1、第5章 换能器件,换能元器件是实现电量与非电量之间相互转换的电子元器件。在现代工业自动化程度越来越高，民用产品智能化程度越来越强的今天，换能元器件的重要性日显突出。本章主要介绍了几种敏感元器件以及电光器件和电声器件。,5.1 热敏元器件,5.1.1热敏电阻的概念 1定义 热敏电阻是指阻值随温度的改变而发生显著变化的敏感元件，它可以将热量（温度）直接转换为电量。它们多由金属氧化物半导体材料构成，也有由单晶半导体、玻璃和塑料等制成。,2热敏电阻器的工作原理,半导体的导电方式是载流子(电子、空穴)导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多。随着温度的变化，半导体中参加导电的载流子数目就
2、会急剧变化，故半导体电导率变化明显。热敏电阻器正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方制成的，在一定的温度范围内，通过测量热敏电阻阻值的变化，便可得到被测介质的温度变化。,3分 类,热敏电阻的分类方法很多，一般可按其阻温特性、结构、形状、用途、材料、使用范围等分别进行分类。,（1）按阻温特性分类,热敏电阻按阻温特性可分为负温度系数热敏电阻和正温度系数热敏电阻两种。它们又可分别分为开关型和缓变型两种。正温度系数热敏电阻（PTC） 是指在工作温度范围内，其阻 值随温度升高而增加的热敏电 阻。金属材料具有正电阻温度 系数，如图所示。,开关型,缓变型
3、,温度,阻值,（a） 正温度系数热敏电阻,（1）按阻温特性分类,负温度系数热敏电阻（NTC）是指在工作温度范围内，其阻值随温度升高而减小的热敏电阻。合成氧化物半导体材料具有负电阻温度系数。负温度系数热敏电阻其温度系数在-16（10-2/），如图（b）所示。,开关型,缓变型,温度,阻值,（b） 负温度系数热敏电阻,（1）按阻温特性分类,开关型负温度系数热敏电阻（CTR），又称临界负温度系数热敏电阻，是指在特定温度范围内，其阻值急剧下降的热敏电阻。 开关型正温度系数热敏电阻（PTC-S），又称临界正温度系数热敏电阻，是指在特定温度范围内，其阻值急剧上升的热敏电阻。 缓变型负温度系数热敏电阻或缓变型
4、正温度系数热敏电阻是指在一定温度范围内，其阻温特性与开关型相似，但变化不如开关型陡峭，即变化比较缓慢的热敏电阻。,（2）按加热方式分类,热敏电阻按加热方式可分为直热式和旁热式两种。 直热式是利用电阻体本身通过电流取得热源而改变阻值。 旁热式是尽量减低自加热所产生的电阻变化，而用管形热敏电阻中央或珠形、片型热敏电阻外部加热器的加热电流来改变阻值。,（3）按材料分类,热敏电阻按材料可分为陶瓷热敏电阻、半导体单晶热敏电阻、玻璃热敏电阻、塑料热敏电阻、金刚石热敏电阻等。,（4）按温度范围分类,热敏电阻按温度范围可分为常温型热敏电阻、高温型热敏电阻、低温型热敏电阻三种。 常温型热敏电阻：温度范围在-60
5、+350 高温型热敏电阻：温度范围大于+350 低温型热敏电阻：温度范围小于-60,（5）按用途分类,热敏电阻按用途可分为补偿型热敏电阻、测温型热敏电阻、控温型热敏电阻和稳压型热敏电阻。,5.1.2热敏电阻的特性参数,1阻温特性 热敏电阻的阻温特性是指电阻的实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，即正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，如图所示。 2伏安特性 在静态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端电压U的关系，称为热敏电阻的伏安特性。,如图为负温度系数热敏电阻的伏安特性。当流过热敏电阻的电流很小时，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定理，当电流增大到一定值后，由于热敏电阻本身温度的升高，使之出现负阻
