電氣維修方法論第十八篇(電氣元件的工作原理)

電氣維修方法論第十八篇(電氣元件的工作原理)

電氣元件是組成電路并實(shí)現(xiàn)電氣功能的最小單元，也是電氣維修中需要認(rèn)知的最終對(duì)象，如果損壞一般只更換不維修。它種類繁多、形式多樣、原理不同、功能各異和應(yīng)用廣泛，而且新元件層出不窮、日新月異。電氣元件屬于復(fù)雜對(duì)象，所有電氣元件構(gòu)成電氣元件集，繼承了相同特性的電氣元件組成電氣元件類，每類電氣元件都有相同的本質(zhì)特征和規(guī)律，每個(gè)具體電氣元件都有自身的特殊特征和規(guī)律。通過學(xué)習(xí)預(yù)先掌握同類電氣元件的本質(zhì)特征和規(guī)律，在實(shí)踐中結(jié)合具體電氣元件的特殊特征和規(guī)律就能全面高效認(rèn)知具體電氣元件的綜合特征和規(guī)律。

先科學(xué)的認(rèn)知電氣元件，才能正確的使用電氣元件。認(rèn)知前要先系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理、化學(xué)、電磁學(xué)等理論知識(shí)，再積累相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了提高認(rèn)知效率，降低認(rèn)知難度，在符合人直覺和認(rèn)知習(xí)慣的前提下，需要從學(xué)習(xí)理解、設(shè)計(jì)生產(chǎn)和使用維護(hù)的層面將電氣元件按照工作原理、功能用途、規(guī)格封裝的角度進(jìn)行分類，逐步掌握每類電氣元件本質(zhì)特征和規(guī)律，才能深刻解釋元件故障原理，正確判斷元件的好壞，選擇合理的處理辦法。

工作原理能解釋電氣元件的功能，功能決定其用途，用途決定其封裝。相同工作原理的電氣元件有多種功能用途、規(guī)格封裝;相同功能用途的電氣元件有多種工作原理、規(guī)格封裝;相同規(guī)格封裝的電氣元件有多種工作原理、功能用途。從各層面和多角度對(duì)電氣元件分類存在部分重疊，會(huì)造成對(duì)個(gè)別電氣元件重復(fù)介紹，產(chǎn)生一定亢余量，請(qǐng)讀者諒解。

電氣元件按電氣功能分為基礎(chǔ)元件和復(fù)合元件。基礎(chǔ)元件是具有單一的基本電氣功能的獨(dú)立元件，常見的有電阻、電容、電感、二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、電壓源和電流源。復(fù)合元件是由多個(gè)基礎(chǔ)元件組成具有復(fù)雜電氣功能的電氣元件，如各類集成電路等，分為多個(gè)相同電氣元件并列封裝在一起的組合元件和多個(gè)不同電氣元件組合封裝在一起具有新電氣功能的復(fù)合元件兩類。先把基礎(chǔ)電氣元件抽象為理想元件，理想元件通過組合連接形成等效電路替代復(fù)合電氣元件(復(fù)合電氣元件有幾種工作狀態(tài)就有幾套等效電路)，等效電路的組織結(jié)構(gòu)和伏安特性就是復(fù)合電氣元件的特征和規(guī)律。

現(xiàn)代電氣元件向模塊化方向發(fā)展，把核心電氣元件和輔助電氣元件整合在一起形成具有完整電氣功能的電氣模塊，能減小電路的體積，提高電路的可靠性。

電氣元件從早期電子管到現(xiàn)代晶體管和集成電路，未來電氣元件的基材從現(xiàn)今硅晶片向碳基、石墨烯等新電氣材料方向發(fā)展，隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的出現(xiàn)會(huì)不斷產(chǎn)生具有新功能、高性能、高可靠和適用范圍廣的新電氣元件，維護(hù)時(shí)盡量用新電氣元件替換老舊電氣元件。因?yàn)殡姶胚\(yùn)動(dòng)的不可見性，需要借助專用儀器測(cè)量電氣元件輸入輸出物理量判斷其是否正常工作，測(cè)量其主要電氣參數(shù)判斷其好壞。

因?yàn)殡姎庠N類多更新快，所以本書只對(duì)常用電氣元件進(jìn)行分類介紹，請(qǐng)讀者按照該分類思路通過實(shí)踐逐步創(chuàng)建和補(bǔ)充完善自己的電氣元件類庫(kù)。鑒于本書主題是研究電氣維修方法論，所以盡量用定性方式描述每類電氣元件本質(zhì)特征和規(guī)律，完整精確的定量分析請(qǐng)讀者自行查閱相應(yīng)專業(yè)書籍。

一、為提高查找故障源的效率，電氣元件需要從工作原理的角度進(jìn)行分類并掌握其本質(zhì)特征和規(guī)律，有利于判斷獨(dú)立電氣元件好壞(內(nèi)因)。電氣元件工作原理包含材質(zhì)成份、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和外部連接方式、工作狀態(tài)和等效模型、能量變換等因素。

電氣元件在獨(dú)立狀態(tài)下用專用儀器檢測(cè)其好壞。如果沒有專用儀器，用通用儀器測(cè)量電氣元件參數(shù)(如端口間阻值)，再與相同正常元件或技術(shù)資料參數(shù)作對(duì)比，結(jié)合其工作原理推測(cè)其好壞。

材質(zhì)成份

構(gòu)成電氣元件的材料主要是絕緣材料、導(dǎo)體和半導(dǎo)體，絕緣材料用于電氣隔離，導(dǎo)體進(jìn)行等電位連接，利用半導(dǎo)體的各種物理性能實(shí)現(xiàn)非線性電氣功能。常用半導(dǎo)體材料是硅或鍺，摻入某些微量元素后形成P型和N型半導(dǎo)體，在兩種類型半導(dǎo)體接觸面形成PN節(jié)，硅的PN結(jié)電壓為0.7V，鍺的PN結(jié)電壓為0.4V。在半導(dǎo)體中摻入其它元素可以改變其物理性能，實(shí)現(xiàn)不同的電氣功能。

除少數(shù)電氣元件(如化學(xué)電池和電磁元件)，大部分電氣元件運(yùn)動(dòng)都屬于分子或原子級(jí)的物理運(yùn)動(dòng)，所以多數(shù)電氣元件在額定工作條件下沒有材質(zhì)損耗，體積沒有變化，使用壽命較長(zhǎng)。

和宏觀的機(jī)械、化學(xué)運(yùn)動(dòng)不同，除了借助于專業(yè)儀器，人眼睛無法直接觀察到電氣元件的電磁運(yùn)動(dòng)，這也是觸電事故頻發(fā)的重要原因。

內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和外部連接方式

電氣元件通常由導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、鐵磁體、抗磁體和順磁體等具有電氣特性的材料組成，不同介質(zhì)按照各自的物理形態(tài)封閉在有限的固定空間中，通過內(nèi)部或外部物理運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電磁能存儲(chǔ)或釋放、與其它能量相互轉(zhuǎn)換等功能，對(duì)外通常表現(xiàn)為輸入輸出端電壓或電流等基本物理量大小或方向的變化，是實(shí)現(xiàn)電路功能的基礎(chǔ)零件。

電信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)分為同步信號(hào)和異步信號(hào)。導(dǎo)體能直接將電信號(hào)混合在一起。電氣元件能接收、處理和輸出電信號(hào)。按電氣端口數(shù)電氣元件分為單端、雙端、三端和多端電氣元件。單端和雙端元件要依靠電信號(hào)自帶的能量工作，屬于無源元件。單端元件讓電信號(hào)只進(jìn)不出，雙端元件能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的雙向傳輸。三端和多端通常需要外部電源才能工作，屬于有源元件。如果有源元件的輸入阻抗遠(yuǎn)低于輸出阻抗，電信號(hào)正向傳輸效率高于反向傳輸效率，能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的單向傳輸。有源元件單向傳輸特性能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)分配(一進(jìn)多出)和合并(多進(jìn)一出)功能，一進(jìn)多出將一路電信號(hào)分配為多路，多進(jìn)一出能實(shí)現(xiàn)多路電信號(hào)的算術(shù)、邏輯和比較等運(yùn)算。

