（一）交流电路控制

交流控制电路目前大多数采用晶闸管等电力电子器件，对输入、输出之间的交流电能进行变换与控制，常用的控制方式有4种：相位控制、周期控制、通断控制和斩波控制。根据不同的控制方法可以将交流电力控制电路分为以下几种基本类型。

图4.32　蜗轮蜗杆传动

（1）交流调压电路

交流调压电路采用相位控制方式，通常是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间，在电源的每个半周期内触发一次晶闸管，使之导通。通过控制晶闸管开通时所对应的相位来调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。

1）单相交流调压电路

单相交流调压电路的几种基本形式如图4.33—图4.36所示。

图4.33　反并联电路

图4.34　混合反并联电路

图4.35　桥式电路

图4.36　混合桥式电路

单相交流调压的特点如下所述。

①电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角α可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。

②电感性负载时，不得用窄脉冲触发，否则当α＜ϕ时，会导致一个晶闸管无法导通，形成大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。

③电感性负载时，最小控制角αmin＝ϕ（阻抗角），α的移相范围为ϕ～180°，电阻性负载时，α的移相范围为0°～180°。当ϕ＝0°时，代表电阻性负载，此时θ＝180°－α；若ϕ为某一特定角度，则当α≤ϕ时，θ＝180°，当α＞ϕ时，θ随着α的增加而减小。

2）三相交流调压电路

当相位控制的交流调压电路所带负载为异步电动机或其他三相负载时，需要采用三相交流调压电路。图4.37所示为一种带零线的星形连接反并联调压电路。

图4.37　星形连接反并联调压电路

其三相负载连接为星形，各相通过零线自成回路，相当于3个相位互差120°的单相反并联交流调压电路的组合，因此其控制角α的移相范围为0°～180°，各相输出电压、电流及电路中晶闸承受的电压、电流与单相交流电压调压电路一致。该电路的缺点是三次谐波在零线中的电流较大。

（2）交流调功电路

交流调功电路采用有规律的周期通断控制方式，其电路形式与交流调压电路基本相同，但在控制方式上，交流调功电路是通过改变晶闸管的通态周期数和断开周期数之比来调节交流输出功率的平均值，从而达到交流调功的目的。

1）过零触发的概念

可控整流和有源逆变电路均采用移相触发控制，这种触发方式使得电路输出为带缺角的正弦波，其中包含大量的高次谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶闸管处于全导通或全阻断状态，从而使得负载得到完整的正弦波。

2）交流调功器（周波控制器）的工作原理

交流过零触发开关电路利用零触发方式来控制晶闸管的导通与关断，使电路在电压为零或零附近瞬间接通，利用管子电流小于维持电流使得管子自行关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。

单相交流调功器由过零触发开关电路组成，采用周期控制的方式，即将交流电源与负载接通几个整周期，再断开几个整周期，通过改变接通周期数与断开周期数的比值来调节负载上的平均功率，通过控制导通比D＝n／m调节平均功率。

3）零触发的两种工作模式

①固定周期控制。总控制周期数m不变，通过调节导通周期数n来调节导通比，进而调节平均输出功率。

②可变周期控制。导通周期数n不变，通过改变控制周期数m来控制导通比及输出功率。

（3）交流电力电子开关

交流电力电子开关采用无规律的通断控制方式，根据负载或电源的需要接通或断开电路。其作用相当于无触点的交流接触器。由于电源和负载的变化通常是随机发生的，因此交流电力电子开关的通断控制方式也是非周期性的。

图4.38　采用晶闸管反并联的交流开关电路

图4.38所示为普通晶闸管反并联构成的交流开关电路。当S闭合时，两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触发，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发。随着交流电源的交变，两个晶闸管轮流导通，负载上得到的基本上是正弦电压。

（4）交流斩波调压电路

随着可关断器件的发展及应用，串联在电源和负载之间的开关器件可在一个电源周期内接通断开若干次，从而把正弦波电压斩成若干个脉冲电压，通过改变开关器件的导通比来实现交流调压的目的，同时还可以提高输入侧的功率因素。