6、特性，虽然电流增大，但电阻却减小，端电压下降。,I(mA),U(V),图为正温度系数热敏电阻的静态伏安特性曲线，当热敏电阻的耗散功率增大时，电阻体温度超过环境温度，引起阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增加到Um时，电流达到最大值Im。如果电压继续增加，由于温升引起的阻值增加超过了电压的增加速度，电流反而减小，曲线斜率变负。,U(V),Um,I(mA),Im,3额定功率,热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许消耗的最大功率，称为额定功率。在此功率下，电阻体自身温度不应超过其最高工作温度。,4实际阻值RT,实际阻值是指在一定的环境温度下，采用引起阻值变化不超过0.1的测量功率所测得的电阻值，
7、又称为零功率电阻值、不发热功率电阻值、冷电阻值。阻值大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。,热敏电阻的实际阻值与其自身温度关系为：负温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：式中：RT为绝对温度T时的实际电阻值；R0、R为常数，它们与电阻体的几何 尺寸和材料的物理特性有关；B为材料常数；A为常数。,5标称阻值R25,标称阻值R25是指环境温度为25时的实际阻值。负温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：,6温度系数,表示温度变化1时，电阻实际值的相对变化量：负温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：,7材料常数,材料常数是用来描述热敏电阻材料物理特性的一个参数，又称热灵敏指标。负温度系数热敏电阻：正温度
8、系数热敏电阻：式中：R1、R2分别为热力学温度T1、T2时的电阻值。,8测量功率,测量功率是指在规定的环境温度下，电阻体受测试电流加热所引起的阻值变化不超过0.1%时所消耗的功率。绝缘电阻是指在规定的环境条件下，热敏电阻的电阻体与加热器或密封外壳之间的电阻值。,9绝缘电阻,10最大电压,最大电压是指在规定环境温度下，热敏电阻不引起失控所允许连续施加的最大直流电压。在正常工作状态下，热敏电阻规定的名义电流值。,11额定工作电流,12热耦合系数,当热敏电阻分别采用直热式和旁热式加热方式，使旁热式热敏电阻的电阻体达到相同的热电阻值时，其直热功率P1与旁热功率P2之比，称为热耦合系数。即：它是功率被有
9、效利用的一个参数，其大小取决于热敏电阻的结构，其值通常大于0.5。,13最高工作温度,最高工作温度是指在规定的标准条件下，热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度。耗散常数是指热敏电阻的温度增加1时所耗散的功率。其大小与热敏电阻的结构、形状及介质种类有关。定义为：式中：H为耗散常数P为温度变化t 时，耗散功率的变化量t 为温度的变化量,14耗散常数,5.1.3 热敏电阻的应用,热敏电阻具有体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、易于实现遥控遥测等优点，得到了广泛应用。 1热敏电阻温度计如图所示，热敏电阻作为一个桥臂电阻接入电桥。当温度t为零度时，调整电桥达到平衡。当t0时，电桥失去平衡，检流计G不指
10、零，根据指针偏转即可测出温度值，并可在表盘上直接以温度刻度。这种温度计精密度高，能遥测遥控，若配上不同规格的热敏电阻，可进行多点固定温度的测量和快速测量。,Rt,2热敏电阻开关,如图所示，Rt为开关型z正温度系数热敏电阻，R为加热丝，恒温箱温度固定在开关型热敏电阻的临界温度上。当恒温箱温度超过临界温度时，Rt阻值急剧增加几个数量级，且远大于R，这相当于电源被切断，加热丝R不发热，使得恒温箱温度下降。当恒温箱温度低于临界温度时，Rt阻值急剧减小，且远小于R，这相当于电源接通，加热丝R发热，恒温箱温度升高。,3温度补偿,如图所示，Rt为负温度系数热敏电阻。当温度升高时，由于晶体管为热敏感器件，其集