工作狀態(tài)和等效模型

電氣元件工作中有多種不同階段，但在同一時(shí)間內(nèi)只能處于一種階段的某些狀態(tài)下。以人的正常響應(yīng)時(shí)間為參考，狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)和異態(tài)。穩(wěn)態(tài)通常是電氣元件正常工作的持續(xù)狀態(tài)，暫態(tài)通常是電氣元件各種穩(wěn)態(tài)間相互轉(zhuǎn)換時(shí)的過度狀態(tài)，異態(tài)通常是電氣元件異常環(huán)境下的極端狀態(tài)。通常分為以下幾種階段：

關(guān)閉階段是電氣元件沒有獲得電能前的關(guān)閉階段，屬于穩(wěn)態(tài)。

工作階段是電氣元件獲得電能并正常的工作階段，屬于穩(wěn)態(tài)。有的電氣元件有多重工作階段，如晶體三極管就有放大、截至、飽和三重階段，二極管有正向?qū)?、反向截止和反向擊穿三重階段。

停止階段是電氣元件獲得電能但停止工作的階段，屬于穩(wěn)態(tài)。

切換階段是電氣元件在關(guān)閉、停止和工作三個(gè)階段之間相互轉(zhuǎn)換的過度階段，屬于暫態(tài)。如電容的充放電過程和電感電流通斷的過程。

極限階段是電氣元件處于異常環(huán)境下的階段，屬于異態(tài)。常見異常環(huán)境有超極限的電壓、電流、溫度或機(jī)械震動(dòng)等。電氣元件工作在極限階段中容易損壞或縮短壽命。

為了方便理解復(fù)雜電氣元件的工作原理，將抽象的理想導(dǎo)線、理想電阻、理想電容、理想電感、理想二極管、理想三極管、理想電壓源和理想電流源作為基礎(chǔ)元件，組成多個(gè)等效電路模擬復(fù)雜電氣元件在不同階段工作原理，用不同階段下等效電路的組織結(jié)構(gòu)和外部連接描述復(fù)雜電氣元件的本質(zhì)特征。用不同階段下等效電路的輸入輸出電壓、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度和功率等變化描述復(fù)雜電氣元件的本質(zhì)規(guī)律。常用電氣元件都有獨(dú)自圖形符號(hào)和簡(jiǎn)稱，相同圖形符號(hào)的電氣元件工作原理相近，通過查詢圖形符號(hào)就能大致了解其本質(zhì)特征和規(guī)律。

能量變化

電氣元件工作時(shí)需要消耗電能，無源電氣元件消耗的是輸入電信號(hào)的能量，輸出電信號(hào)強(qiáng)度必然低于輸入電信號(hào)。有源電氣元件消耗的是外部電源提供的能量，輸出電信號(hào)強(qiáng)度能夠大于或等于輸入電信號(hào)的強(qiáng)度。

因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)小于一，電氣元件工作時(shí)部分電能必然轉(zhuǎn)換為熱能，所以電氣元件工作階段的溫度必然高于停止階段。通過紅外線檢測(cè)電氣元件表面溫度，可以定性估測(cè)其工作狀態(tài)。通常通過電氣元件的電流越大其能耗越大，通過檢測(cè)通過電流，可以定性估測(cè)其工作狀態(tài)。

(一)傳統(tǒng)元件類

利用人類最初發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)體、絕緣體、鐵磁體、抗磁體和順磁體等傳統(tǒng)電氣材料制造出基礎(chǔ)的電氣元件，實(shí)現(xiàn)傳輸分配電能、通斷限制電流、存儲(chǔ)電場(chǎng)和磁場(chǎng)等基礎(chǔ)電氣功能。導(dǎo)線、電阻、電容和電感都屬于線性電氣元件，可用頻域復(fù)數(shù)描述其本質(zhì)規(guī)律。

導(dǎo)線

用線或面形狀的導(dǎo)體(銅或鋁)并外敷絕緣材料(如塑料、橡膠或絕緣漆等)就制造出導(dǎo)線。導(dǎo)線屬于雙向雙端元件。在電路原理圖中用實(shí)線代表導(dǎo)線，分析時(shí)通常用阻值為零的電阻(符號(hào)R0)代替導(dǎo)線。導(dǎo)線的主要物理參數(shù)是截面積，極限物理參數(shù)是絕緣耐壓值。如果導(dǎo)線兩端存在電位差就會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生電流，電流超過導(dǎo)線額定值容易燒毀導(dǎo)線，在導(dǎo)線上電壓過高要擊穿其絕緣層，使導(dǎo)線處于異常狀態(tài)。通常用歐姆計(jì)判斷導(dǎo)線好壞。

導(dǎo)線的本質(zhì)特征和規(guī)律是電阻近似為零，導(dǎo)體上電位處處相等。因?yàn)閷?dǎo)體對(duì)電流阻力小耗能很低，所以在電路中主要用于傳輸和分配電能。導(dǎo)線有多種外觀樣式(如電線、銅排或敷銅皮等)。不同廠家電線產(chǎn)品的型號(hào)編碼也不同。

電阻

利用電流通過阻力較大導(dǎo)體(碳、高阻合金等)時(shí)受到限制并把電能轉(zhuǎn)換為熱能的特性就制造出電阻元件。電阻至少有兩個(gè)以上端口，屬于雙向雙端元件。在電路原理圖中用電阻符號(hào)和字母R代表電阻，主要物理參數(shù)是電阻值，其值大小表示限制電流的能力，計(jì)算公式：R=，ρ是電阻率，L是電阻長(zhǎng)度，S是電阻截面積;伏安特性：，規(guī)定當(dāng)電阻器兩端電勢(shì)差為1伏時(shí)流過電阻器的電流為1安，電阻值為基本單位1歐姆(Ω)，常用數(shù)量單位有千歐(KΩ)、兆歐(MΩ)等。

電阻基本原理是電荷在導(dǎo)體中移動(dòng)時(shí)和分子碰撞產(chǎn)生的阻力，其本質(zhì)特征和規(guī)律是阻礙電荷流動(dòng)的能力，限制通過自身電流的大小。電阻在電路中主要用于降低電壓，限制電流。電阻兩端存在電位差就會(huì)在電阻中產(chǎn)生電流。電阻的極限物理參數(shù)是最大功率值，如果電流超過額定值容易燒毀電阻，使電阻處于異態(tài)。

通常用萬用表的電阻檔測(cè)量阻值判斷電阻好壞，測(cè)量時(shí)要考慮電信號(hào)頻率以及工作環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。真實(shí)電阻由理想電阻R和其它等效元件(引線電感Ls和分布電容Cp)組成。當(dāng)通過高頻電流時(shí)需要考慮等效元件的影響，其阻抗和通過交流電流的頻率f相關(guān)。

電阻還能制造為將電能轉(zhuǎn)換為熱能的電熱元件和因溫度高而發(fā)光的發(fā)光元件。根據(jù)實(shí)際需要，電阻有多種封裝樣式，廠家不同電阻產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

電容

利用電荷同性相斥異性相吸的特征，兩塊面積較大的導(dǎo)體極板重疊放置，中間用絕緣體隔開就制造出可以存儲(chǔ)電場(chǎng)能的電容元件。電容至少有兩個(gè)以上端口，其中無極電容屬于雙向雙端元件。在電路原理圖中用電容符號(hào)和字母C代表電容，主要物理參數(shù)是電容值，其值大小表示容納電荷的能力，計(jì)算公式：C=，式中：ε是介電常數(shù)，k是靜電力常量，S是兩板正對(duì)面積，d是兩板間距離;電氣特性：C=;規(guī)定在電容器兩極板間的電勢(shì)差為1伏時(shí)所存儲(chǔ)電荷量為1庫(kù)倫，電容值為基本單位1法拉(F)，常用數(shù)量單位有微法拉(uF)、皮法拉(pF)等。

