LED循环灯电路的设计及仿真任务书.docx
- 文档编号:15666375
- 上传时间:2023-07-06
- 格式:DOCX
- 页数:36
- 大小:231.56KB
LED循环灯电路的设计及仿真任务书.docx
《LED循环灯电路的设计及仿真任务书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《LED循环灯电路的设计及仿真任务书.docx(36页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
LED循环灯电路的设计及仿真任务书
前言
电子技术是根据电子学的原理,运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学,包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
信息电子技术包括Analog(模拟)电子技术和Digital(数字)电子技术。
电子技术是对电子信号进行处理的技术,处理的方式主要有:
信号的发生、放大、滤波、转换。
电子技术研究的是电子器件及其电子器件构成的电路的应用。
半导体器件是构成各种分立、集成电子电路最基本的元器件。
随着电子技术的飞速发展,各种新型半导体器件层出不穷。
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整电子产品流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
LED结构以及发光原理
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片,
LED灯 晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED灯发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。
电阻(Resistance,通常用“R”表示)是所有电路中使用最多的元件之一。
在物理学中,用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种特性。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
因为物质对电流产生的阻碍作用,所以称其该作用下的电阻物质。
电阻将会导致电子流通量的变化,电阻越小,电子流通量越大,反之亦然。
正文
电阻介绍
电阻元件的电阻值大小一般与温度,材料,长度,还有横截面积有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可说它是一个耗能元件,电流经过它就产生内能。
电阻在电路中通常起分压、分流的作用。
对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。
色环法
所谓色环法既是用不同颜色的色标来表示电阻参数。
色环电阻有4个色环的,也有5个色环的,各个色环所代表的意义如下。
颜色
数值
倍成数
公差
黑色
0
x1
——
棕色
1
x10
正负1%
红色
2
x100
正负2%
橙色
3
x1000
——
黄色
4
x10000
——
绿色
5
x100000
正负0.5%
蓝色
6
x1000000
正负0.25%
紫色
7
x10000000
正负0.10%
灰色
8
——
正负0.05%
白色
9
——
——
金色
——
x0.1
正负5%
银色
——
x0.01
正负10%
无色环
——
——
正负20%
读取色环电阻的参数,首先要判断读数的方向。
一般来说,表示公差的色环离开其他几个色环较远并且较宽一些。
判断好方向后,就可以从左向右读数。
例如,某4色环电阻的颜色从左到右依次是红
(2),紫(7),黄(x10000),银(正负10%),则此电阻的阻值为27Ωx10000=270000Ω,也就是270KΩ,公差为正负10%。
再如,某5色环电阻的颜色从左到右依次是红
(2),绿(5),蓝(6),红(x100),棕(正负1%),则此电阻的阻值为256Ωx100=25600Ω,也就是25.6KΩ,公差为正负1%。
数字法
由于贴片电阻比较小,很少被标上阻值,即使有,一般也采用数字法,即:
101——表示10*10^1Ω即100欧的电阻;
102——表示10*10^2Ω即1KΩ的电阻;
103——表示10*10^3即10KΩ的电阻;
104——表示10*10^4即100KΩ的电阻;
503——表示50*10^3即50KΩ的电阻;
依次类推。
如果一个电阻上标为22*103,则这个电阻为220KΩ。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件,例如灯泡、电热炉等电器。
电阻定律:
R=ρL/S
ρ——制成电阻的材料电阻率,国际单位制为欧姆·米(Ω·m)
L——绕制成电阻的导线长度,国际单位制为米(m)
S——绕制成电阻的导线横截面积,国际单位制为平方米(㎡)
R——电阻值,国际单位制为欧姆(Ω)。
ρ叫电阻率:
某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻,叫做这种材料的电阻率。
是描述材料性质的物理量。
国际单位制中,电阻率的单位是欧姆·米,常用单位是欧姆·平方毫米/米。
与导体长度L,横截面积S无关,只与物体的材料和温度有关,有些材料的电阻率随着温度的升高而增大,有些反之。
固定电阻、可调电阻、特种电阻(敏感电阻).
