中的舒號(hào)根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器、 可見光光敏電阻器。光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相 機(jī)，太陽能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈， 光聲控開關(guān), 路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。光敏電阻的主要參數(shù)是：（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過的電流稱為光

9、電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX表示。（2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“ OLX表示。（3） 靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電 阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值。（4） 光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的 靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。（5） 光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而變化的特性。從光敏電阻 的光照特性曲線可以看出， 隨著的光照強(qiáng)度的增加， 光敏電

10、阻的阻值開始迅速下降。 若進(jìn)一 步增大光照強(qiáng)度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。（6） 伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對(duì)于 光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。（7） 溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈 敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。（8） 額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高 時(shí)，其消耗的功率就降低。光敏電阻可以如此分類：按半導(dǎo)體材料分：本征型光敏電阻、摻雜型光敏電阻。后者性能穩(wěn)定，特性較好，故大 都采用它。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，

11、可分為三種光敏電阻器：1紫外光敏電阻器：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫 外線。2紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于 導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究 和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。3可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光 敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和位置檢測(cè)器”，極薄零件的厚度檢測(cè)器，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置， 光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方

12、面。光敏電阻常用硫化鎘（CdS）制成。它分為環(huán)氧樹脂封裝和金屬封裝兩款，同屬于導(dǎo)線 型（DIP型），環(huán)氧樹脂封裝光敏電阻按陶瓷基板直徑分為C3mm、0 4mm、0 5mm、0 7mm、011mm、C 12mm、0 20mm、0 25mm。c.電解電容器電解電容器，又稱電容器隔膜紙， 它在電解電容器的陽極和陰極鋁箔之間起隔離、絕緣作用。電解電容器紙的質(zhì)量越好，越能滿足電容器耐壓、低阻抗、損耗小的要求。電解電容 器是指在鋁、鉭、鈮、 鈦等金屬的表面采用陽極氧化法生成一薄層氧化物作為電介質(zhì)，以電 解質(zhì)作為陰極而構(gòu)成的電容器。VTCO祀（04宀-.VTCO*CQMSB 0C巾顧越* WE i hi員電

13、解電容器的內(nèi)部有儲(chǔ)存電荷的電解質(zhì)材料，分正、負(fù)極性，類似于電池，不可接反。 正極為粘有氧化膜的金屬基板，負(fù)極通過金屬極板與電解質(zhì)（固體和非固體）相連接。無極性（雙極性）電解電容器采用雙氧化膜結(jié)構(gòu)，類似于兩只有極性電解電容器將兩個(gè)負(fù)極相連接后構(gòu)成， 其兩個(gè)電極分別為兩個(gè)金屬極板（均粘有氧化膜）相連，兩組氧化膜中間為電解質(zhì)。有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦、信號(hào)耦合及時(shí)間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用。無極性電解電容器通常用于音響分頻器電路、電視機(jī)S校正電路及單相發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電路。電解電容器的工作電壓為4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、

14、100V、160V、200V、300V、400V、450V、500V，工作溫度為-55 +155 C（ 4500V ）、，特點(diǎn)是容 量大、體積大、有極性，一般用于直流電路中作濾波、整流。目前最常用的電解電容器有鋁 電解電容器和鉭電解電容器。電容器的主要特性參數(shù)如下：1標(biāo)稱電容量和允許偏差標(biāo)稱電容量是標(biāo)志在電容器上的電容量。電容器的基本單位是法拉（F），但是，這個(gè)單位太大，在實(shí)地標(biāo)注中很少采用。其它單位關(guān)系如下：1F=1000mF1mF=1000（iF1 卩 F=1000nF1nF=1000pF電容器實(shí)際電容量與標(biāo)稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。精度等級(jí)與允許誤差對(duì)應(yīng)關(guān)系：oo（0

15、1）- %、o（02）- %、I - %、n - 0%、m- 0%、w-（ +20%-10%）、v -（ +50%-20%）、w -（ +50%-30%）。一般電容器常用 I、n、m級(jí)， 電解電容器用w、v、w級(jí)，根據(jù)用途選取。2額定電壓額定電壓是在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效 值，一般直接標(biāo)注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復(fù)的永久損壞。3絕緣電阻直流電壓加在電容上，并產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻。當(dāng)電容較小時(shí)，絕緣電阻主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量大于0.1 時(shí)，絕緣電阻主要取決于介質(zhì)的性能。絕緣電阻越大越好。4損