電容基本原理是用絕緣介質(zhì)隔離的正負(fù)電荷相互吸引形成的平衡狀態(tài)，其本質(zhì)特征和規(guī)律是存儲(chǔ)電場(chǎng)能。電容在電路中主要用于延遲電壓的變化。在電容兩端存在直流電位差時(shí)，通過電容的電流為零。在電容兩端存在交流電位差時(shí)，通過電容的電流大于零，頻率越高電流越大。電容的極限物理參數(shù)是最大耐壓值，如果電壓超過額定值容易燒毀電容，使電容處于異態(tài)。

通常用萬用表的電容檔判斷電容好壞，測(cè)量時(shí)要考慮電信號(hào)頻率以及工作環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。有極電容器的極性判別方法：用萬用表測(cè)量就可以了，先把電解電容放電，然后將表筆接到兩端，擺動(dòng)大的那次就對(duì)了，但要注意：指針表的正極對(duì)的是電容的負(fù) 極，數(shù)字表相反，而且，兩次測(cè)量之間，電容必須放電。用元件引腳長(zhǎng)短來區(qū)別正負(fù)極，長(zhǎng)腳為正，短腳為負(fù);電容上面有標(biāo)志的黑塊為負(fù)極。在PCB板上電解電容的封裝符號(hào)為圓圈，圈中涂顏色的半圓對(duì)應(yīng)電容負(fù)極引腳。

真實(shí)電容由理想電容C和其它等效元件(介質(zhì)損耗Rc，引線電阻Rn和分布電感Ln)組成，當(dāng)通過交流電流時(shí)需要考慮等效元件的影響，其阻抗和通過交流電流的頻率f相關(guān)。如果通過直流電流并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，真實(shí)電容可視為開路;如果通過低頻交流電流時(shí)，因?yàn)榻橘|(zhì)損耗Rc很小可忽略不計(jì)，具體電容可視為理想電感C、引線電阻Rn和分布電感Ln串聯(lián)。

如果極板間能相對(duì)運(yùn)動(dòng)成為靜電電機(jī)能將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。靜電電機(jī)電容值越大、加在極板上電壓越高，其輸出的機(jī)械力越大。常用電容有陶瓷、滌綸、電解質(zhì)、鉭等類型。根據(jù)實(shí)際需要，電容有多種封裝形式，廠家不同電容產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

電感

利用渦旋電流要產(chǎn)生磁場(chǎng)的特征，將絕緣導(dǎo)線呈環(huán)狀反復(fù)纏繞在絕緣管上形成線圈(絕緣管可以是空心的，也可以包含鐵芯或磁粉芯)，就制造出可以存儲(chǔ)磁場(chǎng)能的電感元件。電感至少有兩個(gè)以上端口，屬于雙向雙端元件。在電路原理圖中用電感符號(hào)和字母L代表電感，主要物理參數(shù)是電感值，其值大小表示容納磁場(chǎng)的能力，計(jì)算公式：L=μ*S*N2/ Lm，式中：μ是磁芯的磁導(dǎo)率、S是磁心的截面積、N是線圈的匝數(shù)、Lm是磁芯的磁路長(zhǎng)度;電氣特性：L=，規(guī)定在通過電感截面的電流為1安培時(shí)所存儲(chǔ)磁通量為1韋，電感值為基本單位1亨利(H)，常用數(shù)量單位有毫亨(mH)、微亨(uH)等。

電感基本原理是電荷沿螺旋線圈移動(dòng)時(shí)將磁場(chǎng)匯聚到線圈中，其本質(zhì)特征和規(guī)律是存儲(chǔ)磁場(chǎng)能。電感在電路中主要用于延遲電流的變化。直流電通過電感時(shí)，電感兩端的電位差為零。交流電通過電感時(shí)，電感兩端的電位差大于零，頻率越高電位差越大。極限物理參數(shù)是最大電流值，如果電流超過額定值容易燒毀電感，使電感處于異態(tài)。

通常用萬用表的電感檔測(cè)量阻值判斷電感好壞，測(cè)量時(shí)要考慮電信號(hào)頻率以及工作環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。

真實(shí)電感由理想電感L和其它等效元件(損耗電阻RL和分布電容CL)組成，當(dāng)通過交流電流時(shí)需要考慮等效元件的影響，其阻抗和通過交流電流的頻率f相關(guān)，如果通過直流電流并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，真實(shí)電感可視為電阻RL;如果通過低頻交流電流時(shí)，具體電感可視為理想電感L和損耗電阻RL的串聯(lián)。

含有鐵芯的電感極大的增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度成為電磁鐵能將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電磁鐵電感量和通過線圈電流越大，電磁鐵輸出的機(jī)械力越大。常用電感有鐵芯、鐵氧體、銅芯等類型。根據(jù)實(shí)際需要，電感有多種封裝形式，廠家不同電感產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

因?yàn)榱鬟^電阻、電容和電感的電流和端口電壓成線性的關(guān)系，所以把電阻、電容和電感統(tǒng)稱為線性電氣元件。全部由線性電氣元件組成電路的伏安特性為，Z=R+i(ωL+1/ωC )，其中：ω=2πf，Z為阻抗，R為電路總阻值，L為電路總電感值，C為總電阻值。

電壓源

通過發(fā)電裝置把其它能源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的電能。電壓源至少有兩個(gè)以上輸出引腳，屬于單向雙端元件。在電路原理圖中用電壓源符號(hào)和字母(直流電壓源DC)或(交流電壓源AC)代表電壓源，直流電壓源輸出電壓值保持不變，輸出電流隨著負(fù)荷而變化的特征，主要物理參數(shù)是直流電壓值、最大輸出電流。交流電壓源輸出電壓值呈正弦波變化，但是輸出有效電壓不變，主要物理參數(shù)是電壓有效值、最大輸出電流、頻率和起始相位。

電壓源本質(zhì)特征和規(guī)律是內(nèi)阻很小，能對(duì)外輸出電壓穩(wěn)定的電能。電壓源主要為電路提供電壓穩(wěn)定的工作電源，輸出電流越大，輸出功率越大。如果輸出電流超過極限值容易燒毀電壓源，使電壓源處于異常狀態(tài)。

通常用萬用表的電壓檔測(cè)量電壓判斷電壓源好壞。真實(shí)電壓源是由理想電壓源V和內(nèi)阻Ru串聯(lián)組成。真實(shí)電壓源輸出：U=V1-I*Ru，當(dāng)Ru遠(yuǎn)小于負(fù)荷RL時(shí)輸出電壓U接近或等于理想電壓源V1。

常用的電壓源有化學(xué)電池、機(jī)械發(fā)電機(jī)等。根據(jù)實(shí)際需要，電壓源有多種封裝形式，廠家不同電壓源產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

電流源

通過發(fā)電裝置把其它能源轉(zhuǎn)換為電流穩(wěn)定的電能。電流源至少有兩個(gè)以上輸出引腳，屬于單向雙端元件。在電路原理圖中用電流源符號(hào)和字母Is代表電流源。電流源輸出電流值保持不變，輸出電壓隨著負(fù)荷而變化的特征，主要物理參數(shù)有直流電流值，最大輸出電壓。

電流源本質(zhì)特征和規(guī)律是內(nèi)阻很大，能對(duì)外輸出電流穩(wěn)定的電能。電流源主要為電路提供電流穩(wěn)定的工作電源，輸出電壓越高，輸出功率越大。如果輸出電壓超過電流源的極限值容易擊穿電流源，使電流源處于異常狀態(tài)。

通常用萬用表的電流檔測(cè)量電流判斷電流源好壞。真實(shí)電流源是由理想電流源Is1和內(nèi)阻Ri并聯(lián)組成。真實(shí)電流源輸出：I=Is1-Is1*Ri/(Ri+RL)，當(dāng)Ri遠(yuǎn)小于負(fù)荷RL時(shí)輸出電流I接近或等于理想電壓源Is。