不能调节的,称之为定值电阻或固定电阻,而可以调节的,称之为可调电阻。
常见的可调电阻是滑动变阻器,例如收音机音量调节的装置是个圆形的滑动变阻器,主要应用于电压分配的,称之为电位器。
电阻器的阻值和误差
阻值选用:
原则是所用电阻器的标称阻值与所需电阻器阻值差值越小越好。
误差选用:
时间常数RC电路所需电阻器的误差尽量小。
一般可选5%以内。
对退耦电路,反馈电路滤波电路负载电路对误差要求不太高.可选10%-20%的电阻器。
注意电阻器的极限参数
额定电压:
当实际电压超过额定电压时,即便满足功率要求,电阻器也会被击穿损坏。
额定功率:
所选电阻器的额定功率应大于实际承受功率的两倍以上才能保证电阻器在电路中长期工作的可靠性。
要首选通用型电阻器
通用型电阻器种类较多、规格齐全、生产批量大,且阻值范围、外观形状、体积大小都有挑选的余地,便于采购、维修。
根据电路特点选用
高频电路:
分布参数越小越好,应选用金属膜电阻、金属氧化膜电阻等高频电阻。
低频电路:
绕线电阻、碳膜电阻都适用。
功率放大电路、偏置电路、取样电路:
电路对稳定性要求比较高,应选温度系数小的电阻器。
退耦电路、滤波电路:
对阻值变化没有严格要求,任何类电阻器都适用。
用万用表测量大值电阻:
31/2位和41/2位数字万用表电阻档的最大量程一般是20MΩ。
对于31/2位数字万用表而言,使用不同的电阻量程也只能测量0.1Ω~19.99MΩ范围内的电阻;而对于41/2位数字万用表,则只能测量0.01Ω~19.999MΩ范围内的电阻。
当被测电阻Rx≥20MΩ时,仪表将显示溢出符号“1”。
实验证明,采用下述的“并联电阻法”,可将31/2位或41/2位数字万用表20MΩ电阻档的量程扩展到100MΩ。
1、测量方法
预先准备一只十几兆欧的电阻R1,将数字万用表拨至20MΩ档后测出电阻值R1。
然后把被测电阻Rx并联在R1两端,再测出并联总电阻R。
根据电阻并联的计算公式很容易推导出。
测量举例:
被测电阻为一只标记不明的高阻值电阻Rx,R1选用标称阻值为10MΩ的电阻。
使用DT830型数字万用表的20MΩ电阻档,实测R1的阻值为10.05MΩ。
将Rx与R1并联后,再用DT830进行测量,测得总阻值R=7.70MΩ。
由此判定,被测电阻的标称值应为33MΩ。
2、测量注意事项
1)当被测量电阻Rx的阻值超过100MΩ时,并联后的总阻值R与选用的标准电阻R1的阻值非常接近,加之数字万用表本身存在±1个字的误差,会使测量误差增大。
因而,本法不适合用来测量阻值大于100MΩ的电阻。
2)测量操作时,应将被测电阻Rx与标准电阻R1并联接触牢靠,必要时可用鳄鱼夹将两者固定。
[1]
电阻率计算
物体电阻计算公式:
R=ρL/S,其中,L为物体长度,S为物体的横截面积,
电阻(图1)
比例系数ρ叫做物体的电阻系数或是电阻率,它与物体的材料有关,在数值上等于单位长度、单位面积的物体在20℃时所具有的电阻值。
因此,电阻与四个因素有关:
导体的长度、横截面积、种类(材料)和温度。
物理意义;反映了材料对电流的阻碍作用,在数值上等于用这种材料制成1m长、横截面积1m㎡的导线的电阻值。
电阻率与温度的具体关系为:
ρ=ρ0(1+αt),其中ρ0为零度时导体的电阻率,α为导体的温度系数。
R=1/G,其中G为物体电导,导体的电阻越小,电导就越大,数值上等于电阻的倒数。
单位是西门子,简称西,符号s。
电容简介
电解电容是电容的一种,金属箔为正极(铝或钽),与正极紧贴金属的氧化膜(氧化铝或五氧化二钽)是电介质,阴极由导电材料、电解质(电解质可以是液体或固体)和其他材料共同组成,因电解质是阴极的主要部分,电解电容因此而得名。
同时电解电容正负不可接错。
半导体三极管
半导体三极管
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结,组成一个PNP(或NPN)结构。
中间的N区(或P区)叫基区,两边的区域叫发射区和集电区,这三部分各有一条电极引线,分别叫基极B、发射极E和集电极C,是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
由于三极管的结构和外形特征,它有三个接出来的端点,所以便被形象的命名为三极管。
结构简介
三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面,如图1所示,可有pnp和npn两种组合。
三个接出来的端点依序称为发射极(emitter,E)、基极(base,B)和集电极(collector,C),名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。
图中也显示出npn与pnp三极管的电路符号,发射极特别被标出,箭号所指的极为n型半导体,和二极体的符号一致。
在没接外加偏压时,两个pn接面都会形成耗尽区,将中性的p型区和n型区隔开。
pnp和npn三极管的结构及其示意图
三极管的电特性和两个pn结面的偏压有关,工作区间也依偏压方式来分类,这里我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forwardactive),在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压,而BC极间的pn接面则在反向偏压,通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。
图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。
EB接面的空乏区由于正向偏压会变窄,载体看到的位障变小,射极的空穴会注入到基极,基极的电子也会注入到射极;而BC接面的耗尽区则会变
宽,载体看到的位障变大,故本身是不导通的。
图2(b)画的是没外加偏压,和偏压在正向活性区两种情形下,空穴和电子的电位能的分布图。
三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢?