11、电极电流Ic增加。但同时NTC热敏电阻Rt的阻值相应减小，使晶体管基极电位Ub下降，从而使基极电流Ib减小。由于Ib随温度升高而减小，抑制了Ic的增加，故达到了稳定静态工作点的目的。,Rt,5.1.4 热敏电阻的测量,用万用表测量负温度系数热敏电阻 1测量零功率下标称电阻值 测量条件要求环境温度在25，且测量功率不超过规定值。 如MF12-1热敏电阻，其额定功率为1W，测量功率为P1=0.2mW，假定标称值为10k，则测量电流为：,1测量零功率下标称电阻值,应选择R1k档比较合适，该档满刻度电流I通常为几十到一百多微安。如500型万用表的R1k档，其满刻度电流为150微安。 对于低阻值的热敏电
12、阻应尽量选择较高的电阻档，以减小因测试电流所引起热效应造成的测量误差。,2估测电阻的温度系数,在常温T1下，测得电阻值为RT1。用电吹风机或电烙铁作为热源，靠近热敏电阻，然后测的电阻值为RT2，并用标准温度计量出热敏电阻表面的平均温度T2。热敏电阻的温度系数可用下面公式进行估算：对于负温度系数热敏电阻，测量计算得 小于零。,5.1.5 热电偶,5.1.5 热电偶,热电偶是由两种金属或合金构成，当两种不同金属材料的导体焊接成闭合回路时，由于两种材料的自由电子密度不同，在接触面电子扩散率不同，会产生热电动势，且与温度成正比。如图所示，A、B是两种不同材料的导体，设A的电子密度大于B的电子密度，在接
13、触面电子扩散的结果使A端电子浓度降低而带正电，B端电子浓度升高而带负电。达到平衡时，A、B端产生一个稳定的电位差，形成接触电动势。此电动势与接触点温度T成正比，可用电压表测出其值，这样就可得出接触点温度T的值。,5.1.6 半导体制冷器,5.1.6 半导体制冷器,半导体制冷器是根据在两种不同材料导体构成的闭合回路中加上直流电压后，由于载流子在不同导体中的势能不同，在接触面上产生吸热、放热现象的原理而构成的。,5.2 光敏器件,5.2.1 光敏电阻 1 光敏电阻的概念 一、定义 光敏电阻是光电传感元件之一，它是利用半导体的光电导效应制成的一种元件，阻值随入射光的强弱来改变。一般情况下，入射光增强
14、，电导率增大，电阻值减小。,2种 类,光敏电阻的种类很多，可按不同的原则进行分类。 光敏电阻按照光谱特性，一般可分为紫外光敏电阻、可见光敏电阻和红外光敏电阻等几类。 按光谱特性分类一般可分为紫外光敏电阻、可见光敏电阻和红外光敏电阻等几类。 光敏电阻按所用半导体材料不同可分为单晶光敏电阻和多晶光敏电阻。,3特点,（1）光敏电阻的阻值随入射光的强弱而改变，有较高的灵敏度。 （2）光敏电阻在直流和交流电路中均可使用，性能稳定。 （3）体积小，结构简单、价格便宜，可广泛用于检测、自动控制、通信、自动报警等电路中。,5.2.2 光敏电阻的特性参数,1光照特性 光敏电阻的光照特性是指阻值随光照变化而变化的
15、规律。所有光敏电阻的光照特性都是非线性的。如图所示，为硫化镉光敏电阻的光照特性。由图可见，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速下降，然后逐渐趋于饱和，这时即使光照再增强，阻值变化也很小。,2伏安特性,伏安特性是描述光敏电阻上外加电压和所流过的电流之间的关系。如图所示，为烧结膜光敏电阻的伏安特性。由图可见，所加电压越高，光电流越大且无饱和现象，同时，不同的光照，其伏安特性具有不同的斜率。,电阻R(k),100,50,500,照度 L(lX),0,硫化镉光敏电阻光照特性,电流I(A),电压U(V ),100 lX,10 lX,0,硫化镉光敏电阻伏安特性曲线,3亮电阻和亮电流,在一定的外加电压下受
16、到光照时，通过光敏电阻的电流称为亮电流。亮电流IL与外加电压U和入射光照度L的关系为：式中：为电压指数； 为照度指数。 光敏电阻在受到光照时所具有的阻值称为亮电阻RL。一般测试条件照度为10 lX。,4暗电阻和暗电流,在一定的外加电压下，没有光照时，流过光敏电阻的电流称为暗电流ID。亮电流与暗电流之差称为光电流IP。 光敏电阻在不受光照时所具有的阻值称为暗电阻RD。定义为当照度为0 lX时，光敏电阻具有的阻值。规定在光源关闭30s后进行测量。,5灵敏度,表示灵敏度的参数有阻值变化倍数、电阻灵敏度、电流灵敏度、比灵敏度、灵敏阀等。 阻值变化倍数是指暗电阻与亮电阻的比值。即：K值越大，说明光敏电阻