常用的電流源有硅晶板電池等。根據(jù)實(shí)際需要，電流源有多種封裝形式，廠家不同電流源產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

因?yàn)槔硐腚妷涸磧?nèi)阻無窮小和理想電流源內(nèi)阻無窮大，所以電壓源和電流源不能互相等效。真實(shí)電壓源和真實(shí)電流源的內(nèi)阻總是有限，當(dāng)條件具備時(shí)兩種電源可以相互轉(zhuǎn)換。如果電壓源與電流源對(duì)相同負(fù)荷電路提供相同的電壓、電流和功率，不影響負(fù)載電路工作，那么兩種電源對(duì)于負(fù)載電路是互為等效電源。含內(nèi)阻的電壓源與電流源等效互換的條件：Vs2=Is2*Ri1，Is2=Vs2/Rv1。

多個(gè)含電源支路作串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)時(shí)，可將其輸出端簡(jiǎn)化為一個(gè)電壓源或電流源。與電壓源串聯(lián)的電阻可視為其內(nèi)阻，與電流源并聯(lián)的電阻可視為其內(nèi)阻。

(二)半導(dǎo)體元件類

半導(dǎo)體(如硅Si或鍺Ge等)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其導(dǎo)電性能容易受到雜質(zhì)濃度、溫度和光線等因素的影響，利用其特殊電氣性質(zhì)可以制造許多新型電氣元件，控制通過其電流和電壓的變化，實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ?、電流放大和電壓放大等電氣功能。純凈半?dǎo)體只有微量電子構(gòu)成的少數(shù)載流子，導(dǎo)通能力較弱。向半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素(如硼等)形成以入空穴為多數(shù)載流子的P型半導(dǎo)體，摻入五價(jià)元素(如磷等)形成以電子為多數(shù)載流子的N型半導(dǎo)體，P型和N型半導(dǎo)體的導(dǎo)通能力較強(qiáng)。多數(shù)載流子是決定半導(dǎo)體元件電氣性能主要因素，少數(shù)載流子為次要因素。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后在結(jié)合部因?yàn)檩d流子的濃差梯度產(chǎn)生擴(kuò)散力，將N型半導(dǎo)體中電子擴(kuò)散到P型半導(dǎo)體與空穴結(jié)合形成PN結(jié)。因?yàn)殡姾煞植疾黄胶猓栽赑N結(jié)形成從N指向P的內(nèi)電場(chǎng)(又稱為閾值電壓，Si為0.7V和Ge 為0.3V)平衡擴(kuò)散力。PN結(jié)具有單向?qū)ǖ碾姎馓卣?，?dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩端施加外部電場(chǎng)，如果方向和內(nèi)電場(chǎng)相反(正向偏置)，電壓越高PN結(jié)越薄，導(dǎo)通能力越強(qiáng)，值超過內(nèi)電場(chǎng)后變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通狀態(tài)，形成多數(shù)載流子組成的擴(kuò)散電流。如果方向和內(nèi)電場(chǎng)相同(反向偏置)，電壓越高PN結(jié)越厚，導(dǎo)通能力越弱，最后變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，只有少數(shù)載流子組成的漂移電流。

PN結(jié)是半導(dǎo)體元件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，用歐姆表測(cè)量其正反向電阻值，如果兩次測(cè)量阻值差異較大可判斷二極管完好。在阻值較小的測(cè)量中用黑表筆接觸端口為PN結(jié)正極，紅表筆接觸端口為PN結(jié)負(fù)極。二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等基本半導(dǎo)體元件都是非線性電氣元件，為降低非線性電氣元件分析難度，將非線性元件做線性化處理。通常建立非線性電氣元件在不同工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的線性等效電路，簡(jiǎn)化其本質(zhì)特征和規(guī)律的描述。

晶體二極管

利用單個(gè)PN結(jié)單向?qū)щ姷奶卣骺梢灾圃於O管元件。二極管有兩個(gè)端口，正端A稱為陽極，連接PN結(jié)的P型半導(dǎo)體，負(fù)端K稱為陰極，連接PN結(jié)的N型半導(dǎo)體。電流只能從陽極A向陰極K方向移動(dòng)，屬于單向雙端元件。在電路原理圖中用二極管符號(hào)和字母D代表二極管，主要物理參數(shù)有：最大整流電流IF、最高反向工作電壓Udrm、最高工作頻率Fm等。

二極管基本原理是用PN結(jié)正向偏置時(shí)呈導(dǎo)通狀態(tài)，反向偏置時(shí)呈截止?fàn)顟B(tài)，其本質(zhì)特征和規(guī)律是能夠單向傳輸電流的電氣元件。二極管在電路中主要用于將交流電整流為直流電。當(dāng)二極管兩端施加正向電壓大于PN結(jié)閾值電壓時(shí)，二極管處于正向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)。如果導(dǎo)通電流過大燒毀，使二極管處于異態(tài)。在二極管兩端施加反向電壓，二極管處于反向截止的穩(wěn)態(tài)。如果反向電壓超過極限值會(huì)擊穿二極管，使二極管處于異態(tài)。

判斷普通二極管完好的檢測(cè)辦法和PN結(jié)一樣，測(cè)量時(shí)表筆接觸二極管的陽極和陰極。對(duì)測(cè)量結(jié)果要考慮到信號(hào)頻率以及工作環(huán)境的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。

正常工作時(shí)二極管有正向?qū)ê头聪蚪刂箖煞N工作狀態(tài)。正向?qū)〞r(shí)可用一恒壓源等效，該電壓與溫度和所流過的電流成正比。通常用伏安特性圖描述真實(shí)二極管正向?qū)ê头聪蚪刂闺姎馓匦裕?/p>

除了常用的整流二極管，二極管還分為穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、紅外二極管、光敏二極管、熱敏二極管等種類。當(dāng)反向偏置電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管兩端電壓值不隨通過電流大小而變化;當(dāng)正向偏置電壓高于發(fā)光二極管的工作電壓(1.4～3V)時(shí)，發(fā)光二極管能夠正常發(fā)光;當(dāng)正向偏置電壓高于紅外二極管的工作電壓(1.3～2.5V)時(shí)，紅外二極管能夠正常發(fā)出紅外光，可以通過手機(jī)攝像頭觀察到其是否正常工作。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)或溫度發(fā)生變化時(shí)光敏或熱敏二極管的導(dǎo)通阻值也會(huì)隨之而變化，否則其已損壞，在電路中常用作光強(qiáng)或溫度傳感器。根據(jù)實(shí)際需要，二極管有多種封裝形式，廠家不同二極管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

晶體三極管

在半導(dǎo)體適當(dāng)位置同時(shí)制作兩個(gè)相對(duì)分布的PN結(jié)，得到實(shí)現(xiàn)電流放大的三極管。三極管有三個(gè)端口，分為集電極c，基極b，發(fā)射極e，c極與b極之間的PN結(jié)叫集電結(jié)，b極與e極之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)。通常b極與e極為輸入端，c極與e極為輸出端，屬于單向三端元件。通常在電路原理圖中用三極管符號(hào)和字母Tr代表三極管。主要物理參數(shù)有：放大倍數(shù)β、集電極最大允許電流ICM、集電極最大允許功耗PCM和反向擊穿電壓UBR等。三極管屬于電流控制的放大元件，基極電流Ib和集電極電流Ic方向相同，共同流入或流出發(fā)射極E。如果基極電流Ib發(fā)生微小變化，那么集電極電流Ic會(huì)產(chǎn)生較大幅值的變化，計(jì)算公式：β=dIc/dIb。

三極管基本原理是調(diào)節(jié)PN結(jié)厚薄控制其導(dǎo)通能力，其本質(zhì)特征和規(guī)律是用微弱電流控制主電流變化的電氣元件，屬于放大電路的核心元件，主要用于調(diào)節(jié)(放大或縮小)或開關(guān)電流。三極管按PN結(jié)的排列分為NPN管和PNP管，在電路中NPN管的集電極電位高于發(fā)射極電位，PNP管的發(fā)射極電位高于集電極電位。正常工作電路中的晶體三極管有放大、飽和和截止三種工作狀態(tài)。

