电气维修方法论第十八篇(电气元件的工作原理)

电气维修方法论第十八篇(电气元件的工作原理)

电气元件是组成电路并实现电气功能的最小单元，也是电气维修中需要认知的最终对象，如果损坏一般只更换不维修。它种类繁多、形式多样、原理不同、功能各异和应用广泛，而且新元件层出不穷、日新月异。电气元件属于复杂对象，所有电气元件构成电气元件集，继承了相同特性的电气元件组成电气元件类，每类电气元件都有相同的本质特征和规律，每个具体电气元件都有自身的特殊特征和规律。通过学习预先掌握同类电气元件的本质特征和规律，在实践中结合具体电气元件的特殊特征和规律就能全面高效认知具体电气元件的综合特征和规律。

先科学的认知电气元件，才能正确的使用电气元件。认知前要先系统学习物理、化学、电磁学等理论知识，再积累相关实践经验。为了提高认知效率，降低认知难度，在符合人直觉和认知习惯的前提下，需要从学习理解、设计生产和使用维护的层面将电气元件按照工作原理、功能用途、规格封装的角度进行分类，逐步掌握每类电气元件本质特征和规律，才能深刻解释元件故障原理，正确判断元件的好坏，选择合理的处理办法。

工作原理能解释电气元件的功能，功能决定其用途，用途决定其封装。相同工作原理的电气元件有多种功能用途、规格封装;相同功能用途的电气元件有多种工作原理、规格封装;相同规格封装的电气元件有多种工作原理、功能用途。从各层面和多角度对电气元件分类存在部分重叠，会造成对个别电气元件重复介绍，产生一定亢余量，请读者谅解。

电气元件按电气功能分为基础元件和复合元件。基础元件是具有单一的基本电气功能的独立元件，常见的有电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、电压源和电流源。复合元件是由多个基础元件组成具有复杂电气功能的电气元件，如各类集成电路等，分为多个相同电气元件并列封装在一起的组合元件和多个不同电气元件组合封装在一起具有新电气功能的复合元件两类。先把基础电气元件抽象为理想元件，理想元件通过组合连接形成等效电路替代复合电气元件(复合电气元件有几种工作状态就有几套等效电路)，等效电路的组织结构和伏安特性就是复合电气元件的特征和规律。

现代电气元件向模块化方向发展，把核心电气元件和辅助电气元件整合在一起形成具有完整电气功能的电气模块，能减小电路的体积，提高电路的可靠性。

电气元件从早期电子管到现代晶体管和集成电路，未来电气元件的基材从现今硅晶片向碳基、石墨烯等新电气材料方向发展，随着新技术、新工艺和新材料的出现会不断产生具有新功能、高性能、高可靠和适用范围广的新电气元件，维护时尽量用新电气元件替换老旧电气元件。因为电磁运动的不可见性，需要借助专用仪器测量电气元件输入输出物理量判断其是否正常工作，测量其主要电气参数判断其好坏。

因为电气元件种类多更新快，所以本书只对常用电气元件进行分类介绍，请读者按照该分类思路通过实践逐步创建和补充完善自己的电气元件类库。鉴于本书主题是研究电气维修方法论，所以尽量用定性方式描述每类电气元件本质特征和规律，完整精确的定量分析请读者自行查阅相应专业书籍。

一、为提高查找故障源的效率，电气元件需要从工作原理的角度进行分类并掌握其本质特征和规律，有利于判断独立电气元件好坏(内因)。电气元件工作原理包含材质成份、内部组织结构和外部连接方式、工作状态和等效模型、能量变换等因素。

电气元件在独立状态下用专用仪器检测其好坏。如果没有专用仪器，用通用仪器测量电气元件参数(如端口间阻值)，再与相同正常元件或技术资料参数作对比，结合其工作原理推测其好坏。

材质成份

构成电气元件的材料主要是绝缘材料、导体和半导体，绝缘材料用于电气隔离，导体进行等电位连接，利用半导体的各种物理性能实现非线性电气功能。常用半导体材料是硅或锗，掺入某些微量元素后形成P型和N型半导体，在两种类型半导体接触面形成PN节，硅的PN结电压为0.7V，锗的PN结电压为0.4V。在半导体中掺入其它元素可以改变其物理性能，实现不同的电气功能。

除少数电气元件(如化学电池和电磁元件)，大部分电气元件运动都属于分子或原子级的物理运动，所以多数电气元件在额定工作条件下没有材质损耗，体积没有变化，使用寿命较长。

和宏观的机械、化学运动不同，除了借助于专业仪器，人眼睛无法直接观察到电气元件的电磁运动，这也是触电事故频发的重要原因。

内部组织结构和外部连接方式

电气元件通常由导体、半导体、绝缘体、铁磁体、抗磁体和顺磁体等具有电气特性的材料组成，不同介质按照各自的物理形态封闭在有限的固定空间中，通过内部或外部物理运动、化学反应实现电磁能存储或释放、与其它能量相互转换等功能，对外通常表现为输入输出端电压或电流等基本物理量大小或方向的变化，是实现电路功能的基础零件。

电信号分为模拟信号和数字信号，数字信号分为同步信号和异步信号。导体能直接将电信号混合在一起。电气元件能接收、处理和输出电信号。按电气端口数电气元件分为单端、双端、三端和多端电气元件。单端和双端元件要依靠电信号自带的能量工作，属于无源元件。单端元件让电信号只进不出，双端元件能实现电信号的双向传输。三端和多端通常需要外部电源才能工作，属于有源元件。如果有源元件的输入阻抗远低于输出阻抗，电信号正向传输效率高于反向传输效率，能实现电信号的单向传输。有源元件单向传输特性能实现电信号分配(一进多出)和合并(多进一出)功能，一进多出将一路电信号分配为多路，多进一出能实现多路电信号的算术、逻辑和比较等运算。