17、的灵敏度越高。 电阻灵敏度是指暗电阻与亮电阻之差同暗电阻之比。即：,5灵敏度,电流灵敏度是指单位入射光通量下的光电流，可表示为光电流IP与照射在光敏电阻上的光通量之比。即：（微安/流明） 光电流的大小除了与光通量有关外，还与外加电压有关。当外加电压为1V时，光电流灵敏度称为比灵敏度，亦称积分灵敏度。即：（微安/流明伏）,6时间常数,当光敏电阻上的光照跃增（或跃减）时，亮电阻需要经过一段时间才能跃减（或跃增）到最终的稳定值，这就是光敏电阻的时间延迟现象。 从光照跃变开始至达到稳定亮电流的63（即1-1/e）时，所需的时间称为时间常数。越小，说明响应越快。,7额定功率,额定功率是指光敏电阻在规定条
18、件下，长期连续负荷所允许消耗的最大功率。在此功率下，电阻器自身的温度不应超过最高工作温度。光敏电阻在额定功率下，所允许承受的最高电压称为最高工作电压。,8最高工作电压,5.2.4 光敏电阻的测量,用万用表检测光敏电阻时，首先选择R1k档，表笔分别与两引线相接。先用黑纸挡住光敏电阻，测量的电阻值应接近无穷大。去掉黑纸，再加光照，电阻值将减小。也可以把光敏电阻的管帽对准光线方向，用黑纸片在上面晃动，不断改变照度，万用表的指针会随着光线的强弱变化而左右摆动。假如指针始终停留在无穷大，说明光敏材料损坏或内部引线开路。,5.2.5 光敏二极管,1光敏二极管的结构 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体
19、二极管在结构上相似。如光敏二极管的结构图。光敏二极管有一个能射入光线的玻璃透镜，管芯的PN结面积较大，电极面积较小，PN结的结深比普通半导体二极管浅，在硅片上有一层SiO2保护层，可减少暗电流。,2光敏二极管的工作原理,光敏二极管与普通二极管一样，其PN结具有单向导电性。因此，光敏二极管工作时应加上反向电压。当无光照时，光敏二极管截止；当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被激发产生电子空穴对，使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流增加，形成光电流，该光电流随入射光强弱变化而相应变化，实现光电转换功能。,3光敏二极管的测量,用万用表检测
20、光敏二极管时，应选择R1档。先用黑纸挡住光敏二极管进光口，测量二极管的单向导电性。正向电阻应为1020，反向电阻应为无穷大。去掉黑纸，测二极管反向电阻，看光敏二极管的光照特性，光照较好时，光敏二极管反向电阻应从无穷大变为一个较小值，变化越大说明灵敏度越高。,5.2.6 光敏三极管,1光敏三极管的结构 光敏三极管的结构与普通三极管没有本质区别，只不过将集电结做成光敏二极管的形式，该集电结既是一个光敏二极管，又是三极管的一个组成部分。这种结构等效于一个光敏二极管加上一个晶体管放大器。,3光敏三极管的测量,用万用表检测光敏三极管时，应选择R1档。先用黑纸挡住光敏三极管进光口，测量它的漏电情况。此时正
21、接、反接电阻都应为无穷大。去掉黑纸，测光敏三极管的光照特性。光照较好时，NPN型光敏三极管，c极接黑表笔，e极接红表笔时阻值应小于30，反接仍为无穷大。,5.2.7 光电耦合器,1光电耦合器的概念 光电耦合器(简称光耦)是指把发光元件(如红外发光二极管)和受光元件(如光电池、光电二极管、光电三极管、达林顿型光电三极管等)共同封装于一个壳内，完成电光、光电的转换，且使输入和输出信号在电气上绝缘的一类器件。 光电耦合器能使电子器件实现无反馈的直流隔离耦合，故又被称为光隔离器。具有容易与逻辑电路配合、寿命长、体积小、耐冲击、反应速度快以及无触点等优点，在电子仪器、仪表以及自动控制设备中得到广泛的应用