三極管如果發(fā)射結(jié)正向偏置和集電結(jié)反向偏置，而且發(fā)射結(jié)電壓大于PN結(jié)閾值電壓，那么基極電流能控制集電極電流變化，使三極管處于電流放大狀態(tài)，屬于穩(wěn)態(tài)。如果發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置，而且發(fā)射結(jié)電壓大于PN結(jié)閥值電壓，那么基極電流不能控制集電極電流變化，集電極電流隨負(fù)載而變化，這時(shí)集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，使三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，屬于穩(wěn)態(tài);如果發(fā)射結(jié)是反向偏置，那么基極、集電極和發(fā)射極的電流都為零，使三極管處于截止斷開狀態(tài)，屬于穩(wěn)態(tài);如果加在集電極和發(fā)射極上的電壓過高會(huì)造成三極管擊穿，使三極管處于擊穿故障狀態(tài)，屬于異態(tài)。

通常用伏安特性圖描述真實(shí)三極管放大、飽和導(dǎo)通和截止斷開的電氣特性：放大狀態(tài)視為基極電流和集電極電流成正比電流源;飽和導(dǎo)通狀態(tài)視為以集電極和發(fā)射極為輸出端口的電壓源;截止斷開狀態(tài)視為集電極和發(fā)射極之間開路。

通常用萬用表的二極管檔結(jié)合三極管檔判斷三極管好壞，測(cè)量時(shí)要考慮電信號(hào)頻率以及工作環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。

三極管按工作頻率分為高頻管和低頻管;按功率分為小功率管、中功率管和大功率管;按用途分為開關(guān)管和放大管。根據(jù)實(shí)際需要，三極管有多種封裝形式，廠家不同三極管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

場(chǎng)效應(yīng)管

在半導(dǎo)體上按專門結(jié)構(gòu)要求布局PN結(jié)，得到用電壓控制主電流的場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)端口，分別為柵極g、漏極d、源極s，通常g極與s極為輸入端，s極與d極為輸出端，屬于單向三端元件。通常在電路原理圖中用場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)和字母FET代表場(chǎng)效應(yīng)管。主要物理參數(shù)有：開啟電壓Ugs(th)、夾斷電壓Up、漏源電流Ids，漏源電壓Uds，跨導(dǎo)Gm、漏源擊穿電壓BUDS等。場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制的放大元件，Ugs的方向垂直于Id方向，柵極電流為零，漏極和源極電流相等。如果柵源電壓Ugs發(fā)生變化，那么漏源電流Id會(huì)產(chǎn)生較大幅值的變化。

場(chǎng)效應(yīng)管基本原理是用電場(chǎng)Vgs調(diào)節(jié)PN結(jié)寬窄控制導(dǎo)電溝道從無到有、從小到大從而調(diào)整漏源電流Ids的變化，其本質(zhì)特征和規(guī)律是能夠用電壓控制導(dǎo)通電流的變化，屬于放大電路的核心元件，主要用于調(diào)節(jié)(放大或縮小)或開關(guān)電流。場(chǎng)效應(yīng)管按半導(dǎo)體材質(zhì)分為P型管和N型管，按照結(jié)構(gòu)分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)兩大類，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)的分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。正常工作時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管有恒流放大、可變電阻和截止三種工作狀態(tài)。

當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極g、漏極d和源極s間的電壓符合Ugs>Ugs(th)和Uds>Ugs-Ugs(th)時(shí)，通過Ugs來控制Id，使場(chǎng)效應(yīng)管處于恒流放大狀態(tài)，屬于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)加在場(chǎng)效應(yīng)管柵極、漏極和源極的電壓符合Ugs>Ugs(th)和Uds 通常用伏安特性圖描述真實(shí)場(chǎng)效應(yīng)管恒流放大、可變電阻和正向截止電氣特性：恒流放大狀態(tài)將漏源極之間視為恒流源，其輸出電流Ids只受Ugs控制，與Uds無關(guān);可變電阻狀態(tài)將漏源極之間等效為壓控電阻Rd，該電阻值受Ugs控制，還與溫度成正比;正向截止?fàn)顟B(tài)將漏源極之間視為電容，其容量與所加的正向電壓、環(huán)境溫度等有關(guān)。

通常用萬用表的二極管檔結(jié)合電阻檔判斷場(chǎng)效應(yīng)管好壞，測(cè)量時(shí)要考慮電信號(hào)頻率以及工作環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，否則會(huì)造成較大誤差或錯(cuò)誤結(jié)果。

場(chǎng)效應(yīng)管按功率分為小功率管、中功率管等;按用途分為開關(guān)管、放大管等。根據(jù)實(shí)際需要，場(chǎng)效應(yīng)管有多種封裝形式，廠家不同場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

(三)無源和有源元件類

無源電氣元件

僅靠輸入信號(hào)能量就能實(shí)現(xiàn)其電氣功能的電氣元件。無源電氣元件本質(zhì)特征和規(guī)律為通常端口數(shù)量少，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電氣功能，因?yàn)楸旧硐牟糠帜芰?，所以輸出能量低于輸入能量。常見無源電氣元件有：電阻、電阻排、電容、電感、變壓器、繼電器、按鍵、蜂鳴器、喇叭、開關(guān)、二極管、天線等。

有源電氣元件

需要外加電能才能實(shí)現(xiàn)其電氣功能的電氣元件，屬于復(fù)合元件類。有源電氣元件本質(zhì)特征和規(guī)律為端口數(shù)量較多，因?yàn)橛晒ぷ麟娫刺峁╇娔?，所以其輸出信?hào)能量能夠大于或等于輸入信號(hào)，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜電氣功能。一類有源電氣元件為工作電源或公共地與信號(hào)輸入或輸出口共用一個(gè)端口(如三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和晶閘管等)，另一類為工作電源、公共地、信號(hào)輸入口和信號(hào)輸出口都是獨(dú)立端口(如復(fù)合元件、集成電路和部件等)。

(四)復(fù)合元件類

將多個(gè)電氣元件連接固定后組合封裝在一起能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電氣功能的電氣元件稱為復(fù)合元件。常用的復(fù)合元件有復(fù)合管和厚膜元件。

復(fù)合管

將多只放大元件按照并聯(lián)或串接組合在一起得到復(fù)合管，等效為單只放大元件。通常在電路原理圖中用復(fù)合管符號(hào)代表復(fù)合管。

并聯(lián)復(fù)合管由兩只相同大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)組合而成。所有三極管集電極c、基極b和發(fā)射極e(場(chǎng)效應(yīng)管為g極、s極和d極)分別合并為三個(gè)端口，屬于單向三端元件。并聯(lián)復(fù)合管工作原理為輸出電流等于單只大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的兩倍，輸入輸出阻抗為單只大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的一半，放大倍數(shù)與單只大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管相同。

串接復(fù)合管通常由兩個(gè)類型和功率大小的不限三極管按先后順序串接組合而成(又稱達(dá)林頓管)。達(dá)林頓管串接形式有四種： NPN+NPN、PNP+PNP、NPN+PNP和PNP+NPN(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。無論怎樣串接組合，都有統(tǒng)一的基極b、集電極c和發(fā)射極e，屬于單向三端元件。達(dá)林頓管工作原理為電流放大倍數(shù)是兩個(gè)串接三極管放大倍數(shù)的乘積，其類型和連接輸入端三極管的類型一致。

復(fù)合管本質(zhì)特征和規(guī)律是功率放大倍數(shù)大(可達(dá)數(shù)百、數(shù)千倍)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功率大、開關(guān)速度快和易于集成化，但是其頻域范圍變窄?？捎糜隍?qū)動(dòng)大功率負(fù)載的放大電路、音頻功率放大器電路、大功率開關(guān)電路和自動(dòng)控制電路等。