16、耗電容在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值， 電容的損耗主要由介質(zhì)損耗， 電導(dǎo)損耗和電容所有金屬部分 的電阻所引起的。在直流電場(chǎng)的作用下，電容器的損耗以漏導(dǎo)損耗的形式存在，一般較小，在交變電場(chǎng)的作用下，電容的損耗不僅與漏導(dǎo)有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。5頻率特性隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。電解電容器有如下用途：1隔直流：作用是阻止直流通過而讓交流通過。2旁路（去耦）：為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。3耦合：作為兩個(gè)電路之間的連接，允許交流信號(hào)通過并傳輸?shù)较乱患?jí)電路。4濾波：這個(gè)對(duì) DIY而言很

17、重要，顯卡上的電容基本都是這個(gè)作用。5溫度補(bǔ)償：針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響，而進(jìn)行補(bǔ)償，改善電路的 穩(wěn)定性。6計(jì)時(shí)：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時(shí)間常數(shù)。7調(diào)諧：對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)。8整流：在預(yù)定的時(shí)間開或者關(guān)半閉導(dǎo)體開關(guān)元件。9儲(chǔ)能：儲(chǔ)存電能，用于必須要的時(shí)候釋放。例如相機(jī)閃光燈，加熱設(shè)備等等。d.整流二極管整流二極管（rectifier diode）是一種用于將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷陌雽?dǎo)體器件。通常它包 含一個(gè)PN結(jié)，有陽極和陰極兩個(gè)端子。 P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是電子，在 P 區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對(duì)N區(qū)為

18、正的電壓時(shí)，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲(chǔ)存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V），稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓，使位壘增加，可承受高的反向電壓， 流過很小的反向電流 （稱反向漏電流）， 稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴Ｕ鞫O管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造（摻雜較多時(shí)容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過 較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各 種低頻半波整流電路，如需達(dá)到全波整流需連成整流橋使用。整流二極管一般

19、為平面型硅二極管，用于各種電源整流電路中。選用整流二極管時(shí)， 主要應(yīng)考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對(duì)截止頻率的反向恢復(fù)時(shí)間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。例 如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。開關(guān)穩(wěn)壓電源的整流電路及脈沖整流電路中使用的整流二極管，應(yīng)選用工作頻率較高、 反向恢復(fù)時(shí)間較短的整流二極管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或選擇快恢復(fù)二極管。還有一種肖特基整流二極管。整流二極管的常用參數(shù)如下：（1） 最大平均整流電流If：指二極管長期

20、工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。該電流由PN結(jié)的結(jié)面積和散熱條件決定。使用時(shí)應(yīng)注意通過二極管的平均電流不能大于此值，并要滿足散熱條件。例如 1N4000系列二極管的If為1A。（2）最高反向工作電壓 Vr :指二極管兩端允許施加的最大反向電壓。若大于此值，則 反向電流（IR）劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，從而引起反向擊穿。通常取反向擊穿電壓（VB）的一半作為（VR）。例如 1N4001 的 Vr為 50V , 1N4002-1 n4006 分別為 100V、200V、400V、 600V 和 800V，1N4007 的 Vr為 1000V。（3） 最大反向電流Ir :它是二極管在最高反向工

21、作電壓下允許流過的反向電流，此參數(shù) 反映了二極管單向?qū)щ娦阅艿暮脡?。因此這個(gè)電流值越小，表明二極管質(zhì)量越好。（4） 擊穿電壓Vr :指二極管反向伏安特性曲線急劇彎曲點(diǎn)的電壓值。反向?yàn)檐浱匦詴r(shí)， 則指給定反向漏電流條件下的電壓值。（5）最高工作頻率fm :它是二極管在正常情況下的最高工作頻率。主要由 PN結(jié)的結(jié)電容及擴(kuò)散電容決定，若工作頻率超過fm,則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒉荒芎芎玫伢w現(xiàn)。例如1N4000系列二極管的fm為3kHz。（6）反向恢復(fù)時(shí)間trr:指在規(guī)定的負(fù)載、 正向電流及最大反向瞬態(tài)電壓下的反向恢復(fù)時(shí) 間。（7）零偏壓電容 C0：指二極管兩端電壓為零時(shí)，擴(kuò)散電容及結(jié)電容的容量之和。

22、值得注意的是，由于制造工藝的限制，即使同一型號(hào)的二極管其參數(shù)的離散性也很大。手冊(cè)中給出的參數(shù)往往是一個(gè)范圍，若測(cè)試條件改變，則相應(yīng)的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，例如在25C時(shí)測(cè)得1N5200系列硅塑封整流二極管的 Ir小于10uA，而在100C時(shí)Ir則變?yōu)樾∮?00uA。e發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為 LED。由鎵（Ga）與砷（AS ）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng) 電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。發(fā)光二極管是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年

