半導(dǎo)體二極管是一個(gè)含有一個(gè)PN結(jié)的電子元件，把它的P區(qū)和N區(qū)均接上電極引線，并用外殼封裝，就制成了一個(gè)半導(dǎo)體二極管。從P區(qū)引出的電極稱為二極管的陽極(或正極)，從N區(qū)引出的電極稱為二極管的陰極(或負(fù)極)。其電路符號(hào)如圖1.4-1所示。

  圖1.4-1 二極管圖示

  二極管的單向?qū)щ娦灾府?dāng)二極管加上正向電壓又叫正向偏置(P接 ，N 接-)時(shí)，二極管中有較大電流流過，燈泡會(huì)亮;而加反向電壓又叫反向偏置(P接-，N 接 )時(shí)，二極管沒有電流流過，燈泡不亮。這種單向?qū)щ娦栽陔娐分衅鸬搅艘粋€(gè)開關(guān)的作用，如圖 1.4-2 所示。加正向電壓，相當(dāng)于開關(guān)接近，如圖1.4-2(a);加反向電壓(或正向電壓≤0.3V)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)斷開，如圖1.4-2(b)。

  (a)

  (b)

  圖1.4-2 二極管單向?qū)щ娦?

  二極管的應(yīng)用十分廣泛，在電子電路中可以組成整流電路、限幅電路、穩(wěn)壓電路、檢波電路、開關(guān)電路等。

  二極管的種類也非常多，有整流二極管、開關(guān)二極管、穩(wěn)壓二極管、變亮二極管、發(fā)光二極管等。發(fā)光二極管與光敏二極管組成的光電耦合器在PLC的輸入電路中得到了廣泛應(yīng)用。

  2. 晶體管及其開關(guān)特性

  晶體管是 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有劃時(shí)代意義的發(fā)明。它的發(fā)明使自動(dòng)化和信息化發(fā)生了根本性的變革。晶體管的發(fā)明者獲得了1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

  晶體管又稱三極管，是一種具有三個(gè)引出極的半導(dǎo)體器件。這三個(gè)極分別是基極 B、集電極C和發(fā)射極E。在電路中，三極管可以起到電流放大和電子開關(guān)的作用。電流放大作用是指當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，一個(gè)較小的基極電流 iB 的變化可引起一個(gè)集電極電流 ic 的較大變化。電子開關(guān)作用則是指，當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)時(shí)，其集電極C和發(fā)射極E，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的接通和斷開。

  三極管按其結(jié)構(gòu)分為 NPN 型和 PNP 型，其符號(hào)如圖 1.4-3 所示。結(jié)構(gòu)的區(qū)別在圖上表現(xiàn)為其發(fā)射極的箭頭指向不同。NPN 型為箭頭指向 E 極(向外)，PNP 型為箭頭指向極板(向內(nèi))。箭頭表示了三極管中電流的流向。對NPN型來說，電流由C極流向E極，因此，在電路中，集電極C連接電源正極，發(fā)射極E連接電源負(fù)極。而PNP型正好相反，電流由E極流向C極，發(fā)射極E接電源正極，而集電極C接電源負(fù)極。

  三極管的開關(guān)特性可以用圖1.4-4 NPN 型三極管電路來說明。當(dāng)其基極電壓 VB足夠大(略大于0.7V)時(shí)，三極管工作在飽和區(qū)，這時(shí)，集電極——發(fā)射極Vce≈0.3V，相當(dāng)于C-E間短接，如圖1.4-4(a)。當(dāng)基極電壓VB=0V 時(shí)，三極管工作在截止區(qū)，集電極電流很小，接近于0，這時(shí)，Vce為電源電壓V，相當(dāng)于C-E間開路，如圖1.4-4(b)。只要適當(dāng)控制基極壓 VB的大小，就可以使三極管的C-E處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，這就是三極管的開關(guān)特性。

  (a)NPN型 (b)PNP型

  圖1.4-3 三極管圖示

  (a)導(dǎo)通特性

  (b)截止特性

  圖1.4-4 三極管開關(guān)特性

  上面講到的有源電子開關(guān)如接近開關(guān)、光電開關(guān)、霍爾開關(guān)等，一般來說，其開關(guān)信號(hào)都是由晶體管構(gòu)成的開關(guān)電路產(chǎn)生的。根據(jù)半導(dǎo)體類型構(gòu)成，晶體管開關(guān)可分為兩種類型∶NPN型和PNP型。

  圖1.4-5(a)為 NPN 型集電極開路電子開關(guān)輸出電路結(jié)構(gòu)。圖中 24V 電源為電子開關(guān)本身內(nèi)部控制電路電源，而信號(hào)回路電源則要另外提供。開關(guān)信號(hào)在晶體管集電極—發(fā)射極間形成，因此，信號(hào)源兩端是“輸出”端和“0V”端。形成回路電流時(shí)，電流必須流入電子開關(guān)，這是一種電流輸入型電子開關(guān)電路結(jié)構(gòu)。而圖1.4-5(b)為PNP型集電極開路電子開關(guān)電路，其信號(hào)輸出端口為“ 24V”端和“輸出”端。電流是流出的，是一種電流輸出型電子開關(guān)電路結(jié)構(gòu)。