工作時(shí)每個(gè)引腳的偏置電壓不同，復(fù)合管有放大、飽和和截止三種工作的穩(wěn)態(tài)。如果加在輸出引腳之間的電壓過高會(huì)造成復(fù)合管擊穿，使復(fù)合管處于故障的異態(tài)。通常用萬用表的二極管檔結(jié)合三極管檔判斷復(fù)合管好壞。

根據(jù)實(shí)際需要，復(fù)合管有多種封裝形式，廠家不同復(fù)合管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

厚膜元件

是指在陶瓷基片上采用絲印、燒結(jié)和電鍍等工藝制作連接布線，再裝配上微型電氣元件后構(gòu)成的復(fù)合元件。厚膜元件有多個(gè)端口，分為工作電源和公共地端口、輸入和輸出端口等，屬于有源多向多端元件。通常在電路原理圖中用厚膜元件符號(hào)代表厚膜元件。因?yàn)楹衲ぴN類較多，通常用功能方框圖描述其工作原理，用端口等效電路描述其輸入輸出信號(hào)的伏安特性。厚膜元件本質(zhì)特征和規(guī)律是單元電路微型化，工作時(shí)需要滿足額定電源要求才能正常工作，如果偏差太大，厚膜元件表現(xiàn)為故障的異態(tài)。通常用萬用表的二極管檔結(jié)合引腳對(duì)地或?qū)﹄娫措娮柚蹬袛嗪衲ぴ脡摹?/p>

厚膜元件代表符號(hào)和字母

厚膜元件優(yōu)點(diǎn)是性能可靠、體積小、成本低、設(shè)計(jì)靈活、方便多品種小批量生產(chǎn)，適用于需要高電壓、大電流、大功率的電路。常用的厚膜電氣元件有：開關(guān)電源厚膜、排阻厚膜、排容厚膜等。根據(jù)實(shí)際需要，厚膜元件有多種封裝形式，廠家不同厚膜元件型號(hào)編碼也不同。

(五)集成電路類

采用特殊造型布局、摻入不同雜質(zhì)等技術(shù)能讓半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)各種電氣功能，制做出導(dǎo)線、絕緣層、電阻、電容、電感、二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等電氣元件(大電容、大電感除外)。隨著微加工工藝(如光刻、腐蝕等)水平的提高，能在小塊半導(dǎo)體晶片上制做將大量微型電氣元件。將微型電氣元件按照功能要求進(jìn)行布局和線路連線，能在半導(dǎo)體晶片搭建出大多數(shù)類型的電路，將電路端口連接至外部引腳，最后封裝為能實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜電路功能的集成電路(又簡(jiǎn)稱為芯片)。集成電路有多種類型端口，如工作電源、公共地、輸入口、輸出口和時(shí)鐘等端口，屬于有源多端元件。通常在電路原理圖中用集成電路符號(hào)和字母U代表集成電路。因?yàn)榧呻娐贩N類多，通常用功能方框圖描述其工作原理，用端口等效電路描述其輸入輸出信號(hào)的伏安特性。

集成電路代表符號(hào)和字母

集成電路本質(zhì)特征和規(guī)律是功能電路微型化，是現(xiàn)代電路的核心元件。集成電路內(nèi)部微電子元件密度遠(yuǎn)高于厚膜元件，集成度從小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模發(fā)展到超大規(guī)模。集成電路使電氣元件向體積微型化、多功能化、智能化、低功耗和高可靠性方向快速發(fā)展，豐富了電氣元件類型，降低了電路設(shè)計(jì)制造難度，是現(xiàn)代電路的基石，廣泛應(yīng)用在人類生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。

集成電路按處理信號(hào)類型、功能、結(jié)構(gòu)分為模擬、數(shù)字和數(shù)/模混合三大類。模擬集成電路處理模擬模擬信號(hào)，其晶體管工作在放大區(qū)。數(shù)字集成電路處理數(shù)字信號(hào)，其晶體管工作在飽和或截止區(qū)。數(shù)/模混合集成電路兩者兼而有之。

模擬信號(hào)指自變量和函數(shù)量都是連續(xù)變化的電信號(hào)，如模擬音頻視頻信號(hào)、溫度變化信號(hào)、音量速度調(diào)節(jié)信號(hào)等。處理模擬信號(hào)的電路就是模擬電路，是其它電路的基礎(chǔ)，主要包括放大電路、信號(hào)運(yùn)算和處理電路、整流振蕩電路、控制保護(hù)電路、調(diào)制解調(diào)電路和電源電路等。集成后產(chǎn)生模擬集成電路，其基礎(chǔ)單元是運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)，以運(yùn)放為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯比較和輸出等操作(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。

數(shù)字信號(hào)指自變量和因變量都是離散的電信號(hào)，如控制程序、數(shù)字音頻視頻、輸入按鈕信號(hào)、指示燈信號(hào)等。處理數(shù)字信號(hào)的電路就是數(shù)字電路，分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，主要包括與門、或門、非門、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器等，正朝著軟硬結(jié)合的方向發(fā)展。集成后產(chǎn)生數(shù)字集成電路，其基礎(chǔ)單元電路是邏輯門和由邏輯門構(gòu)成具有記憶功能的觸發(fā)器，以門電路和觸發(fā)器為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生、算術(shù)運(yùn)算、邏輯比較和輸出等操作(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。數(shù)字集成電路按晶體管類型分為雙極型(三極管)和單極型(場(chǎng)效應(yīng)管)集成電路。雙極型集成電路優(yōu)點(diǎn)是速度比較快，缺點(diǎn)是集成度較低、制作工藝復(fù)雜和功耗較大，如TTL、ECL、HTL等類型。單極型集成電路優(yōu)點(diǎn)是集成度較高、工藝較簡(jiǎn)單和功耗較低，缺點(diǎn)是速度比較慢，如CMOS、NMOS、PMOS等類型。

因?yàn)榧呻娐穼?duì)工作電源和溫度比較敏感，使用時(shí)要注意其工作電壓、信號(hào)類型、自身溫度是否在正常范圍內(nèi)，對(duì)于單極型CMOS集成電路采取防止靜電措施，避免擊穿集成電路，否則會(huì)使集成電路處于故障狀態(tài)，屬于異態(tài)。根據(jù)實(shí)際需要，集成電路有多種封裝形式，廠家不同集成電路產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。集成電路常用封裝形式有單列直插、雙列直插和貼片封裝等。集成電路有多種型號(hào)，其命名一般由前綴、數(shù)字編號(hào)、后綴組成。前綴表示集成電路的生產(chǎn)商及類別，后綴一般用來表示集成電路的封裝形式、版本代號(hào)等。

運(yùn)算放大器

運(yùn)放放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)由多級(jí)電壓放大電路串聯(lián)組成，由反相和同相兩個(gè)高阻抗輸入端和一個(gè)低阻抗輸出端的高增益直接耦合形成的電壓放大單元電路，是接近理想狀態(tài)的放大器。運(yùn)放通常封裝為運(yùn)放集成電路后作為電氣元件使用。集成運(yùn)放具有體積小、使用方便、共模抑制比極大、頻帶極寬等特點(diǎn)。運(yùn)放至少有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出端口，屬于有源單向元件。在電路原理圖中用運(yùn)放符號(hào)代表運(yùn)放，主要物理參數(shù)分為直流指標(biāo)和交流指標(biāo)，直流指標(biāo)有差模開環(huán)增益、共模抑制比、輸出峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓等，交流指標(biāo)有開環(huán)頻寬、單位增益頻寬、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗等。

運(yùn)放代表符號(hào)圖

運(yùn)放的本質(zhì)特征是輸入阻抗、開環(huán)增益、共模抑制比和開環(huán)頻寬無限大、輸出阻抗為零。其本質(zhì)規(guī)律是“虛短”和“虛斷”：運(yùn)放開環(huán)增益無限大，工作在線性放大狀態(tài)時(shí)，其同相和反相輸入端電位象短路一樣接近，稱為虛短;運(yùn)放輸入阻抗無限大，輸入其同相和反相輸入端的電流象開路一樣極小，稱為虛斷。

