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制窦
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1 農業自動化叢書 12 機電整合第七章國立嘉義大學生物機電工程學系暨研究所 / 楊朝旺助理教授第一節二極體第二節雙極性接面電晶體第三節閘流體第四節運算放大器第五節電源供應器基礎電路第一節二極體二極體 (Diode) 是一種單向元件, 僅允許電流從一固定方向流過在本節中, 您將學會順向與逆向偏壓的意義, 並熟悉二極體的基本特性模型與其應用電子元件通常均有其特殊代表符號, 二極體的基本構造與電子符號如圖 1 所示, 是由 P 型半導體 (Semiconductor) 與 N 型半導體材料結合而形成正常電流方向由 P 型流向 N 型, 其中 P 型稱為陽極,N 型稱為陰極此時電流成指數關係急遽上升通常此轉變電壓稱為切入電壓 (Cut-in Voltage), 一般二極體導通後 ( 大於切入電壓的部分 ), 其電壓變化很小, 典型導通電壓矽約 0.7 V, 鍺則約 0.3V 若外加電壓為負 ( 二極體陽極接上負電壓, 二極體陰極接上正電壓 ), 且不超過其崩潰電壓 (V BR), 此時二極體進入逆向偏壓區, 逆向偏壓的目的是在於阻止電流通過 PN 接面此時會有很小的逆向電流與少部分的漏電電流產生, 逆向電流會受溫度影響而變化, 通常溫度每增加 10, 逆向電流約增加一倍圖 1 二極體基本構造及其電子符號二極體的電壓與電流特性曲線如圖 2 所示, 特性曲線主要包含三個區域 : 順向偏壓區逆向偏壓區與崩潰區當二極體接上正的電壓時 ( 二極體陽極接上正電壓, 二極體陰極接上負電壓 ), 也就是說將進入順向偏壓區工作, 此時 PN 接面會有電流通過, 由圖 2 中可發現, 當外加電壓小於 0.6V 時, 幾乎可說沒有電流流過二極體當外加電壓大於 0.6V 時, 圖 2 二極體 ( 矽 ) 的電壓 / 電流特性曲線

2 一般我們利用二極體其單向導通的特性, 將其應用在半波整流器全波整流器全波橋式整流器截波器與定位器等電路上半波整流器全波整流器與全波橋式整流器其功能是將交流電壓轉換成直流電壓截波器是一種將輸入電壓波形完全或是一部份截掉的電路定位器則是一種可增加或減少直流準位的電路第二節雙極性接面電晶體電晶體 (Transitor) 是在 1948 年由貝爾實驗室 (Bell Lab.) 發明的, 通常我們拿電晶體當作放大器或電子開關使用在本節中, 我們將學會雙極性接面電晶體 (Bipolar-Junction Transitor, BJT) 的構造雙極性接面電晶體的工作偏壓方式與其特性一雙極性接面電晶體的構造一般所稱的電晶體即為雙極性接面電晶體之簡稱, 其基本構造與電路符號如圖 3 所示圖 3(a) 為 NPN 電晶體構造與電路符號, 圖 3(b) 則為 PNP 電晶體構造與電路符號以 NPN 電晶體為例, 其主要由 N 型半導體構成射極 (Emitter, E),P 型半導體構成基極 (Base, B), 另一個 N 型半導體構成集極 (Collector, C) 由圖 3 可看出每個電晶體均有兩個接面 ( 射極 / 基極接面, 集極 / 基極接面 ), 所以也可將電晶體看成是兩個二極體其同型半導體相接在一起的組合此外為了方便元件連接, 分別從射極基極與集極拉出引線, 形成射極基極與集極接點 (a) NPN 電晶體構造與其電路符號 (b) PNP 電晶體構造與其電路符號圖 3 電晶體構造圖與其電路符號