其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。
以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例,射极的空穴注入基极的n型中性区,马上被多数载体电子包围遮蔽,然后朝集电极方向扩散,同时也被电子复合。
当没有被复合的空穴到达BC接面的耗尽区时,会被此区内的电场加速扫入集电极,空穴在集电极中为多数载体,很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点,形成集电极电流IC。
IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。
基极外部仅需提供与注入空穴复合部分的电子流IBrec,与由基极注入射极的电子流InBE(这部分是三极管作用不需要的部分)。
InBE在射极与与电洞复合,即InBE=IErec。
pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。
3(a)
射极注入基极的空穴流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制,和二极体的情形类似,在启动电压附近,微小的偏压变化,即可造成很大的注入电流变化。
更精确的说,三极管是利用VEB(或VBE)的变化来控制IC,而且提供之IB远比IC小。
npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的,只是偏压方向,电流方向均相反,电子和空穴的角色互易。
pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极,入射到集电极的空穴,而npn三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子。
三极管在数字电路中的用途其实就是开关,利用电信号使三极管在正向活性区(或饱和区)与截止区间切换,就开关而言,对应开与关的状态,就数字电路而言则代表0与1(或1与0)两个二进位数字。
若三极管一直维持偏压在正向活性区,在发射极与基极间微小的电信号(可以是电压或电流)变化,会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化,故可用作信号放大器。
工作原理
晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,(其中,N表示在高纯度硅中加入磷,是指取代一些硅原子,在电压刺激下产生自由电子导电,而p是加入硼取代硅,产生大量空穴利于导电)。
两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正偏,发射区的多数载流子(电子)及基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电流了。
由于基区很薄,加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic,只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给,从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得:
Ie=Ib+Ic,这就是说,在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用,Ic与Ib是维持一定的比例关系,即:
β1=Ic/Ib式中:
β1--称为直流放大倍数,集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:
β=△Ic/△Ib。
式中β--称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件,但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用。
NPN三极管放大时管子内部的工作原理:
1、发射区向基区发射电子(形成发射极电流)
发射结施加正向电压且掺杂浓度高,所以发射区多数自由电子越过发射结扩散到基区,发射区的自由电子由直流电源补充,从而形成了发射极电流。
(同时,基区的多数载流子也会扩散到发射区,成为发射极电流的一部分。
由于基区很薄,且掺杂浓度较低,因此由基区多数空穴形成的电流可以忽略不计。
)
2、自由电子在基区和空穴复合,形成基区电流,并继续向集电区扩散
自由电子进入基区后,先在靠近发射结的附近密集,渐渐形成电子浓度差,在浓度差的作用下,促使电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。
也有很小一部分电子(因为基区很薄)与基区的空穴复合(基区中的空穴由直流电源补充),扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
3、集电区收集自由电子,形成集电极电流
由于集电结加反向电压且面积很大,这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散,同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。
另外集电区的少数载流子(空穴)也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,用Icbo来表示,其数值很小,但对温度却异常敏感。
4三极管工作状态
NPN型,当B与E之间电压Vbe>0.5V时,如果三个管脚电压关系是Vc>Vb>Ve,则会处於放大状态;如果是Vb>Vc>Ve则会处於饱和状态(相当於开关);如果此时Ve>Vc则仍会处於截止状态.