22、。,2光电耦合器的工作原理,在光电耦合器的输入端加上电信号后，发光元件发光，受光元件在光照后，由于光电效应产生光电流，由输出端引出。这样，就实现了以光为媒介的电信号传输。,3光电耦合器的结构,常见的几种光电耦合器的结构示意图。通常，其外壳形式和普通三极管的外壳形式相同或与集成电路中常用的双列直插式外壳相同。封装形式有金属壳、双列直插和扁平封装等。 (a) 通用型(无基极引线)；(b) 光敏晶闸管型；(c) 通用型(有基极引线)；(d) 光敏场效应管型； (e) 达林顿型；(f) 光集成电路型；(g) 光纤型,5.2.8 硅光电池,1硅光电池的结构 硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器
23、件。本质上是一个大面积的半导体PN结。,硅光电池的基体材料为P型单晶硅薄片，在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层，交接处形成PN结，在N型受光层上做栅状电极。另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜，增加电池对入射光的吸收率。 以硅材料为基体的硅光电池，可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅制造。单晶硅光是目前应用最广的一种，它有2CR和2DR两种类型，其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造，2DR型硅光电池则采用P型单晶硅制造。,2硅光电池的工作原理,当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半导体中激发出光生电子空穴对。PN结两边的光生电子空穴对在内电场的作用下，多数载流子不能穿越阻挡层，而少数载流子却
24、能穿越阻挡层，使得P区的光生电子进入N区，N区的光生空穴进入P区，将每个区中的光生电子空穴对分离开。光生电子在N区的集结使N区带负电，光生空穴在P区的集结使P区带正电。P区和N区之间产生光生电动势。当硅光电池接入电路后，光电流从P区经负载流至N区，电路中即可得到电能输出。,3硅光电池的特性,1) 光谱特性 从曲线可见，硅光电池的光谱响应范围在0.5m1.0m光波长之间，可以在可见光到红外光区的范围内使用。 2) 伏安特性 伏安特性表示负载为电阻时，受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。选择合适的负载电阻，可获得硅光电池的最大功率。,3) 光电特性,光电特性表示光照度与光电流及光生电动势的关系
25、。开路电压与光照度的关系是非线性的，当光照度为2000lx时，开路电压趋于饱和。短路电流与光照度的关系，在很大的光照度范围内呈线性关系。,4) 温度特性 硅光电池的参数受环境温度的影响较大，开路电压的温度系数一般为2.1mV/，短路电流的温度系数一般为78A/。 5) 频率特性 作用于硅光电池上的光交变频率对其输出电流具有明显的作用，其响应时间为1s1s。,5.3 压敏元器件,5.3.1 压敏电阻 1定义 压敏电阻是利用半导体材料的非线性特性原理而制成的，是指其伏安特性为非线性的电阻。非线性是由电压引起的，在正常工作状态下，随着电压的微小变化，阻值发生急剧变化。,2分类,压敏电阻种类很多，可按
26、不同的方式进行分类。 （1）按材料分类 压敏电阻可分为氧化锌压敏电阻、碳化硅压敏电阻、硅锗压敏电阻、金属氧化物压敏电阻、钛酸钡压敏电阻、硒化镉和硒压敏电阻等。,（2）按物理结构分类,压敏电阻一般可分为体型压敏电阻、结型压敏电阻和薄膜型压敏电阻等。 体型压敏电阻是指其伏安特性的非线性主要由电阻体本身的半导体性质所形成。 结型压敏电阻是指其伏安特性的非线性主要由电阻体和金属电极间的非欧姆接触所形成。,（3）按伏安特性分类,压敏电阻可分为对称性（无极性）压敏电阻和非对称性（有极性）压敏电阻两种。（a）为非对称性压敏电阻的伏安特性曲线，（b）为对称性压敏电阻的伏安特性曲线。非对称性只能在直流场合使用，