3 農業自動化叢書 12 機電整合二雙極性電晶體的工作偏壓方式電晶體依不同接面偏壓情形 ( 順向偏壓或逆向偏壓 ), 可產生不同的工作特性在此先介紹何謂電晶體接面順向偏壓與逆向偏壓 : ( 一 ) 電晶體接面順向偏壓 : 以 NPN 電晶體為例, 如圖 4 所示, 當 V BE 為正時,B 極的 P 型半導體接上正電壓,E 極的 N 型半導體接上負電壓, 則稱此基極 / 射極接面為順向偏壓當 V CB 為負時,B 極的 P 型半導體接上正電壓,C 極的 N 型半導體接上負電壓, 則稱此集極 / 基極接面為順向偏壓 ( 二 ) 電晶體接面逆向偏壓 : 如圖 4 所示, 反之當 V BE 為負時,B 極的 P 型半導體接上負電壓,E 極的 N 型半導體接上正電壓, 則稱此基極 / 射極接面為逆向偏壓當 V CB 為正時,B 極的 P 型半導體接上負電壓, C 極的 N 型半導體接上正電壓, 則稱此集極 / 基極接面為逆向偏壓中就廣泛地應用了此種電晶體特性其特性曲線如圖 5 所示茲分別說明如下 : ( 一 ) 飽和區 : 從圖 5 中可看出, 當 V CE 為零,I C 為零此時 V CE 為零, 所以集極 / 基極接面就不是逆向偏壓, 集極無正電壓, 就無法將電子從基極吸引過來當 V CE 由零開始增加,I C 也線性地增加從原點到 I C 快變成水平狀此垂直部分稱為飽和區在飽和區時,I C 不能套入此 I C = DC I B 公式通常在飽和區時, 以 NPN 電晶體為例, 基極 / 射極接面為順向偏壓, 集極 / 基極接面也為順向偏壓第七章基礎電路圖 5 雙極性電晶體的特性曲線圖 4 NPN 電晶體的偏壓情形三雙極性電晶體的特性一般我們將電晶體的特性曲線分為飽和區 (Saturation Region) 工作區 (Active Region) 截止區(Cutoff Region) 與崩潰區 (Breakdown Region) 拿電晶體當放大器使用時, 則要將電晶體選在工作區若要將電晶體當開關使用, 就將電晶體選在飽和區和截止區, 讓電晶體交替地在截止區與飽和區工作, 數位電路 ( 二 ) 工作區 : 電晶體的工作區是指電流 I C 接近水平的區域, 此時電流 I C 與電流 I B 有一線性關係 (I C = DC I B) 通常拿電晶體做為線性放大器時, 其工作必須限於此工作區內通常在工作區時, 以 NPN 電晶體為例, 基極 / 射極接面為順向偏壓, 集極 / 基極接面為逆向偏壓 ( 三 ) 截止區 : 在圖 5 的下方, 最接近水平軸的地方, 其 I B 幾乎為零, 此區域稱為截止區因為只有相當微小的電流 I C 流動, 通常會被忽略掉, 因此

4 當電晶體其電流 I C 為零時, 即說此電晶體進入截止區通常在截止區時, 以 NPN 電晶體為例, 基極 / 射極接面為逆向偏壓, 集極 / 基極接面也為逆向偏壓 ( 四 ) 崩潰區 : 當集極 / 基極電壓太大時, 此集極 / 基極接面會崩潰, 形成一個巨大的集極電流流動一般正常電路設計應避免在此崩潰區中運作四雙極性電晶體的放大器模式 ( 一 ) 共射極放大器模式 : 共射極放大器提供了很高的電流增益電壓增益與極高的功率增益它是唯一能夠同時提供不錯的電流增益與電壓增益之電晶體放大器模式圖 6(a) 為共射極放大器典型電路其輸入信號 Vi 由 B 極輸入, 輸出信號 Vo 由 C 極輸出輸入與輸出信號的相位相反, 差了 180 ( 二 ) 共集極放大器模式 : 共集極放大器是用來提供電流增益與功率增益的, 因其電壓增益為 1, 所以有時也稱共集極放大器為射極隨耦器 (Emitter Follower) 共集極放大器其特徵為: 具有很高的輸入阻抗及很低的輸出阻抗, 這個特性使它成為一相當理想的緩衝器圖 6(b) 為共集射極放大器典型電路其輸入信號 Vi 由 B 極輸入, 輸出信號 Vo 由 E 極輸出輸入與輸出信號不會發生相位顛倒的情形 (a) (b) (c) 圖 6 共射極共集極與共基極放大器典型電路 ( 三 ) 共基極放大器模式 : 一般共基極放大器較少場合使用, 因其輸入阻抗相當小, 會造成將輸入共基極放大器的交流信號衰減掉不過其在高頻響應方面, 就有較佳的表現共基極放大器具有高電壓增益, 以及最大電流增益為 1 的特性圖 6(c) 為共基極放大器典型電路其輸入信號 Vi 由 E 極輸入, 輸出信號 Vo 由 C 極輸出輸入與輸出信號與共集極放大器模式一樣, 不會發生相位顛倒的情形第三節閘流體一般閘流體不像前面雙極性電晶體所述, 是拿來放大信號用的, 而是特別設計在高功率開關場合應用上通常閘流體被廣泛應用在高功率的開關上, 如加熱器焊接器與直流或交流馬達的速度控制等常用的閘流體有雙向觸發開關 (DIAC) 矽控整流器(SCR) 與三端觸發開關 (TRIAC) 三種, 以下分別敘述之 : 一雙向觸發開關雙向觸發開關其構造與前面之電晶體類似, 電晶體是三端元件, 而雙向觸發開關則是雙端元件, 其構造符號與電壓 / 電流特性曲線如圖 7 所示在圖 7 中, 當兩端之電壓未超過轉態電壓時, 雙向觸發開關是無法導通的, 一旦超過轉態電壓, 其兩端之電壓差會變的相當小此時雙向觸發開關會持續導通, 直到電流降至比保持電流小時, 雙向觸發開關又轉成不通狀態雙向觸發開關通常用於功率控制電路上, 常與三端觸發開關互相搭配使用, 以確保在施加電壓做正向與負向變動時, 能夠對稱觸發二矽控整流器矽控整流器是由 PNPN 四層半導體所合成

