电器功率和输入电流电压

任务描述

本任务是要为某工厂实验室设计一个方波信号发生器，要求用集成运算放大器作为主要器件。根据任务要求，电工班需要准备原材料，并检测其好坏，以便进行下一步的焊接。

任务目标

1.能正确描述集成运算放大器、稳压二极管、发光二极管等元器件的基本性质和主要功能。

2.能利用万用表检测集成运算放大器、稳压二极管、发光二极管等元器件的好坏。

3.能正确识别集成运算放大器、稳压二极管、发光二极管等元器件的型号。

4.能正确识读由集成运算放大器、稳压二极管、发光二极管等元器件组成的电子线路原理图。

5.能正确区分方波发生器电路中的各元器件。

知识准备

材料准备：万用表、运算放大器、电位器、稳压二极管、发光二极管、方波发生器原理图。

资讯准备：凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。

信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。由于产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便，因此被作为广泛的测试信号源。

此外，还需要掌握以下相关理论：

一、集成运算放大器

1.简介

集集成运算放大器简称集成运放，早期，它主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围，它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。它是一种多端集成电路，是一种价格低廉、用途广泛的电子器件，它是由多级直接耦合放大电路组成的高增益放大器，是模拟集成电路最重要的品种。常见的集成运放的封装形式如图3-1所示。

图3-1  常见集成运放的封装形式

集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如图3-2所示：

图3-2  集成运放组成部分

（1）输入级 输入级往往是一个高性能的双端输入差动放大电路。一般要求其输入电阻高，差模电压放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如输入电阻、共模抑制比等。

（2）中间级 中间级的作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。其电压放大倍数可以达到千倍以上。

（3）输出级 输出级应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。集成运放的输出级多采用互补对称功率放大电路。

（4）偏置电路 偏置电路用于设置集成运放内部各级电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放通常采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。

2.命名和功能

根据国家标准规定，集成运放的型号由字母和阿拉伯数字表示，例如：CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。

下面我们以国产第二代集成运放CF741为例，来简单介绍集成运放的管脚及接线。CF741双列直插式集成运放的管脚顺序是：管脚向下，标志于左，序号自上而下逆时针方向排列，管脚功能如图3-3所示。

图3-3  CF741管脚功能图

国产第一代集成运放F004接线如图所示，圆壳式集成运放的管脚顺序是：管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列，管脚功能如图3-4所示。

图3-4  F004管脚功能图

脚7接正电源（+15）V，脚4接负电源（–15）V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300 kΩ电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通过调试决定数值。

集成运算放大器的特点：

（1）元器件参数的一致性和对称性好；

（2）电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；

（3） 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接，级与级之间多采用直接耦合方式；

（4）二极管多用三极管的发射结代替。

3.集成运放管脚、符号和理想条件

运算放大器的管脚：运算放大器的符号中有三个引线端、两个输入端和一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端 ，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“－”或“IN–”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端，如图3-5所示。

图3-5  集成运算放大器的管脚

集成运放的符号如图3-6所示，图3-6（a）是国家新标准规定的符号，图3-6（b）是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“－”号表示反相输入端，

图3-6  集成运放的符号

在实际应用和分析集成运放时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。理想集成运放的特性有：

（1）输入信号为零时，输出信号恒定为零；

（2）输入阻抗ri=∞；

（3）输出阻抗r O=0；

（4）频带宽度应从0→∞；

（5）开环电压放大倍数AVO=∞。

由UO=Au O（U+－U–）可知，理想运放工作在线性区时，输出电压UO与输入电压Ui之间是线性放大关系。

因Au O=∞，所以可导出U+－U–＝0。

运放工作在线性区，差模输入电压等于零，说明U+＝U–，即理想运放的两个输入端电位相等。

两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。

由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为两个输入端均无电流输入。这种现象称为“虚断”。

“虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。

4.集成运放应用举例

（1）反向比例运算电路 这个电路是典型的电压并联负反馈电路，如图3-7所示。

图3-7  反向比例运算电路

根据集成运放的理想特性，输入电阻等于∞，U+=0 V，再根据虚短的概念，U+=U–=0 V，即u A=0 V，因此，电路可直接变换成电阻R1与Rf的串联电路，由串联电路电流相等， （ul–u A）/R1=（VA–VO）/Rf