27、对称性可用于交直流场合，但如果将两只非对称性压敏电阻反向并联，则也可用于交流场合。,I,0,U,I,0,U,(a),(b),5.3.2 压敏电阻的特性参数,1标称电压 标称电压是指通过1mA电流时，压敏电阻器两端的电压，又称为压敏电压。 2电压温度系数 当通过压敏电阻的电流保持恒定时，温度每改变1，电压的相对变化称为压敏电阻的电压温度系数。,3通流能力（耐浪涌能力）,浪涌是指由于某种原因，使电路中产生的瞬时电压或电流超过正常值的许多倍，分别称为浪涌电压和浪涌电流。 压敏电阻能够承受浪涌电压或浪涌电流的最大能力称为通流能力或耐浪涌能力。通流能力的大小用耐浪涌能量（J/cm2）、耐浪涌电压（V/c
28、m2）或耐浪涌电流（A/cm2）来表示。,4. 电压比,电压比是指压敏电阻通过1mA电流时的端电压与通过0.1mA电流时的端电压之比。,5残压比,在强电流脉冲的情况下，经常用残压比来表示压敏电阻的伏安特性。残压是指某一脉冲电流通过压敏电阻时所产生电压的峰值。而残压比则是这个峰值电压与标称电压的比值。对于同一个脉冲电流来说，若残压比较小，说明电阻的非线性较好；反之，则说明电阻器的非线性不好。,5.3.3 压敏电阻的应用,压敏电阻的主要用途是在各种电气和电子电路中抑制浪涌。压敏电阻还可以用于高压稳压、非线性补偿和自动增益控制、高压元件的均压电阻（其效果优于线性电阻）。利用碳化硅压敏电阻电流和电压之
29、间稳定的二次方到三次方关系可以在模拟运算电路里，方便地实现对数和乘除运算。,1半导体器件的过电压保护,为了防止半导体器件工作时由于某些原因产生过电压被烧毁，常常使用压敏电阻加以保护。在晶体管集电极和发射极之间，或者在变压器的初级间联接压敏电阻器，能有效地抑制过电压对晶体管的损伤。,1半导体器件的过电压保护,对于二极管或可控硅元件来说，一般将压敏电阻器与这些半导体器件并联或者与电源并联联接。而且应该满足如下两个要求，一是重复动作的反向电压要大于压敏电阻的残压，二是非重复动作的反向电压也要大于压敏电阻的残压。,+U0,+U0,U,V,V,V,R,R0,R1,C,D,GTO,2对接触器、继电器的保护
30、,当切断含有继电器、接触器、电磁离合器等感性负荷的电路时，其过电压可以超过电源电压好多倍。过电压造成接点间电弧和火花放电，损坏触头，缩短设备寿命。由于压敏电阻在高电位时具有分流作用，可以在触点断开的瞬间防止火花放电，从而保护了触点。,压敏电阻保护继电器等的联接方法如图所示。压敏电阻与线圈并联时，触点间的过电压等于电源电压与压敏电阻残压之和，压敏电阻吸收的能量为线圈存储的能量。压敏电阻与触点并联时，触点间的过电压等于压敏电阻的残压，压敏电阻吸收的能量为线圈存储能量的12倍。,E,E,K,K,R,R,L,V,V,L,3稳压电路,在电路中，当输入 电压Ui的大小发 生变化时，由于压敏电阻伏安特性的非
31、线性，从负载电阻RL中流过的电流变动很小，所以输出电压U0的电压变化率小于输入电压Ui的电压变化率，使电路起到稳压作用。,R1,RL,V,UO,Ui,4电压变化倍增电路,当输入电压Ui增加或减小 U时，如果电路中两只电阻 均为普通电阻，则输出电压的 变化率 。当R1为压敏电阻时，由于它具有相似于稳压管的稳压特性，输入电压的变化部分Ui几乎全部到达输出端，使电路输出电压的变化率大于输入电压变化率，起到电压变化倍增作用。这种电路可用于将某一量变换为电压之后，取出其变化量的装置。,R,V,UO,Ui,5.3.4 瞬态电压抑制二极管,瞬态电压抑制二极管是一种安全保护器件，对电路中瞬间出现的浪涌电压脉冲
32、可起到分流钳位作用，能有效降低由于雷电及电路中开关通断时感性元件产生的高压脉冲，避免对电子设备的损坏。,1瞬态电压抑制二极管的结构,瞬态电压抑制二极管通常采用二极管式的轴向引线封装。其核心单元为芯片，芯片由半导体硅材料扩散制成，分为单极型和双极型两种结构。单极型瞬态电压抑制二极管有一个PN结，双极型瞬态电压抑制二极管有两个PN结。它们都是利用现代半导体制作工艺在同一块硅片正反两个面上制作出的两个背对背的PN结。瞬态电压抑制二极管芯片的PN结经过玻璃纯化保护后由引线引出，再由惰性环氧树脂封装而成。,2瞬态电压抑制二极管的特性,其正向特性与普通二极管相同，反向特性为突变型的PN结雪崩击穿特性。在瞬