5 農業自動化叢書 12 機電整合第七章基礎電路 (a) DIAC 構造 (b) DIAC 電路符號 (c) DIAC 電壓 / 電流特性曲線圖 7 DIAC 構造符號與電壓 / 電流特性曲線圖之三端元件, 其構造符號與電壓 / 電流特性曲線如圖 8 所示矽控整流器有三根腳, 分別為陽極閘極與陰極其特性與雙向觸發開關相似, 當陽極與陰極兩端之電壓未超過順向轉態電壓時, 矽控整流器是無法導通的, 一旦超過此順向轉態電壓, 其兩端之電壓差會迅速變小與雙向觸發開關最大不同處是矽控整流器可藉由閘極電流來控制順向轉態電壓之大小通常被使用作切換主電源或當作直流機之速度控制上三三端觸發開關為了改善矽控整流器只能在單方向導通之 (a) SCR 構造 (b) SCR 電路符號 (c) SCR 電壓 / 電流特性曲線圖 8 SCR 構造符號與電壓 / 電流特性曲線圖

6 缺點, 三端觸發開關就被研發出來, 其可在兩個方向上導通, 在交流電路控制功率場合中, 相當好用圖 9 為三端觸發開關之符號與其電壓 / 電流特性曲線圖, 我們可以將三端觸發開關想像成是兩個互為反向的矽控整流器併聯在一起, 所形成的三端電子元件其操作與矽控整流器類似, 差別在三端觸發開關可在負電壓範 (a) TRIAC 電路符號圍內導通, 矽控整流器則不行三端觸發開關通常用於交流電源之全波切換電路上第四節運算放大器早期放大器 (Amplifiers) 主要應用於加減積分與微分等數學運算中, 故而稱為運算放大器運算放大器是目前使用最為廣泛的類比積體電路 (IC) 之一, 其放大頻率範圍為 0Hz~1MHz, 適用範圍相當廣運算放大器有一重要特徵, 其只可將兩輸入端之輸入信號差加以放大, 共同信號 ( 如耦合雜訊 ) 則會被嚴重衰減掉此特性使的運算放大器相當適用於有大量雜訊的電子電路中其原因是運算放大器一般皆包含兩級或兩級以上的差動放大器 ( 或稱為減法器 ), 差動放大器使運算放大器具備極高的電壓增益與共模拒絕比 (CMRR, Common-Mode Rejection Ratio) 兩個基本的運算放大器電路分別是反相放大器與非反相放大器電路, 其判斷方式是根據運算放大器輸出信號相對於輸入信號的相位而定以下分別介紹運算放大器的基本電路符號與其理想電路特性, 反相放大器與非反相放大器之電路操作及其應用一運算放大器的基本電路符號與其理想電路特性運算放大器的基本電路符號如圖 10 所示, 具有兩個輸入端 ( 正輸入端 :V + 與負輸入端 :V -) 及一個輸出端如從正輸入端輸入信號, 則輸出端輸出信號與輸入信號同相位, (b) TRIAC 電壓 / 電流特性曲線圖 9 TRIAC 電路符號與電壓 / 電流特性曲線圖圖 10 運算放大器的基本電路符號圖