23、出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光， 之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛取?而用途也由初時(shí)作為指示燈、顯示板等；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)光二極管已被廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明。發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在 PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N區(qū)的電子和 P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。 不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不 同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出

24、的能量多少不同，釋放出的能量越多， 則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。陽極桿換形支男有發(fā)射碗的陰極桿發(fā)光二極管的構(gòu)造圖發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡， 使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算：R=（ E Uf） /If式中E為電源電壓，Uf為LED的正向壓降，If為LED的一般工作電流。與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一

25、些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成 7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管可顯示09,10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字以及A , b, C, d, E, F等部分字母（必須區(qū)分大小寫）。LED的光學(xué)參數(shù)中重要的幾個(gè)方面就是：光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布、 波長。1發(fā)光效率和光通量發(fā)光效率就是光通量與電功率之比。發(fā)光效率代表了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個(gè)重要指標(biāo)。2.發(fā)光強(qiáng)度和光強(qiáng)分布LED發(fā)光強(qiáng)度是表征它在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，由于LED在不同的空間角度光強(qiáng)相差很多，隨之而來我們研究了LED的光強(qiáng)分布特性。這個(gè)參數(shù)實(shí)際意義很大，直

26、接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場(chǎng)館的 LED大型彩色顯示屏，如果選用的 LED 單管分布范圍很窄，那么面對(duì)顯示屏處于較大角度的觀眾將看到失真的圖像。而且交通標(biāo)志燈也要求較大范圍的人能識(shí)別。3.波長對(duì)于LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要注意到紅、黃、藍(lán)、綠、 白色LED等主要的顏色是否純正。因?yàn)樵谠S多場(chǎng)合下，比如交通信號(hào)燈對(duì)顏色就要求比較 嚴(yán)格，不過據(jù)觀察我國的一些LED信號(hào)燈中綠色發(fā)藍(lán)，紅色的為深紅，從這個(gè)現(xiàn)象來看我們對(duì)LED的光譜特性進(jìn)行專門研究是非常必要而且很有意義的。發(fā)光二極管還可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、 變色發(fā)光二

27、極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管和負(fù)阻發(fā)光二 極管等。LED的控制模式有恒流和恒壓兩種，有多種調(diào)光方式，比如模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，大多數(shù)的LED都采用的是恒流控制，這樣可以保持 LED電流的穩(wěn)定，不易受 V的變化， 可以延長LED燈具的使用壽命。f.三極管半導(dǎo)體三極管又稱 晶體三極管”或晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互 影響的PN結(jié)，組成一個(gè) PNP （或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的 N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū) 域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C,是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)

28、反向連結(jié)的PN結(jié)面，可有PNP和NPN兩種組合。三個(gè)接出來的端點(diǎn)依序稱為發(fā)射極（emitter,E ）、基極（base,B）和集電極（collector,。），名稱來源和 它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出NPN與PNP三極管的電路符號(hào)，發(fā)射極特別被標(biāo)出，箭號(hào)所指的即為n型半導(dǎo)體，和二極體的符號(hào)一致。在沒接外加偏壓時(shí)，兩個(gè)pn接面都會(huì)形成耗盡區(qū)， 將中性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開。三極管的電特性和兩個(gè)pn結(jié)面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來分類，這里我們先討論最常用的所謂 ”正向活性區(qū)”（forward active），在此區(qū)EB極間的pn結(jié)面維持在正向偏壓，而BC極間的pn結(jié)面則在反向偏

29、壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。EB接面的空乏區(qū)由于正向偏壓會(huì)變窄，載體看到的位障變小，射極的空穴會(huì)注入到基極，基極的電子也會(huì)注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導(dǎo)通的。三極管和兩個(gè)反向相接的 pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個(gè)接面相當(dāng)接近。以上述 之偏壓在正向活性區(qū)之 PNP三極管為例，射極的空穴注入基極的n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴(kuò)散，同時(shí)也被電子復(fù)合。 當(dāng)沒有被復(fù)合的空穴到達(dá)BC接面的耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)被此區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加速掃入集電極，空穴在集電極中為多數(shù)載體，很 快借由漂移電流到達(dá)連結(jié)外部的歐姆接