交流斩波调压电路通常采用全控器件作为开关器件，电路如图4.39所示。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，V3和VD3为感性负载电流提供续流通路，在u1的负半周，用V2进行斩波控制，V4和VD4为负载电流提供续流通路。

图4.39　斩控式交流调压电路

因此，输入、输出均为交流电压，V1～V4均需要有双向阻断功能，因此在各管支路中需串联快恢复二极管VD1～VD4，以承受关断时的反向电压。

斩控式交流调压电路具备的特点如下所述。

①电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。

②电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。

③功率因数接近1。

地铁车辆控制电路中多采用直流控制，但在牵引电传动部分多采用VVVF逆变交流控制；与直流传动相比，交流传动采用异步电机和VVVF无接点控制，省去直流传动所需要的正反向转化开关和牵引制动转换开关。此处仅对交流控制电路做介绍，有助于理解交流控制输出。如需深入学习，可以参考课程“电路原理与电机控制”的相关书籍。

（二）动态电路

（1）电路的过渡过程

直流电路及周期电流电路中的电压、电流或是恒稳不变，或是按周期性规律变动的。电路的这种工作状态就是稳态。但是，在含有储能元件（电容、电感）的电路中，当电路的结构或元件的参数发生改变时，电路从一种稳定状态变化到另一种稳定状态需要有一个动态变化的中间过程，这个过渡过程就是暂态，动态电路分析就是研究电路在过渡过程中电压与电流随时间变化的规律。

这里制作一个实验电路如图4.40所示，R、L、C元件分别串联一只同样的灯泡，并连接在直流电压源上。当开关S闭合时，就看到3种现象。

①电阻支路的灯泡DR会立即亮，而且亮度始终不变。

②电感支路的灯泡DL由不亮逐渐变亮，最后亮度达到稳定。

③电容支路的灯泡DC由亮变暗，最后熄灭。

图4.40　实验电路

3条支路的现象不同，是因为R、L、C 3个元件上电流与电压变化时所遵循的规律不同。

对于电阻元件，电流与电压的关系是iR＝uR／R。因此，在电阻元件上，有电压就有电流。某时刻的电流值就取决于该时刻的电压值。电阻支路接通电源后，其电流从零到达新稳定值是立即完成的，电阻的电压与电流产生了跃变，所以电阻支路没有过渡过程。

对于电感元件，电流与电压的关系是uL＝LdiL／dt。在电感元件上，每个瞬间的电压值不取决于该瞬间电流的有无，而取决于该瞬间电流的变化情况。由于电感支路在开关闭合的瞬间，电流的变化最大，此刻电感元件相当于开路，电感电压等于电源电压Us，灯泡电压为零，电路中没有电流，灯泡不亮；开关闭合后电感电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮，而电流变化率减小，到达新的稳态时，电感对于直流相当于短路，此时电感电压为零，灯泡电压等于电源电压Us，因此灯泡到达最亮，所以电感电流由零达到最大要有一个过程。

对于电容元件，电流与电压的关系为iC＝Cduc／dt。也就是电容元件上每个瞬间的电流值不取决于该瞬间电压的有无，而取决于该瞬间电压变化的情况。在开关闭合的瞬间电容没有储存电荷，电容电压为零，此时电容元件相当于短路，电容支路灯泡电压等于电源电压Us，所以灯泡最亮；开关闭合后随着电容充电电压的升高灯泡电压逐渐减小，灯泡随之变暗，当电容电压等于电源电压Us时，电路达到新的稳态，电容对直流相当于开路，没有电流通过灯泡，此灯泡不亮，所以电容电压由零达到最大要有一个过渡过程。