u O=–RF×u I/R1

结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数只取决于R1与Rf之比，与开环放大倍数无关。

（2）同相比例运算电路 这个电路是典型的电压串联负反馈电路，如图3-8所示。

图3-8  同相比例运算电路

根据集成运放的理想特性，输入电阻等于∞，uf=ui，再根据虚短的概念，u+=u–=ui，即u A=u–=ui，因此，电路可直接变换成电阻R1与Rf的串联电路，由串联电路电流相等，（0－u A）/R1=（u A－u O）/Rf

u O=（1+Rf/R1）ui

结论：同相输入比例运算电路的闭环放大倍数与Auo无关，只取决于R1与Rf之比，输入电压和输出电压同相且成比例关系。

（3）电压跟随器 如果零同相输入比例运放中的Rf=0，R1=∞，即输出电压u O全部反馈到输入端，而且同相，则：Au=1+Rf/R1=1，于是uo=ui，输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器（图3-9），特点是输入阻抗高，而输出阻抗低。一般来说，输入阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。

图3-9  电压跟随器原理图

二、稳压二极管

1.定义

稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管，是利用在PN结反向击穿状态下，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。

2.分类与相关参数

电位器种类很多，按其封装方式可分为塑壳稳压二极管、玻壳稳压二极管和金属壳稳压二极管，如图3-10所示。

图3-10  稳压二极管封装方式

选择稳压二极管的主要参数有：

（1）UZ—稳定电压 指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如，2CW51型稳压管的Uzmin为3.0 V，Uzmax则为3.6 V。

（2）IZ—额定电流 指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差；高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。

（3）RZ—动态电阻 指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻愈小。例如，2CW7C稳压管的工作电流为 5 m A时，RZ为18 Ω；工作电流为10 m A时，RZ为8 Ω；为20 m A时，RZ为2 Ω，且当大于20 m A时也基本维持此数值。

（4）PZ—额定功耗 由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压UZ和允许最大电流IZm的乘积。例如2CW51稳压管的UZ为3 V，IZm为20 m A，则该管的PZ为60 m W。

（5）α—温度系数 如果稳压管的温度变化，它的稳定电压也会发生微小变化，温度变化1℃所引起管子两端电压的相对变化量即是温度系数（单位：%/℃）。一般说来稳压值低于6 V属于齐纳击穿，温度系数是负的，高于6 V的属雪崩击穿，温度系数是正的。温度升高时，耗尽层减小，耗尽层中原子的价电子上升到较高的能量，较小的电场强度就可以把价电子从原子中激发出来产生齐纳击穿，因此，它的温度系数是负的。雪崩击穿发生在耗尽层较宽、电场强度较低时，温度增加使晶格原子振动幅度加大，阻碍了载流子的运动。这种情况下，只有增加反向电压，才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿的电压温度系数是正的。这就是为什么稳压值为15 V的稳压管其稳压值随温度逐渐增大，而稳压值为5 V的稳压管其稳压值随温度逐渐减小的原因。例如2CW58稳压管的温度系数是+0.07%/℃，即温度每升高1℃，其稳压值将升高0.07%。

3.稳压二极管的正负识别

从外形上看，金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管，也可以用指针式万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1 k挡，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小的那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。

三、发光二极管

1.符号与简介

发光二极管在电路图中的表示符号如图3-11所示。

图3-11  发光二极管的电路图形符号

发光二极管简称为LED，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。按化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

2.原理

发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样，都是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时，释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用公式R=（E－UF）/IF计算，式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。

LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类以及掺入的元素杂质有关。LED具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。