30、點(diǎn)，形成集電極電流lc。lc的大小和BC間反向偏壓的大小關(guān)系不大?；鶚O外部僅需提供與注入空穴復(fù)合部分的電子流iBrec,與由基極注入射極的電子流lnBE（這部分是三極管作用不需要的部分）。InBE在射極與與電洞復(fù)合，即InBE = I Erecc射極注入基極的空穴流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來控制，和二極體的情形類似，在啟動(dòng)電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變化。更精確的說，三極管是利用Veb （或Vbe）的變化來控制lc,而且提供之Ib遠(yuǎn)比Ic小。NPN三極管的操作原理和 PNP三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方向均相反，電子和空穴的角色互易。PNP三極管是利用 Veb

31、控制由射極經(jīng)基極，入射到集電極的空穴，而NPN三極管則是利用 VBE控制由射極經(jīng)基極、 入射到集電極的電子。 三極管在數(shù)字電路中的用途其實(shí)就是開關(guān)，利用電信號(hào)使三極管在正向活性區(qū)（或飽和區(qū)）與截止區(qū)間切換，就開關(guān)而言，對(duì)應(yīng)開與關(guān)的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則代表 0與1 （或1與0 ）兩個(gè)二進(jìn)位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在 正向活性區(qū)，在發(fā)射極與基極間微小的電信號(hào)（可以是電壓或電流）變化， 會(huì)造成射極與集電極間電流相對(duì)上很大的變化，故可用作信號(hào)放大器。晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N

32、表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子， 在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅 介紹NPN硅管的電流放大原理。對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊 P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Eb。在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做

33、得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多 數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10% ）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：le=lb+lc，這就是說，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小 的lb，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作

34、用，Ic與lb是維持一定的比例關(guān)系，即：31 = lc/lb式中：31稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量 Ic與基極電流的變化量 lb之比為：3 = / lb。式中3稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)3和3的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，3值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。EENPN三極管放大時(shí)管子內(nèi)部的工作原理如下：1發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子（形成發(fā)射極電流）發(fā)射結(jié)施加正向電壓且摻雜濃度高，所以發(fā)射區(qū)多數(shù)自由電子越過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，發(fā)射區(qū)的自由電子由直流電源補(bǔ)充，從而形成了發(fā)射極電流。

35、（同時(shí)，基區(qū)的多數(shù)載流子也會(huì)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射極電流的一部分。由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度較低，因此由基區(qū)多數(shù)空穴形成的電流可以忽略不計(jì)）2自由電子在基區(qū)和空穴復(fù)合，形成基區(qū)電流，并繼續(xù)向集電區(qū)擴(kuò)散自由電子進(jìn)入基區(qū)后， 先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集， 漸漸形成電子濃度差， 在濃度差的作用 下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流。也有很小一部分電子（因?yàn)榛鶇^(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復(fù)合（基區(qū)中的空穴由直流電源補(bǔ)充），擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流由于集電結(jié)加反向電壓且面積很大，這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)

36、電子向基區(qū)擴(kuò)Icn。另外集電區(qū)的Icbo來表示，其散，同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流 少數(shù)載流子（空穴）也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用數(shù)值很小，但對(duì)溫度卻異常敏感。I1-無州加HIE4三極管工作狀態(tài)NPN型，當(dāng)B與E之間電壓Vbe0.5V時(shí)，如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是 VcVbVe,則會(huì) 處於放大狀態(tài)；如果是 VbVcVe則會(huì)處於飽和狀態(tài)（相當(dāng)于開關(guān)）；如果此時(shí) VeVc則仍會(huì) 處於截止?fàn)顟B(tài)。PNP型，當(dāng)B和E之間電壓 Veb0.5V時(shí)，如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是 VeVbVc,則會(huì) 處於放大狀態(tài)；如果是 VeVcVb則會(huì)處於飽和狀態(tài)（相當(dāng)於開關(guān)）；如果此時(shí)

37、VcVe則仍會(huì)處 於截止?fàn)顟B(tài)。注：三極管放大狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)通能力大小由基極電流Ib決定，因此三極管是電流控制型元件。g.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器（簡稱 運(yùn)放”是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合 反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算， 故得名 運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。 運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)（an

38、 alog computer ）的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過加減乘除的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無論是使用晶體管（transistor） 或真空管（vacuum tube ）、分立式（discrete） 元件或集成電路（integrated circuits）元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。反轉(zhuǎn)啟大器運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端 a （反相輸入端），b （同相輸入端）和

39、一個(gè)輸出端0。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從 a端高于公共端時(shí)，輸出電壓 U實(shí)際方向則自公共端指向 o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b端分別用-和+號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo) 出或用箭頭表示。一般可將運(yùn)放簡單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（Out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放， 其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。 采用單電源供電的運(yùn)放， 輸出在電源 與地之間的某一范圍變化。運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌（rail-to-rail ）輸入運(yùn)算