運(yùn)放常用于電信號(hào)幅值比較、放大或運(yùn)算等電路中，是其它模擬集成電路的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際需要，運(yùn)放有多種封裝樣式，廠家不同運(yùn)放產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

數(shù)字存儲(chǔ)器

是存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字集成電路，常用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、地址和指令。在數(shù)字存儲(chǔ)器出現(xiàn)以前，數(shù)字集成電路的邏輯功能由硬件決定無法改變。數(shù)字存儲(chǔ)器出現(xiàn)后，其輸入輸出邏輯功能隨存儲(chǔ)數(shù)據(jù)變化而改變。數(shù)字存儲(chǔ)器主要參數(shù)有存儲(chǔ)容量(地址大小)和數(shù)據(jù)大小(數(shù)據(jù)位數(shù))。

中央處理器CPU

主要功能是按存儲(chǔ)器中程序指令進(jìn)行譯碼以及進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，是計(jì)算機(jī)核心電氣元件，讓人類進(jìn)入信息時(shí)代。中央處理器CPU由控制單元、運(yùn)算器ALU、高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、內(nèi)部存儲(chǔ)器Memory、地址數(shù)據(jù)控制總線Bus和輸入輸出I/O單元等組成，屬于超大規(guī)模數(shù)字集成電路。CPU包括通用CPU和專用CPU，主要參數(shù)有工作頻率、數(shù)據(jù)位數(shù)和尋址范圍等。

控制單元是CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR、指令譯碼器ID和操作控制器OC(包括時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣和復(fù)位啟停電路等)等組成，協(xié)調(diào)整個(gè)CPU有序工作。控制單元在時(shí)鐘控制下依次從存儲(chǔ)器中讀出預(yù)先存儲(chǔ)的指令，放在指令寄存器IR中進(jìn)行譯碼，再操作控制器OC按確定的時(shí)序向相應(yīng)單元發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各種操作控制信號(hào)。寄存器用于保存正在處理指令或數(shù)據(jù)，專用寄存器用于固定寄存相應(yīng)數(shù)據(jù)，通用寄存器用途由程序決定，寄存器的讀寫速度最快。

運(yùn)算器ALU接受控制單元命令執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算(包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)算)和邏輯運(yùn)算(包括與或非運(yùn)算、比較、移位或邏輯測(cè)試)。

高速緩沖存儲(chǔ)器Cache用于提前讀寫或保存內(nèi)部存儲(chǔ)器Memory存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，內(nèi)部存儲(chǔ)器Memory用于讀寫、保存等待處理或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)。寄存器讀寫速度快于高速緩沖存儲(chǔ)器Cache，高速緩沖存儲(chǔ)器Cache讀寫速度快于內(nèi)部存儲(chǔ)器Memory。

總線Bus包括命令總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線，命令、地址和數(shù)據(jù)通過總線Bus進(jìn)行傳輸。通過輸入輸出I/O單元向外設(shè)輸入或輸出數(shù)據(jù)。

數(shù)/模混合集成電路

由模擬和數(shù)字電路混合而成能實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換功能的集成電路，如A/D集成電路能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，D/A集成電路能能夠?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。A/D和D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)有轉(zhuǎn)換精度(數(shù)據(jù)位數(shù))和轉(zhuǎn)換速度。

(六)部件類

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能、降低成本和方便應(yīng)用，將部分通用功能電路整合形成部件。部件在電路中作為獨(dú)立電氣元件使用。電氣部件具有相對(duì)完整的外殼，對(duì)外耦合度小，除了工作電源、公共地和少量接口，通常不需要其它元件配合就能實(shí)現(xiàn)需要的功能。因?yàn)椴考N類繁多，通常用功能方框圖描述其工作原理，用部件接口等效電路描述輸入輸出信號(hào)的伏安特性。部件功率和體積大于集成電路，有的內(nèi)部甚至包含機(jī)械結(jié)構(gòu)。部件通常采用標(biāo)準(zhǔn)化模式設(shè)計(jì)生產(chǎn)，功能和外觀都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通用性強(qiáng)，使用維護(hù)方便。

電氣部件

以電路板為核心的部件稱為電氣部件。通常將常用功能電路整合為通用電氣部件，如開關(guān)電源、功率放大模塊、通訊模塊等，需要工作電源提供額定電壓時(shí)才能正常工作。如果工作電源提供的電壓和額定電壓偏差太大，使復(fù)合部件處于故障的異態(tài)。通常用萬用表電壓檔或電流檔測(cè)量部件的輸出判斷其好壞。

機(jī)電部件

把電氣和機(jī)械元件整合在一起形成具有完整機(jī)電功能的零件，統(tǒng)稱為機(jī)電部件。用鐵磁體做電感的鐵芯能夠極大增強(qiáng)電感磁場(chǎng)的特征，制造出電磁鐵部件，如變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、斷路器、揚(yáng)聲器、受話器等。通常在電路原理圖中用線圈符號(hào)代表線圈。電磁鐵線圈在額定電壓下有足夠電磁力才能正常工作，如果輸入電流超過線圈極限值容易燒毀線圈，使電磁鐵處于故障的異態(tài)。通常用萬用表電阻檔判斷線圈好壞。因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的可見性，可直觀判斷其是否正常工作。

兩組彼此獨(dú)立但匝數(shù)不同的線圈安裝在閉合的鐵磁體上，當(dāng)通過一組線圈的電流變化時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，在另外一組線圈上感應(yīng)出與匝數(shù)比成正比變化的電流，制造出可以改變輸出電壓和電流的變壓器。

利用電磁鐵對(duì)鐵磁體有磁力的特征，能將電磁能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、直線和振動(dòng)等機(jī)械能，如旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)等。利用運(yùn)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電場(chǎng)的特征，再結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作原理，制造出把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。

利用電磁鐵結(jié)合機(jī)械杠桿，制造出可以間接控制的電路開關(guān)，如接觸器、繼電器等。

利用電磁鐵對(duì)鐵磁體有磁力的特征，使機(jī)械薄膜上線圈產(chǎn)生電磁力的原理，制造出把電磁能轉(zhuǎn)換為聲能的揚(yáng)聲器。利用運(yùn)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電場(chǎng)的特征，再結(jié)合機(jī)械薄膜上線圈震動(dòng)切割磁力線原理，制造出可以測(cè)量震動(dòng)的元件，如震動(dòng)傳感器、拾音頭等。

(七)高頻元件類

能在高頻電信號(hào)下工作的電氣元件統(tǒng)稱為高頻元件。電信號(hào)頻率越高電磁波無線輻射能力越強(qiáng)。按照電信號(hào)頻率范圍劃分為中低頻、高頻、超高頻等。高頻元件主要參數(shù)為頻率特性。

低頻電氣元件與高頻電氣元件的頻率特性不同。電氣元件在低頻信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為理想電氣元件，在運(yùn)用和分析高頻信號(hào)時(shí)必須考慮其寄生旁路電容、寄生電感和等效電阻對(duì)高頻電信號(hào)的影響。在高頻電路中必須使用專門的高頻電氣元件。高頻電氣元件基本上由無源元件、無源網(wǎng)絡(luò)和有源元件組成的。無源元件主要有高頻電阻、高頻電容和高頻電感，可以組成無源網(wǎng)絡(luò)。有源元件主要有高頻二極管、高頻三極管、高頻場(chǎng)效應(yīng)管。高頻元件在額定功率和頻率范圍內(nèi)才能正常工作，否則使其處于不能工作的異態(tài)。通常用萬用表的電阻、電容、電感、二極管、三極管檔判斷其好壞。