从能量的角度来看，电阻是耗能元件，其上电流产生的电能总是即时地转变成其他形式的能量（如热能、光能）消耗掉。若电路中含有电容及电感等储存元件，则电路中电压和电流的建立或其量值的改变，必然伴随着电容电场能量和电场能量的改变。一般而言，这种改变只能是渐变，不可能是跃变，即不可能从一个量值跃变为另一个量值，否则意味着功率P＝dW／dt是无穷大的，而在实际中功率是不可能无穷大的。具体来说，在电容中的储能为，由于换路时能量一般不能跃变，故电容电压不能跃变。电容电压的跃变将导致其中电流iC＝Cduc／dt变为无限大，这通常是不可能的。由于iC只能是有限值，以有限电流对电容充电，电容电荷及电压UC就只能逐渐增加，不可能在无限短暂的时间间隔内突然跃变。在电感中的储存能为，由于换路时能量一般不能跃变，故电感电流不能跃变。电感电流的跃变将导致其端电压uL＝LdiL／dt为无穷大，这通常也是不可能的。由于uL只能是有限值，电感的磁链和电流iL也只能逐渐增加，不可能在无限短暂的时间间隔突然跃变。

上述分析表明，电路产生过渡过程有内外两种原因，内因是电路中存在动态元件L或C；外因是电路的结构或参数要发生改变，例如开关的打开或闭合，元件的接通与断开等，一般称为换路。

（2）换路定律

在换路瞬间，如果电容元件的电流为有限值，其电压UC不能跃变；如果电感元件两端的电压为有限值，其电流iL不能跃变。这一结论称为换路定律。

动态电路学习对地铁车辆检修工是具有普遍意义。我们应在电路连接的基础上学习电路一般建立和响应过程及结果，并针对电容、电感特性，掌握动态电路状态发生改变时需要经历的过程。在作业中理解地铁车辆检修电气设备的安全生产过程、理解放电原理以及理解相应的电气设备需要转换时间是非常有必要的。此处仅做简单介绍，如需深入学习，可参考专业书籍。

（三）电化学知识

（1）电化学概念

地铁车辆中使用到的蓄电池是电气设备中重要的一个环节，主要用于启动前的激活列车、启动后为列车提供稳定的110 V控制电源及无网压时能够提供列车紧急照明、通风、车载安全设备、广播系统等在规定时间内的正常运行。蓄电池涉及电化学中相关理论，此处对其相关知识介绍如下。

电化学科学是研究电子导电相（金属和半导体）和离子导电相（溶／熔液和固体电解质）间的界面上发生的各种界面效应，即伴有电现象的化学反应的科学。作为一门交叉学科，电化学横跨自然科学与工程技术两大领域，在化工、机械、交通、电子、材料科学等科技领域获得了广泛的应用，许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及电化学机理。应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段。

电化学体系至少由一个第一导体（电子导体）和一个第二导体（离子导体）相接触形成最小单位。第一导体以电子导电为特征，统称为电极；第二导体以离子导电为特征，即电解质溶（熔）液（或固溶体）。电化学反应就是在这两类导体的接触界面处发生的。

通常地，根据电化学反应的发生条件和结果的不同，电化学体系分为下述3类。

1）原电池

原电池体系中的两个电极与外电路负载接通后，能自发地将电流送到外电路中做功。

2）电解池

电解池体系通过与外电源组成回路，强迫电流在电化学体系中通过并促使电化学反应的发生。

3）腐蚀电池

腐蚀电池体系通过电化学反应自发进行，但该反应不对外做功，仅对金属产生破坏效应。

（2）电化学反应

电化学反应发生在电极相和溶（熔）液相间的界面，通常至少包含3个接续的过程，即：

①反应物由相的内部向界面反应区传输。

②反应物在相界区发生电荷转移，进行电化学反应进而生成反应产物。

③反应产物离开界面反应区。

一般认为上述第二个过程，即相界区的反应过程为主要过程，它是由一系列吸附、电荷转移、前置化学反应、后置化学反应和脱附等步骤形成的复杂过程。其中主要步骤是电荷转移，任何一个电化学反应都必须经过电荷转移。

（3）化学电源

1）电池的概念

电池是化学电源的一种习惯称呼，这种装置可以借由电化学反应将化学能转化为电能。任何电池都是由正极、负极、电解质、隔板（隔膜）与容器等部分组成，其中正极、负极、电解质3部分是电池的重要组成。