3.发光二极管的检测

（1）用万用表检测 利用具有×10 k挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200 kΩ，反向电阻的值为∞。如果正向电阻值为0或∞，反向电阻值很小或为0，则已损坏。

图3-12  用万用表检测发光二极管

（2）外接电源测量 用3 V稳压电源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光电特性。为此可按图3-13所示连接电路，如果测得UF在1.4~3 V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得UF=0或UF≈3 V，且不发光，说明发光管已坏。

图3-13  外接电源测量

任务实施

一、认识方波发生器电路图（图3-14）

图3-14  方波发生器参考电路

本次任务中采用反向输入的滞回比较器和RC积分电路，集成运放选用OP07AH，电源采用±16 V。

二、列出元器件清单（表3-1）

表3-1 元器件清单

三、根据元件清单选择元器件。

电阻的选择；稳压二极管的选择；电容的选择；集成运放的选择。

任务评价

以小组为单位，选择演示文稿、展板、海报、录像等形式中的一种或几种，向全班展示汇报学习成果。

综合评价表

任务拓展

一、常见稳压二极管型号参数对照表（表3-2）

表3-2 常见稳压二极管型号参数对照表

（续表）

二、发光二极管常见问题解答

1.LED采用并联接法好还是采用串联接法好？

LED是采用并联还是串联接法，主要应该根据电源盒电路的形式及要求决定。并联或串联接法各有它们的优缺点。并联接法只需要在每个LED两端施加较低的电压，但需要利用镇流电阻或电流源来保证每个LED的亮度一致。如果流过每个LED的偏置电流大小不同，则它们的亮度也不同，从而导致整个光源亮度不均匀。然而，利用镇流电阻或电流源来保证LED的亮度一致将缩短电池的使用寿命。采用串联接法本质上可以很好地保证流过每只LED电流的一致性，但要求电源电压要高。LED采用并联接法时，由于电路的总电流是各个LED电流之和，所以要求电源要能供给足够大的电流。另外，采用串联接法的电路，当其中一只LED断路时整串的LED都不亮；但当其中一只LED短路时其他LED都还能亮。采用并联接法的电路，当其中一只LED断路时其他的LED都还能亮；但当其中一只LED短路时则整个电路的电源将被短路，这样不仅其他的LED都不能正常工作，而且还有可能损坏电源。故相比之下还是串联接法的电路较有优势。

2.为什么不能超电压或超电流使用白光LED?

一般最常用的5 mm白光LED，其正常工作电压多在3.0~3.5 V范围之内，正常工作电流为20 m A。但很多人误以为超电压或超电流使用白光LED会更亮，而实际测试结果是15 m A以后光通量增长很厉害，20 m A以后却几乎没有见长，例如，增大到30 m A时，比20 m A只多了5%，但LED却有明显的发热。LED寿命试验：20 m A状态下的工作了一个月，衰减只有5%，一个月后还有95%的光通量，而30 m A状态下的工作到19天的时候，光通量就只有50%了。可以这样认为，一只在正常条件下可工作10万小时的白光LED，在大电流下使用，寿命只有600小时。LED在一般说明中，都是说可以使用50 000小时以上，还有一些生产商宣称其LED可以运作100 000小时左右，但这并不能保证LED产品就可以使用如此之久。错误的操作及工序就可以轻易地“毁掉”LED，LED会随着时间的流逝而逐渐退化。有预测表明，高质量的LED在经过50 000小时的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上，要想延长LED的使用寿命，就有必要降低或完全驱散LED芯片产生的热能，热能是LED停止运作的主要原因。

任务检测

一、填空题

1.集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但他们的基本组成部分相同，主要有（ ）、（ ）和（ ）。

2.（ ）和（ ）是运放工作在线性区的两个重要结论。

3.从外形上看，金属封装稳压二极管管体的（ ）一端为平面形，（ ）一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为（ ），另一端为（ ）。

二、简答题

1.简述理想集成运放的主要特性。

2.简述发光二极管正负极的判别方法。