33、态脉冲电压作用下，流过瞬态电压抑制二极管的电流，由原来的反向漏电流上升到击穿电流，其两端电压则由反向关断电压上升到击穿电压，此时瞬态电压抑制二极管反向击穿。随着峰值脉冲电流的增大，通过的电流立即达到峰值脉冲电流，但瞬态电压抑制二极管两端的电压被钳位于最大钳位电压。电极引线芯片环氧树脂包封,5.3.5 气体放电管,1气体放电管的结构及原理 气体放电管主要由电极及绝缘瓷管组成，在电极的有效电子发射表面上涂有激活化合物，电极间的距离一般小于lmm，以提高电子的发射能力。为了保证气体放电管能快速将浪涌电压限制在低电位，在陶瓷绝缘管内表面置有一导电带，通过其作用电场来加速放电区域的电离，使放电管具有快速
34、响应特性和可恢复性。 为了提高气体放电管的工作稳定性，管内一般充有氖或氩等惰性气体。气体放电管有二极放电管及三极放电管两种类型。,5.4 力敏元器件,力敏电阻是利用半导体材料的压力电阻效应制成的新型半导体元件。压力电阻效应（亦称压阻效应）是指电阻的阻值随着外加应力的大小而发生改变。目前最常见的力敏元器件是电阻应变片。,5.4.1 电阻应变片的概念,电阻应变片是一种能将被测体上的应力变化转换成电阻变化的敏感器件，是应变式传感器的主要组成部分。,1电阻应变片的分类,电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变片是应用很广的力电转换元件，通常它需要和电桥电路一起使用，由于其输出信号
35、微弱，还需要经放大器将信号放大。,2金属电阻应变片,金属电阻应变片分为金属丝电阻应变片和金属箔电阻应变片两种，其结构由保护片、敏感栅、基底及引线4部分组成。敏感栅可由金属丝或金属箔制成，被贴在绝缘基底上，在其上面再粘贴一层绝缘保护片，然后在敏感栅的两个引出端焊上引出线。,3半导体应变片,半导体应变片主要是利用硅半导体材料的压阻效应制成的。如果在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率也会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。,5.5 磁敏元器件,5.5.1 磁敏电阻 磁敏电阻是利用磁电效应而制成的。磁电效应是指磁场强度改变时，其阻值发生变化。磁敏电阻
36、的阻值随着穿过它的磁通量密度的不同而变化。 磁敏电阻的显著特点是在弱磁场中阻值与磁场的关系成平方律变化；在强磁场中阻值按线性关系变化，并有很高的灵敏度。,5.5.2 霍尔元件,1霍尔元件的概念 霍尔元件是根据霍尔效应(Halleffect)进行磁电转换的磁敏元件。具有体积小、重量轻、寿命长、噪声低以及结构简单等优点，广泛用于磁场检测、位移量检测、位开关等。,2霍尔元件结构及工作原理,5.5.3 磁敏二极管,磁敏二极管也是一种磁电转换元件，它可以将磁信息转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点，可广泛应用于磁场检测、磁力探伤、转速测量、位移测量、电流测量、无
37、触点开关以及无刷直流电机等技术领域。,1磁敏二极管的结构,磁敏二极管的结构如图所示。它是平面型结构的二极管。在高纯度半导体锗的两端用合金法做成高掺杂P型区和N型区。i区是高纯空间电荷区，该区的长度远远大于载流子扩散的长度。在i区的一个侧面上，用扩散、研磨或扩散杂质等方法制成高复合区r，在r区域内载流子的复合速率较大。,磁敏三极管是一种新型的磁电转换器件，具有灵敏度高、无触点、输出功率大、响应速度快、体积小及成本低等优点。在磁力探测、无损探伤、料位测量、转速测量及自动控制中得到了广泛应用。,5.5.4 磁敏三极管,1磁敏三极管的结构,磁敏三极管由锗材料或硅材料制成。图所示为磁敏三极管的结构图。它