电池的电化学反应主要有两种方式，即氧化还原反应和嵌入—脱嵌反应。

①氧化还原反应：电池放电时，负极上总是发生氧化反应并放出电子；正极上总是获得电子并发生还原反应。以铅酸电池为例，放电时，负极发生如下氧化反应：

在正极上发生如下还原反应：

②嵌入—脱嵌反应可以以锂二硫化钛电池为例说明，反应如下：

2）蓄电池

可用充电方法使其复原，恢复放电功能，并可多次充放电的电池称为蓄电池，或称二次电池，如锂离子电池、镍镉蓄电池和铅酸蓄电池等。地铁车辆中多用到镍镉碱性蓄电池和铅酸胶体蓄电池。

蓄电池的5个主要参数：电池容量、标称电压、内阻、充电终止电压和放电终止电压。

①电池容量。电池容量通常用A·h（安时）表示，1 A·h即在1 A的电流下可以放电1 h。单元电池内的活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的数量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量就越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流，通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量。例如，用2 A电流对1 A·h蓄电池充电，其充电速率就是2C。

②标称电压。在电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化。同时单元电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定的关系。单元镍镉电池的标称电压为1.3 V，单元镍氢电池的标称电压为1.25 V。

③内阻。蓄电池的内阻取决于离子流的阻抗和极板的电阻。在充放电过程中，极板的电阻是恒定不变的，但离子流的阻抗会随着电解液的浓度及带电离子的增减而变化。

④充电终止电压。蓄电池充足电时，极板上的活性物质达到饱和状态，此时继续进行充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压成为充电终止电压。单元镍镉电池的充电终止电压为1.75～1.8 V，单元镍氢电池的充电终止电压为1.5 V。(www.daowen.com)

⑤放电终止电压。蓄电池放电时允许的最低电压称为放电终止电压。若电压小于等于放电终止电压时继续放电，电池正负极两端的电压会迅速下降，造成深度放电，也称为过放电。发生深度放电后，极板上形成的生成物在正常充放电时变得不易再恢复，进而缩短电池寿命，放电终止电压与放电率有关，以镍镉蓄电池为例，放电终止电压与放电率的关系见表4.4。

表4.4　镍镉蓄电池放电终止电压与放电率关系

下面以轨道交通行业常用的镍镉蓄电池为例进行探讨。

3）镍镉蓄电池的工作原理及特点

镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状的镉粉与氧化镉粉混合物，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，为了增加蓄电池容量和循环寿命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（每升为15～20 g）。

镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

充足电后，立即断开，镍镉蓄电池的电动势可达到1.5 V左右，但很快会下降至1.31～1.36 V。镍镉蓄电池的端电压随充放电过程而变化，可用下式表示：

U充＝E充＋I充R内

U放＝E放－I放R内

从该式可以看出，充电时电池的端电压比放电时高，且端电压随着充电电流的增大而增大；同时，端电压随放电电流的增大而降低。

当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2 V，采用8小时率放电时，蓄电池端电压降到1.1 V后电池即放完电。

蓄电池充足电后在一定的放电条件下，放电至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，用Q表示，它与放电电流I及放电时间t的关系可用下式表示：

Q＝It（A·h）

放电电流直接影响放电终止电压，在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池容量越小。

同时，镍镉蓄电池的容量Q与活性物质的数量、放电率、电解液的成分、电解液温度及电解液纯度5个因素有关。

镍镉蓄电池同时还具有记忆效应，在蓄电池使用过程中，若电量未放完便开始充电，在下次放电时就不能放出全部电量。如本次只放出90%电量就开始充电，下次充满电后该电池只能放出90%电量。通过基板上的化学反应可知，电池放完电后，极板上的氢氧化亚镍几乎完全转化为氢氧化镍，残留在极板上的结晶体很小；而当不完全放电后，极板上剩余的氢氧化亚镍集合在一起形成较大的结晶体，导致与电解液的接触面积变小，反应率下降，这是镍镉蓄电池产生记忆效应的主要原因。