(八)功率元件類

能夠處理高電壓、大電流的電氣元件統(tǒng)稱為功率元件(又稱為電力電子器件)，廣泛應(yīng)用在大功率電能轉(zhuǎn)換行業(yè)，是電能/功率處理的核心元件。功率元件是強(qiáng)電回路的樞紐，主要用于電力設(shè)備的電能變換，也是弱電控制強(qiáng)電回路的溝通橋梁。功率元件通常將多個(gè)分立功率半導(dǎo)體器件整合封裝而來，主要功率元件有功率二極管、晶閘管SCR、IGBT、功率場(chǎng)效應(yīng)管和功率集成電路，用于開關(guān)、整流、逆變、變頻、調(diào)壓、變流和功率放大分配的電路中。通常在電路原理圖中用功率元件符號(hào)和字母代表功率元件。因?yàn)楣β试N類較多，通常用功能方框圖描述功率元件的工作原理，用功率元件接口等效電路描述其輸入輸出信號(hào)的伏安特性。功率元件按對(duì)電路信號(hào)的控制程度分為全控、半控及不可控型;按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型分為電壓驅(qū)動(dòng)型、電流驅(qū)動(dòng)型等。

不同功率元件的承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性不同，常用于家電、新能源和交通等領(lǐng)域。不同領(lǐng)域?qū)β试某惺茈妷阂蟛灰粯?，家電類一般?00V以下，太陽能逆變器及新能源汽車要求在600V-1200V，而軌道交通要求最高，范圍在3300V-6500V之間，工作頻率從10Hz-100kHz。功率元件在額定電壓和額定功率下才能正常工作，具體應(yīng)用中要根據(jù)不同領(lǐng)域和需求選擇合適的功率元件，否則使其處于故障的異態(tài)。通常用萬用表的二極管檔結(jié)合三極管檔判斷功率元件好壞。

功率二極管

能夠承受高電壓通過大電流的二極管，實(shí)際上由面積較大的PN結(jié)組成的。二極管有陽極A和陰極K兩個(gè)端口，屬于單向雙端元件。主要物理參數(shù)有：正向平均電流I、正向壓降UF、反向重復(fù)峰值電壓URRM、反向恢復(fù)時(shí)間trr等。在電路中常用于整流、箝位和續(xù)流。通常用萬用表的二極管檔判斷功率二極管的好壞。根據(jù)實(shí)際需要，功率二極管有多種封裝形式，廠家不同功率二極管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

晶閥管

能夠?qū)崿F(xiàn)單向可控導(dǎo)通的大功率元件叫晶閘管(又稱為可控硅)。通常在電路原理圖中用晶閥管符號(hào)和字母SCR代表晶閥管。晶閥管的陽極A為輸入端，陰極K為輸出端、控制極G為控制端，屬于單向三端元件。主要物理參數(shù)有：額定正向平均電流(IF)、正向平均維持電流(IH)、反向阻斷峰值電壓(VPRU)、控制極觸發(fā)電流(Ig)、控制極觸發(fā)電壓(Ug)

晶閥管基本工作原理是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。如果在陽極A 加正向電壓，控制極G加正向觸發(fā)脈沖才能使晶閘管導(dǎo)通，但不能關(guān)斷，當(dāng)流過陽極A的電流小于維持電流時(shí)才能關(guān)斷。如果流經(jīng)晶閘管陽極和陰極之間是交流電或脈動(dòng)直流電，在電流過零時(shí)晶閘管會(huì)自行關(guān)斷(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。其本質(zhì)特征和規(guī)律是只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

晶閥管具有功率放大倍數(shù)高、響應(yīng)快、無噪音、體積小、無觸點(diǎn)火花和效率高等優(yōu)點(diǎn)，也具有靜態(tài)及動(dòng)態(tài)過載能力較差、容易受干擾而誤導(dǎo)通等缺點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)用小功率控件控制大功率設(shè)備功能，反向并聯(lián)后成為無觸點(diǎn)開關(guān)，可以代替有觸點(diǎn)的接觸器。改變晶閥管控制端的導(dǎo)通相位，能夠調(diào)節(jié)通過陽極交流電流的大小。通常用萬用表的二極管檔結(jié)合電阻檔判斷場(chǎng)效應(yīng)管好壞。

晶閥管按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分為普通可控硅、雙向可控硅、逆導(dǎo)可控硅、門極關(guān)斷可控硅(GTO)、BTG可控硅、溫控可控硅和光控可控硅等多種;按其引腳和極性可分為二極可控硅、三極可控硅和四極可控硅;按其電流容量可分為大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三種;按其關(guān)斷速度分為普通可控硅和高頻可控硅。晶閥管常用作聲光控?zé)簟⒖烧{(diào)壓輸出直流電源、中頻熔煉爐等。根據(jù)實(shí)際需要，晶閥管有多種封裝形式，廠家不同晶閥管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

IGBT模塊

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。IGBT模塊有G為門極，C為集電極，E為發(fā)射極三個(gè)端口，屬于雙向三端元件。通常在電路原理圖中用IGBT模塊符號(hào)和字母IGBT代表IGBT模塊。主要物理參數(shù)有：集電極-發(fā)射極額定電壓UCE、柵極-發(fā)射極額定電壓UGE、集電極額定電流IC、集電極-發(fā)射極飽和電壓UCE、開關(guān)頻率。

IGBT模塊的基本原理是由G和E加正向電壓和負(fù)向電壓來觸發(fā)和關(guān)斷IGBT。IGBT內(nèi)部正負(fù)離子均勻分布，半導(dǎo)體材料呈中性。如果在G E兩端施加電壓，內(nèi)部電子在電壓作用下發(fā)生轉(zhuǎn)移后累積到一邊形成一層導(dǎo)電溝道，呈導(dǎo)通狀態(tài)。如果去掉GE兩端的電壓，導(dǎo)電溝道消失后不再導(dǎo)電，呈絕緣狀態(tài)(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。其本質(zhì)特征和規(guī)律是一個(gè)非通即斷的開關(guān)，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

IGBT主要優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)是擊穿電壓低，工作電流小。在IGBT模塊工作額定電壓與電源電壓相同情況下，集電極電流增大時(shí)，產(chǎn)生的額定損耗和開關(guān)損耗亦增大，加劇其發(fā)熱，所以選用IGBT模塊額定電流應(yīng)該大于負(fù)載電流，降級(jí)使用，否則容易使IGBT模塊處于故障的異態(tài)。IGBT模塊作為大功率主流器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功率變換、電動(dòng)汽車、變頻器、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、照明電路、風(fēng)電與太陽能設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)實(shí)際需要，IGBT模塊有多種封裝形式，廠家不同IGBT模塊產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

功率場(chǎng)效應(yīng)管

能夠承受高電壓通過大電流的場(chǎng)效應(yīng)管(又稱VMOS)。功率場(chǎng)效應(yīng)管有源極S、柵極G和漏極D三個(gè)端口，屬于單向三端元件。功率場(chǎng)效應(yīng)管具有較高的開關(guān)速度、開啟電壓高、可靠性、過載能力強(qiáng)和可靠性高的特性，廣泛應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速，開關(guān)電源等電路中(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。根據(jù)實(shí)際需要，功率場(chǎng)效應(yīng)管有多種封裝形式，廠家不同功率場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

功率集成電路

利用微電子加工技術(shù)將分立功率半導(dǎo)體器件與驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)、接口、監(jiān)測(cè)等外圍電路整合集成在一塊芯片上得到功率集成電路(又稱為PIC)。功率集成電路具有縱向結(jié)構(gòu)的功率器件，重要功能是處理高電壓和大電流，還具有自保護(hù)、功率控制、故障診斷等功能(請(qǐng)?jiān)斠娤嚓P(guān)專業(yè)文獻(xiàn))。廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、顯示驅(qū)動(dòng)和程控電話交換機(jī)中。今后功率集成電路向著高壓化(100 ~1200V)和智能化方向發(fā)展。根據(jù)實(shí)際需要，功率集成電路有多種封裝形式，廠家不同功率集成電路產(chǎn)品型號(hào)編碼也不同。

審核編輯：湯梓紅