  (a)NPN型電子開關(guān)

  (b)

  圖1.4-5 有源電子開關(guān)電路

  上面所述的電子開關(guān)輸出有三條線，一般稱為三線制電子開關(guān)，此外還有二線制輸出電子開關(guān)。

  二線制有源開關(guān)僅有兩根線，它既是電源線，也是開關(guān)信號(hào)線，有直流和交流兩種規(guī)格。如圖1.4-6所示。

  (a)

  (b)

  圖1.4-6 二線制有源開關(guān)

  圖1.4-6(a)中，D為極性保護(hù)二極管，防止電源接反時(shí)擊穿晶體管。由圖可知，當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生負(fù)載回路電流I，負(fù)載得電。反之，晶體管截止，負(fù)載失電。

  與三線制電子開關(guān)不同。二線制電子開關(guān)在晶體管截止時(shí)，負(fù)載、二極管D和內(nèi)部電路仍然存在一個(gè)負(fù)載電流回路，這個(gè)回路的電流稱之為二線制開關(guān)的靜態(tài)泄漏電流。這個(gè)指標(biāo)非常重要，如果泄漏電流過大，負(fù)載也會(huì)得電，造成誤動(dòng)作。三線制電子開關(guān)也存在泄漏由流，但它不經(jīng)過負(fù)載，所以可以不考慮。為了保證二線制開關(guān)的正常工作，通常要求泄漏電流小于 1mA。直流二線制開關(guān)的兩根線是有極性的。在實(shí)際接線中，L 必須接電源正極，L-必須接電源負(fù)極，不能搞錯(cuò)。

  圖 1.4-6(b)為交流二線制電子開關(guān)電路結(jié)構(gòu)，由于整流橋本身有極性保護(hù)，所以去掉了二極管 D。其電源為交流電，當(dāng)負(fù)載為繼電器線圈時(shí)，可以利用繼電器觸點(diǎn)來替代電子開關(guān)的開關(guān)功能。

  3. 光電耦合器及其應(yīng)用

  在脈沖數(shù)字電路中，用于接通和關(guān)斷電路的二極管又稱開關(guān)二極管，它的特點(diǎn)是反向快復(fù)時(shí)間短，能滿足高頻和超高頻應(yīng)用的需要。而發(fā)光二極管(LED)是一種特殊品種的二極管，在正向偏置情況下，只要流過發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍內(nèi)，二極管會(huì)發(fā)出一定顏色、一定亮度的光。

  光敏三極管是根據(jù)半導(dǎo)體中光發(fā)生伏特效應(yīng)而研制的一種受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大電流的特殊品種三極管，又叫光電三極管。

  把發(fā)光二極管和光敏三極管組成一體形成的光電器件又稱光電耦合器，其工作原理如圖1.4-7所示。給發(fā)光二極管加上正向偏置電壓，發(fā)光二極管中有電流IF流過，發(fā)出的光照射到光敏三極管上時(shí)，光敏三極管如加有電壓，則會(huì)有電流 IL產(chǎn)生，表示其C-E間為導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)發(fā)光二極管沒有電流IF流過(表示外加偏置電壓為0)時(shí)，它沒有光發(fā)出，光敏三極管無電流產(chǎn)生，表示C-E間相當(dāng)于開路狀態(tài)。由工作原理分析可知，光電耦合器是一種以光為媒介來傳輸電信號(hào)的電-光-電轉(zhuǎn)換器件。在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，輸入信號(hào)電路和輸出信號(hào)電路不存在電路上的聯(lián)系，也就是說，光電耦合器的輸入電路和輸出電路在電氣上是絕緣的，互相隔離的。對于開關(guān)電路，往往要求控制電路和開關(guān)電路之間要有很好的電隔離，這對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但采用光電耦合器就很容易實(shí)現(xiàn)了。光電耦合器的另一個(gè)重要特點(diǎn)是信號(hào)只能從輸入端向輸出端傳輸。信號(hào)的傳遞是單向的，這就使得光電耦合有了很強(qiáng)的抗干擾能力，工作穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，所以，它在各種電路中得到了廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一，幾乎所有PLC均采用光電耦合器作為開關(guān)量輸入電路。

  圖 1.4-8 所示是一種兩個(gè)發(fā)光二極管反向并接組成輸入電路的光電耦合器。它的特點(diǎn)是輸入端只要有電壓(與極性無關(guān))就會(huì)產(chǎn)生輸入電流，信號(hào)的傳輸與外加電源極性無關(guān)，可適應(yīng)不同電源需要的電路。三菱FX PLC就采用了這種形式的光電耦合電路。

  圖1.4-7 光電耦合工作原理

  圖1.4-8 反向并接輸入光電耦合器