4）镍镉蓄电池的维护方法探究

提高电池性能及延长电池使用寿命的关键在于避免记忆效应和过度放电。所以使用和保养应注意：

①正常使用后，需放电至放电终止电压时才可进行充电，以确保使用寿命。

②可在10次左右的充放电循环之后，进行一次完全放电和过充电，以达到防止记忆效应的目的。过充电的方法是延长充电时间，即比正常充电时间延长1倍左右，以减小记忆效应。

③电池充放电应严格按要求规范操作，切忌长期过充、过放或经常充电不足。电池充电过程应尽量一次完成。

（4）地铁车辆蓄电池的选用

在地铁车辆电气系统设计中，蓄电池组参数的确定及电池箱的设计是电气系统中一个比较重要的子系统。在地铁车辆特殊的运营模式下，作为紧急负载供电电源，蓄电池主要功能如下所述。

①车辆在运行过程中在列车启动前激活各控制系统，同时为辅助逆变器提供控制电源。在线路电网无网压或带充电机的辅助逆变器全故障不工作情况下，蓄电池为车上应急照明、与安全有关的网络控制系统、车辆的全部通信设备（包括PIDS、广播、无线电等）以及紧急通风设备、门控设备等提供紧急供电电源，维持规定的紧急供电时间，满足乘客安全逃生与供电需求。

②在降弓状态下为地铁车辆DC110 V（以B型地铁为例）控制电路、照明、网络控制系统、PIDS系统等低压设备提供DC110 V电源，保证地铁车辆升弓并投入工作。

③地铁车辆正常运行中，蓄电池和辅助逆变器的充电机共同为DC110 V控制母线供电，起到滤波作用，降低控制母线电源的波纹系数，提高母线电源的质量。

（5）蓄电池选型

地铁车辆蓄电池的选型一般遵循以下步骤：

①按照车辆要求计算紧急工况下直流负载的总功率。

②选取符合要求的蓄电池类型，并根据当地的气候条件和合同要求确定所选蓄电池的温度补偿系数、老化效率和充电效率。

③计算所选蓄电池的实际所需容量，确保在其使用寿命终止时能够满足参数要求。

紧急负载是地铁车辆在运营过程中最大的110 V直流负载。紧急状态下完全由蓄电池供电，一般要求供电维持时间为45 min。在选型时，首先应计算地铁车辆紧急负载功率，然后根据该功率的大小、地铁车辆的运用条件、电池的性能参数等条件计算蓄电池的容量。按照具体型式的电池性能参数计算出电池组的容量数据，结合电池组对地铁车辆运用条件（如温度、湿度、抗震、耐过充过放、与110 V直流电源的匹配、可维护性、环境保护、人身安全、体积、质量等）的适应性进行比较，确定最适合的电池容量值。

（6）酸性蓄电池和碱性蓄电池的性能比较

目前在铁路机车、客车上普遍使用的蓄电池有2种：一种是阀控式密封铅酸蓄电池，一种是少维护镍镉蓄电池。与铁路上传统的富液式酸性蓄电池及铁壳普通镍镉蓄电池相比，它们都具有使用寿命长、少维护、不漏液、终身无须换液等优点，但镍镉蓄电池在快充能力、放电深度、使用寿命、低温性能和可靠性方面具有更明显的优势。在地铁车辆实际运营中，蓄电池组的可靠性尤为重要。

1）耐过充、过放电能力

辅助逆变器（带充电机）对蓄电池的充电方式为恒压限流式，铅酸蓄电池允许的充电、放电电流较小，长期以大电流反复充电会造成蓄电池的慢性损伤；镍镉蓄电池则较能耐大电流充电，同时比铅酸蓄电池能耐大电流放电。车辆在检修时极有可能造成蓄电池亏电，这将对铅酸蓄电池造成极大的损害，而镍镉蓄电池即使亏电至电压为零也能恢复正常使用。

2）适应环境能力

镍镉蓄电池的一个突出优点是低温特性好，在－40℃的环境温度下，电池容量减少40%～50%；而酸性蓄电池在－40℃的环境温度下，蓄电池容量会减少到25%。因此从耐低温性能考虑，宜选用碱性蓄电池。在耐高温方面，两种蓄电池的差异有：由于两种蓄电池的化学原理不同，阀控式密封酸性蓄电池不能通过失水的方式散发热量，在过充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，可能导致蓄电池热失控，电池的外壳会起包、漏气；镍镉蓄电池不存在热失控的现象。