PNP型,当B和E之间电压Veb>0.5V时,如果三个管脚电压关系是Ve>Vb>Vc,则会处於放大状态;如果是Ve>Vc>Vb则会处於饱和状态(相当於开关);如果此时Vc>Ve则仍会处於截止状态.
注:
三极管放大状态时,导通能力大小由基极电流Ib决定,因此三极管是电流控制型元件.
主要参数
特征频率fT
当f=fT时,三极管完全失去电流放大功能。
如果工作频率大于fT,电路将不正常工作。
工作电压/电流
用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围。
hFE
电流放大倍数。
VCEO
集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压。
PCM
最大允许耗散功率。
封装形式
指定该管的外观形状,如果其它参数都正确,封装不同将导致组件无法在电路板上实现。
三极管的分类
晶体三极管的种类很多,分类方法也有多种。
下面按用途、频率、功率、材料等进行分类。
1)按材料和极性分有硅材料的NPN与PNP三极管,锗材料的NPN与PNP三极管。
2)按用途分有高、中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开关管、高反压管、达林顿管、带阻尼的三极管等。
3)按功率分有小功率三极管、中功率三极管、大功率三极管。
4)按工作频率分有低频三极管、高频三极管和超高频三极管。
5)按制作工艺分有平面型三极管、合金型三极管、扩散型三极管。
6)按外形封装的不同可分为金属封装三极管、玻璃封装三极管、陶瓷封装三极管、塑料封装三极管等。
电极和管型的判别
目测法
一、管型的判别一般,管型是NPN还是PNP应从管壳上标注的型号来辨别。
依照部分标准,三极管型号的第二位(字母),A、C表示PNP管,B、D表示NPN管(A、B表示锗管(Ge),C、D表示硅管(Si)),例如:
3AX为PNP型低频小功率管(Ge)3BX为NPN型低频小功率管(Ge)
3CG为PNP型高频小功率管(Si)3DG为NPN型高频小功率管(Si)
3AD为PNP型低频大功率管(Ge)3DD为NPN型低频大功率管(Si)
3CA为PNP型高频大功率管(Si)3DA为NPN型高频大功率三级管(Si)
此外有国际流行的9011~9018系列高频小功率管,除9012和9015为PNP管外,其余均为NPN型管。
二、管极的判别
常用中小功率三极管有金属圆壳和塑料封装(半柱型)等外型。
指针式万用表
三极管内部有两个PN结,可用万用表电阻档分辨e、b、c三个极。
在型号标注模糊的情况下,也可用此法判别管型。
①基极的判别
判别管极时应首先确认基极。
对于NPN管,用黑表笔接假定的基极,用红表笔分别接触另外两个极,若测得电阻都小,也就是测量指针的偏转角度大;而将黑、红两表笔对调,测得电阻均较大,也就是测量指针的偏转角度小,此时假定极就是基极。
PNP管,情况正相反,测量时两个PN结都正偏(电阻均较小)的情况下,红表笔接基极。
实际上,小功率管的基极一般排列在三个管脚的中间,可用上述方法,分别将黑、红表笔接基极,既可测定三极管的两个PN结是否完好(与二极管PN结的测量方法一样),又可确认管型。
②集电极和发射极的判别