7 農業自動化叢書 12 機電整合稱為非反相放大器反之若從負輸入端輸入信號, 則輸出端輸出信號與輸入信號相位相反, 就稱為反相放大器為使讀者能較易聊解運算放大器, 一般在計算運算放大器時, 常在理想狀態下視之, 當然理想與實際終究有所差別理想的運算放大器有下列幾項特徵 : 輸入阻抗無限大輸出阻抗為零頻率響應無限寬電壓放大增益無限大及 V + 端與 V - 端同電位等特徵二反相放大器反相放大器是最常被應用的運算放大器電路之一, 圖 11 顯示反相放大器電路架構可從圖看出輸入信號 Vi 與輸出信號 Vo 之相位是不同的, 其電壓放大增益 (Vo/Vi) 為 - R2/ R1 四運算放大器的應用一般在電子電路應用上, 反相放大器比非反相放大器被應用較多下列電路是以反相放大器為基礎, 延伸變化所組成的電路 ( 一 ) 積分器 : 將原來反相放大器 R2 電阻, 換成一顆電容器 C, 如圖 13(a) 所示此時輸入信號 Vi 與 1 輸出信號 Vo 之關係, 即變成 =, 1 形成一積分關係 ( 二 ) 微分器 : 將原來反相放大器 R1 電阻, 換成一顆電容器 C, 如圖 13(b) 所示此時輸入信號 Vi 與輸出信號 Vo 之關係, 即變成 = 2, 形成一微分關係 ( 三 ) 加法器 : 若將反相放大器稍微變化一下, 如圖 13(c) 第七章基礎電路圖 11 反相放大器電路圖所示此時輸入信號與輸出信號 Vo 之關係, 1 即變成 = 若 R1 = R2 = R3 =...= Rn = Rf, 就可簡化為 Vo =-(V1+V2+V3+...+Vn), 形成一加法關係 ( 四 ) 減法器 : 三非反相放大器圖 12 顯示非反相放大器電路架構可從圖看出輸入信號 Vi 與輸出信號 Vo 之相位是相同的, 其電壓放大增益 (Vo/Vi) 為 1 + R2/ R1 若將反相放大器與非反相放大器相結合, 如圖 13(d) 所示此時輸入信號與輸出信號 Vo 之關係, 即變成 = 若能適當選取電阻值, 讓其有 = 4 3 之關係, 就可簡化為 = , 形成一減法關係第五節電源供應器圖 12 非反相放大器電路圖大部分的電子產品均使用直流電壓為其電源, 然而大部分其電源來源仍是台電所提供的 110V 交流電源, 因此需先將此交流電源轉成

8 (a) (b) (c) (d) 圖 13 反相放大器的應用電路圖電子產品所需之直流電壓將交流電壓轉成所需的直流電壓裝置, 俗稱為電源供應器 (Power Supply) 由直流電源供應器所產生的直流電壓, 推動著無可勝數的電子電路, 諸如 : 電腦電視機 CD 音響以及各種實驗室設備一般要將 110V 交流電壓轉成所需的直流電壓, 通常包括四個基本流程, 其流程如圖 14 方塊圖所示先透過變壓電路將 110V 交流電壓先轉成適當大小之較小交流電壓源, 接著由整流電路將此較小交流電壓源轉成稍具雛形之直流電壓, 整流電路中又可區分為半波整流或圖 14 穩定的直流電源產生方塊圖

9 農業自動化叢書 12 機電整合全波整流, 通常為達較佳效果, 採取全波整流機會較多再由濾波電路將此稍具雛形之直流電壓訊號修正成更平穩之直流電壓, 一般存於自然界中的 60Hz 干擾雜訊, 在此步驟將被主頻率為 60Hz 的帶止濾波器濾掉最後再經由穩壓電路將上一級之平穩直流電壓, 轉成不受外在條件干擾, 更穩定之直流電壓源常見的穩壓 IC 有 LM320 及 LM340 系列或是 78xx 及 79xx 系列, 均可提供不錯的穩壓效果目前電子產品日趨精緻化, 愈精密的電子設備對電源的要求愈高, 有了更穩定的電源供應, 才能確保儀器設備使用壽命延長參考資料梁季倉韓強生李永振 1999 電子學全華書局歐文雄歐家駿 1995 工業電子學全華書局張順雄張忠誠李榮乾 2002 電元件與電路理論東華書局習題一理想二極體具有何特性? 二若一電晶體工作於工作區, 電晶體的 DC= 150,I B = 60 A, 則 I C 應為多少? 三若一電晶體, 測得其 I C 電流為 0, 請問此電晶體工作於何區? 四通常我們拿射極隨耦器來做什麼? 試說明其原因? 五 DIAC 與 TRIC 常常在一起使用, 其目的是什麼? 六試寫出理想的運算放大器有何特徵? 七試以非反相放大器來設計一放大倍率為 100 之電路? 八延續上題, 試以反相放大器來設計一放大倍率為 100 之電路?( 提示 : 可用兩級相同的反相放大器來設計 ) 九試設計一 (A + B + C) 的加法器? 十通常在電源供應方面, 我們應用何技巧將自然界中的 60Hz 干擾雜訊去除掉? 第七章基礎電路

Q expert-完成出卷

Q expert-完成出卷 1. ( ) 下列敘述何者錯誤? 104-1 高二電子學 H5 電晶體直流偏壓電路 (A) 電晶體的工作點又稱為 Q 點 () 更換不同 β 值的電晶體, 會影響電路的工作點 () 電晶體欲用在線性放大電路時, 須工作於飽和區 (D) 線性放大器常用來做小信號放大 2. ( A ) 電晶體當放大器使用時, 須工作於 (A) 作用區 () 飽和區 () 截止區 (D) 以上皆非 3. ( ) 電晶體當放大器使用時,