3）带故障运行能力

如果某节铅酸蓄电池因热失控而损坏，相当于这节蓄电池开路，这时整个蓄电池组相当于开路，会失去作用。如果某节蓄电池因误接或其他原因引起短路或电池组少了一节蓄电池，会造成蓄电池组的其他蓄电池上的浮充电压接近于最高限压值（2.4 V），而这些蓄电池的浮充电压并不是完全相等，一旦某节蓄电池上的浮充电压超过最高限压值，这节蓄电池就会很快发生热失控现象，如此将产生连锁反应，损坏所有蓄电池。

由于镍镉蓄电池不存在热失控现象，因此一般不可能出现单节蓄电池开路的情况。如果某节蓄电池因误接或其他原因造成短路，相当于整个蓄电池组少了一节电池，而碱性蓄电池的浮充电压范围较宽，因此对蓄电池没有影响，蓄电池组的电压也只是下降1～1.2 V，仍然可以维持故障运行。

4）蓄电池寿命

循环试验数据显示，镍镉蓄电池的循环寿命是阀控式密封铅酸蓄电池的1.5～2倍。从以上几方面综合考虑，镍镉蓄电池更为优越。通过采用免维护镍镉蓄电池串并联混合的连接方式，可以满足地铁车辆特殊应急要求。

（四）模拟电路知识

（1）模拟电路的定义

模拟电路简单地讲，就是处理模拟信号的电子电路。模拟电路是用来对模拟信号进行传输、变换、处理、放大、测量和显示等工作的电路。模拟电路是电子电路的基础，主要包括放大电路、信号运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路及电源等。

（2）模拟信号的定义

模拟信号是随时间变化的连续信号，它是连续变化的物理量的反应，包含了物理量所表达的信息。例如，在模拟音频信号中，信号显示的瞬时电压随声波产生的压力不断变化。

电信号可以通过电压、电流、频率或总电荷的变化来表达信息，这种变化是其他物理量（如声音、光、温度、压力、位置）通过传感器转换而来的。电信号从给定的范围内取任意值，每个唯一的电信号值代表不同的信息。电信号的任何变化都是有意义的，电信号的每一个级别代表了它所代表的现象的不同程度。假设电信号被用来表示温度，1 V表示1℃，在这样的系统中，10 V代表10℃，10.1 V代表10.1℃。

（3）模拟电路中的基本元件

模拟电路中的基本元件是二极管、三极管与场效应管。

1）二极管种类及应用

电子二极管具有一个阴极与一个阳极，具有单向导电性，即阳极电位高于阴极时，阴极发射的电子在电场的作用下向阳极运动形成电子流。而阴极电压比阳极高时，电子所受到的电场力是将电子拉回阴极的，所以不能产生电流。电子二极管一般用于整流与检波，分为有真空与充气（充有惰性气体）两种，充气二极管也可以做稳压、指示、控制之用。

图4.41所示为电子二极管的特写视图，阳极在右侧，阴极在左侧（标有黑色带的地方），在两条引线之间可以看到方形硅晶体。

由于电子二极管十分笨重，能耗大，寿命短，制造工艺相对复杂，随着半导体材料技术的发展，电子二极管逐渐被晶体二极管所取代。

图4.41　电子二极管特写视图

晶体二极管也是一种只往一个方向传送电流的电子元件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并有自建电场，当不存在外加电压时，因PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

随着半导体材料和工艺技术的发展，利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构，研制出结构种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极管。制造材料有锗、硅及化合物半导体等。晶体二极管可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换等。图4.42中用晶体二极管符号表示了二极管的类型，对于某些类型的二极管还有其他符号，但差异较小。符号中的三角形指向正向，即正常情况下电流的方向。