确定基极后,假设余下管脚之一为集电极c,另一为发射极e,用手指分别捏住c极与b极(即用手指代替基极电阻Rb)。
同时,将万用表两表笔分别与c、e接触,若被测管为NPN,则用黑表笔接触c极、用红表笔接e极(PNP管相反),观察指针偏转角度;然后再设另一管脚为c极,重复以上过程,比较两次测量指针的偏转角度大的一次表明IC大,管子处于放大状态,相应假设的c、e极正确。
1.用指针式万用表检测[1]
首先选量程:
R﹡100或R﹡1K档位;然后,测量PNP型半导体三极管的发射极和集电极的正向电阻值,红表笔接基极,黑表笔接发射极,所测得阻值为发射极正向电阻值,若将黑表笔接集电极(红表笔不动),所测得阻值便是集电极的正向电阻值,正向电阻值愈小愈好。
再次,测量PNP型半导体三极管的发射极和集电极的反向电阻值。
将黑表笔接基极,红表笔分别接发射极与集电极,所测得阻值分别为发射极和集电极的反向电阻,反向电阻愈小愈好。
倘若测试结果偏离甚远,就可以认为管子是坏的,如极间击穿,则正、反向电阻值均为零。
若烧断,则均为无穷大。
测量NPN型半导体三极管的发射极和集电极的正向电阻值的方法和测量PNP型半导体三极管的方法相反。
2.用数字式万用表检测
利用数字万用表不仅能判定晶体管的电极、测量管子的共发射极电流放大系数HFE,还可以鉴别硅管与锗管。
由于数字万用表电阻档的测试电流很小,所以不适用于检测晶体管,应使用二极管档或者HFE进行测试。
将数字万用表拨至二极管档,红表笔固定任接某个引脚,用黑表笔依次接触另外两个引脚,如果两次显示值均小于1V或都显示溢出符号“OL”或“1”,若是PNP型三极管,则红表笔所接的引脚就是基极B。
如果在两次测试中,一次显示值小于1V,另外一次显示溢出符号“OL”或“1”(视不同的数字万用表而定),则表明红表笔接的引脚不是基极B,此时应改换其他引脚重新测量,直到找出基极为止。
用红表笔接基极,用黑表笔先后接触其他两个引脚,如果显示屏上的数值都显示为0.6-0.8V,则被测管属于硅NPN型中、小功率三极管;如果显示屏上的数值都显示为0.4-0.6V,则被测管属于硅NPN型大功率三极管。
其中,显示数值较大的一次,黑表笔所接的电极为发射极。
在上述测量过程中,如果显示屏上的数值都显示都小于0.4V,则被测管属于锗三极管。
HFE是三极管的直流电流放大倍数。
用数字万用表可以方便的测出三极管的HFE,将数字万用表置于HFE档,若被测管是NPN型管,则将管子的各个引脚插入NPN插孔相应的插座中,此时屏幕上就会显示出被测管的HFE值。
简易判断基极和分类
用万用表测试三极管
(1)将万用表打到蜂鸣档,红笔固定一个极用黑笔试其他两个极分别有几百几的读数时说明该红笔的是基极。
反复试即可。
(2)待基极测试出来后,用红笔接基极(B)万用表有读数则该三极管为NPN
(3)待基极测试出来后,用黑笔接基极(B)万用表有读数则该三极管为PNP一般一块主板的数量只有几个。
简易测量及性能判断
(1)用万用表电阻档测ICEO和β
基极开路,万用表黑表笔接NPN管的集电极c、红表笔接发射极e(PNP管相反),此时c、e间电阻值大则表明ICEO小,电阻值小则表明ICEO大。
用手指代替基极电阻Rb,用上法测c
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- LED 循环 电路 设计 仿真 任务书