38、是在高阻半导体材料i上制成结构，在发射区的一侧用喷砂等方法破坏一层晶格，形成载流子高复合区r。元件采用平板结构，发射区和集电区设置在它的上、下表面。,5.5.5 磁头,磁头有音频磁头和视频磁头两种类型，前者主要应用于收录机、录音机以及单放机(也称为随身听)中，后者主要应用于摄像机、录像机以及放像机中。其共同点都是把电信号转变成磁信号并记录在磁带上，或是把磁带上已记录的磁信号转变成电信号。图5.45所示为磁头的工作原理图，磁头就是通过它的磁芯缝隙泄露出来的磁力线，实现与磁带的信息传递。,1录放音磁头,2视频磁头,视频磁头多采用的是旋转磁头，以提高磁头、磁带间的相对速度。因此，视频磁头被做成鼓型，
39、称为磁头鼓或磁鼓。图5.47所示为VHS家用录像机的磁鼓实物图。它分为旋转的上磁鼓和固定的下磁鼓两部分。视频磁鼓的磁隙一般为0.3m1m，肉眼无法看到。VHS录像机采用两磁头螺旋磁头扫描方式，,如图5.48所示，磁带走向与磁头旋转方向之间有一定角度，旋转的磁鼓上相隔180角装有两个磁头。磁带通过导柱的调节和下磁鼓上的磁带引导线定位，卷绕在磁鼓半圆圈上，在进带和出带之间形成一定高度差，利用磁鼓的旋转和走带，两个磁头轮流接触磁带，扫描出一条条倾斜的磁迹，来记录视频信息。,上磁头鼓,下磁头鼓,磁带引导线,5.6 气敏电阻,气敏电阻是利用金属氧化物半导体表面吸收某种气体分子时，发生氧化反应或还原反应，
40、而使电阻值发生改变的特性制成的一种新型的半导体敏感元件。,二、气敏电阻的主要参数,1测量电压 气敏电阻的测量电压是指输入端所加的电压大小。. 2加热功率 加热功率是指加热电压与加热电流的乘积。 3允许工作电压范围 允许工作电压范围是指在保证气敏电阻正常工作的情况下，工作电压所允许的变化范围。,二、气敏电阻的主要参数,4工作电压 工作电压是指在正常工作条件下，气敏电阻两极间所加的电压。 5加热电压 加热电压是指气敏电阻加热器两端所加的电压。 6加热电流 通过加热器的电流.,二、气敏电阻的主要参数,7 灵敏度气敏电阻在最佳工作条件下，接触同一气体时，其阻值随气体浓度变化。如果采用电压测量的方法，则
41、灵敏度等于接触某种气体前后负载电阻上的压降之比。 8响应时间气敏电阻在最佳工作条件下，接触待测气体后，负载电阻上的电压变化到规定值所需要的时间称为响应时间。 9恢复时间气敏电阻在最佳工作条件下，脱离被测气体后，负载电阻的电压恢复到规定值所需要的时间称为恢复时间。,5.7、电 光 器 件,5.7.1 发光二极管 1发光二极管的结构及原理 发光二极管属于注入型电致发光器件。不同半导体材料制造的发光二极管发出不同颜色的光，如磷砷化镓(GaAsP)材料发红光或黄光，磷化镓(GaP)材料发红光或绿光，氮化镓(GaN)材料发蓝光，碳化硅材料发黄光，砷化镓(GaAs)材料发不可见的红外线。,发光二极管的结构
42、如图5.51所示，当在PN结上加正向偏压时，正向电压破坏了原来的平衡，引起每个区域中的多数载流子流入对方，使P区和N区内少数载流子比原来平衡时有所增加，这些增多的少数载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子在扩散过程中，与原区域内的多数载流子复合产生光子而发光，这便是发光二极管的发光原理。,5.7.2 半导体激光器,1激光的概念 激光LASER是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写，意思是光受激辐射放大。激光与普通光一样，同是电磁波，但它是一种单色光，频率范围极窄、有良好的相干性，它的方向性是目前所有光源中最好的
43、，几乎是一束平行线。,半导体激光器是一个阈值器件，其工作状态随注入电流的不同而不同。只有当注入电流达到阈值电流后，才能发射出谱线尖锐模式明确的激光。,5.7.3 LED显示器,LED数码显示器也称LED数码管，是由多只条状半导体发光二极管按照一定的连接方式组合而成的,5.7.4 LCD显示器,1液晶显示器的结构原理 液晶显示器(LCD)属于被动型显示器件，是利用液晶的电光效应，通过交流电场控制环境光在显示部位的反射(或透射)来显示的。它本身不发光，需另加光源。,5.8 电 声 器 件,电声器件通常是指能将音频电信号转换成声音信号或者能将声音信号转换成音频电信号的器件。如扬声器就是把音频电信号转变为声音信号的电声器件，而传声器则是把声音信号转变为音频电信号的电声器件。,