图4.42　各类型二极管符号表示

2）三极管种类及应用

晶体三极管的基本功能是放大电流，可以用作放大器或开关，这些功能使其在电子设备（包括计算机、电视机、手机、音频放大器、工业控制和无线电发射机）中具有广泛的适用性。

图4.43所示为几种常见的晶体三极管封装，从上到下分别是TO-3、TO-126、TO-92、SOT-23。

晶体三极管按材料分为两种：锗管和硅管。而每一种材料的晶体三极管又分为NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP三极管，其中N是负极的意思，N型半导体在高纯度硅中加入磷取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电。P是正极的意思，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。

图4.43　典型的晶体三极管封装

图4.44　三极管在电路中的符号

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，3条引线分别称为发射极E（Emitter）、基极B（Base）和集电极C（Collector），图4.45所示为晶体三极管工作原理示意图。

图4.45　晶体三极管工作原理示意图

3）场效应管的概念

场效应管也是一种晶体管，是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此又被称为双极型晶体管。而场效应管仅是由多数载流子参与导电，被称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（107～1 015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

场效应管都有栅极（Gate）、漏极（Drain）、源极（Source）3个端，分别对应双极性晶体管的基极、集电极和发射极。除了结型场效应管外，大多数场效应管也有第四端，被称为体（Body）、基（Base）、块体（Bulk）或衬底（Substrate）。图4.46所示为金属氧化物半导体型场效管（MOS场效应集体管）截面示意图。

图4.46　MOS场效应集体管截面示意图

（4）放大电路的含义

放大电路是使用最为广泛的电子电路之一，也是构成其他电子电路的基础单元电路，所谓放大，就是将输入的微弱信号放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，使信号不失真地放大，放大电路的本质是能量的控制和转换。

在阅读有关电路的书籍时，经常会遇到电路、系统、网络等术语，这3个术语的含义是相近的，有的书对此干脆不加区分，认为三者是相同的。

线性网络是由线性元件组成的电路，现代模拟电路不仅包括线性电路，也包括出数字电路以外的非线性电路。由于线性电路的知识是学习模拟电路的基础，本节介绍的放大电路均为线性电路。

1）放大电路的概念和主要参数

放大电路的目的是将微弱的信号放大成较大的信号。电压放大器可用图4.47来表示，这是有输入输出两个端口的四端双口网络。放大信号不失真的必要条件是该网络必须是线性的。信号从输入端输入，从输出端输出，三角形的电路符号表示了信号的传输方向，电路中有公共参考地。

图4.47　输入和输出有公共端时的符号

放大器的传输特性公式为：

式中　Av——电压增益，等于输出电压vo与输入电压vi的比。

电压增益是放大器的一个重要参数，理想的放大器输出与输入成线性关系，而且电压增益与信号的频率、信号源内阻、外界负载及电源电压等是无关的。

另一个常用的增益是功率增益Ap，它等于放大器的输出功率与输入功率的比：

式中　Po——输出到负载上的功率，它等于输出电压与输出电流的积。

电压增益和功率增益的数值代表放大倍数。

图4.48　共射极放大电路

2）放大电路的组成

三极管分为共射、共基、共集3种组态，与之相对应，放大器也有共射极放大器、共基极放大器和共集电极放大器。下面以共射态为例介绍放大器的工作原理。

如图4.48所示，VT是三极管，工作在正向有源区，即放大区，发射结要正偏，收集结要反偏。正电源Ec为晶体管的集电极提供反偏压，并向输出回路提供能量；EB使发射结正偏，并与RB一起确保晶体管的基极直流电源IB；RC把集电极电流的变化变成电压的变化；电容C1的作用是“阻直通交”，即阻隔直流电，而把交流信号耦合到晶体管基极上。

由于有电源Ec和EB的存在，所以在静态时（无信号时）晶体管的基极和集电极都有确定的直流电流和直流电压，分别以IBQ、VBEQ、ICQ、VCEQ标示，如图4.49所示它们在晶体管中的输入和输出特性曲线上代表Q（IBQ、VBEQ）和Q（ICQ、VCEQ）称为直流工作点或静态工作点。静态工作点能说明晶体管的工作状态是在放大区、截止区或是饱和区等。

图4.49　特性曲线和静态工作点