工作状态和等效模型

电气元件工作中有多种不同阶段，但在同一时间内只能处于一种阶段的某些状态下。以人的正常响应时间为参考，状态分为稳态，暂态和异态。稳态通常是电气元件正常工作的持续状态，暂态通常是电气元件各种稳态间相互转换时的过度状态，异态通常是电气元件异常环境下的极端状态。通常分为以下几种阶段：

关闭阶段是电气元件没有获得电能前的关闭阶段，属于稳态。

工作阶段是电气元件获得电能并正常的工作阶段，属于稳态。有的电气元件有多重工作阶段，如晶体三极管就有放大、截至、饱和三重阶段，二极管有正向导通、反向截止和反向击穿三重阶段。

停止阶段是电气元件获得电能但停止工作的阶段，属于稳态。

切换阶段是电气元件在关闭、停止和工作三个阶段之间相互转换的过度阶段，属于暂态。如电容的充放电过程和电感电流通断的过程。

极限阶段是电气元件处于异常环境下的阶段，属于异态。常见异常环境有超极限的电压、电流、温度或机械震动等。电气元件工作在极限阶段中容易损坏或缩短寿命。

为了方便理解复杂电气元件的工作原理，将抽象的理想导线、理想电阻、理想电容、理想电感、理想二极管、理想三极管、理想电压源和理想电流源作为基础元件，组成多个等效电路模拟复杂电气元件在不同阶段工作原理，用不同阶段下等效电路的组织结构和外部连接描述复杂电气元件的本质特征。用不同阶段下等效电路的输入输出电压、电流、磁感应强度和功率等变化描述复杂电气元件的本质规律。常用电气元件都有独自图形符号和简称，相同图形符号的电气元件工作原理相近，通过查询图形符号就能大致了解其本质特征和规律。

能量变化

电气元件工作时需要消耗电能，无源电气元件消耗的是输入电信号的能量，输出电信号强度必然低于输入电信号。有源电气元件消耗的是外部电源提供的能量，输出电信号强度能够大于或等于输入电信号的强度。

因为能量转换效率永远小于一，电气元件工作时部分电能必然转换为热能，所以电气元件工作阶段的温度必然高于停止阶段。通过红外线检测电气元件表面温度，可以定性估测其工作状态。通常通过电气元件的电流越大其能耗越大，通过检测通过电流，可以定性估测其工作状态。

(一)传统元件类

利用人类最初发现的导体、绝缘体、铁磁体、抗磁体和顺磁体等传统电气材料制造出基础的电气元件，实现传输分配电能、通断限制电流、存储电场和磁场等基础电气功能。导线、电阻、电容和电感都属于线性电气元件，可用频域复数描述其本质规律。

导线

用线或面形状的导体(铜或铝)并外敷绝缘材料(如塑料、橡胶或绝缘漆等)就制造出导线。导线属于双向双端元件。在电路原理图中用实线代表导线，分析时通常用阻值为零的电阻(符号R0)代替导线。导线的主要物理参数是截面积，极限物理参数是绝缘耐压值。如果导线两端存在电位差就会在导线中产生电流，电流超过导线额定值容易烧毁导线，在导线上电压过高要击穿其绝缘层，使导线处于异常状态。通常用欧姆计判断导线好坏。

导线的本质特征和规律是电阻近似为零，导体上电位处处相等。因为导体对电流阻力小耗能很低，所以在电路中主要用于传输和分配电能。导线有多种外观样式(如电线、铜排或敷铜皮等)。不同厂家电线产品的型号编码也不同。

电阻

利用电流通过阻力较大导体(碳、高阻合金等)时受到限制并把电能转换为热能的特性就制造出电阻元件。电阻至少有两个以上端口，属于双向双端元件。在电路原理图中用电阻符号和字母R代表电阻，主要物理参数是电阻值，其值大小表示限制电流的能力，计算公式：R=，ρ是电阻率，L是电阻长度，S是电阻截面积;伏安特性：，规定当电阻器两端电势差为1伏时流过电阻器的电流为1安，电阻值为基本单位1欧姆(Ω)，常用数量单位有千欧(KΩ)、兆欧(MΩ)等。

电阻基本原理是电荷在导体中移动时和分子碰撞产生的阻力，其本质特征和规律是阻碍电荷流动的能力，限制通过自身电流的大小。电阻在电路中主要用于降低电压，限制电流。电阻两端存在电位差就会在电阻中产生电流。电阻的极限物理参数是最大功率值，如果电流超过额定值容易烧毁电阻，使电阻处于异态。

通常用万用表的电阻档测量阻值判断电阻好坏，测量时要考虑电信号频率以及工作环境对测量结果的影响，否则会造成较大误差或错误结果。真实电阻由理想电阻R和其它等效元件(引线电感Ls和分布电容Cp)组成。当通过高频电流时需要考虑等效元件的影响，其阻抗和通过交流电流的频率f相关。

电阻还能制造为将电能转换为热能的电热元件和因温度高而发光的发光元件。根据实际需要，电阻有多种封装样式，厂家不同电阻产品型号编码也不同。

电容

利用电荷同性相斥异性相吸的特征，两块面积较大的导体极板重叠放置，中间用绝缘体隔开就制造出可以存储电场能的电容元件。电容至少有两个以上端口，其中无极电容属于双向双端元件。在电路原理图中用电容符号和字母C代表电容，主要物理参数是电容值，其值大小表示容纳电荷的能力，计算公式：C=，式中：ε是介电常数，k是静电力常量，S是两板正对面积，d是两板间距离;电气特性：C=;规定在电容器两极板间的电势差为1伏时所存储电荷量为1库伦，电容值为基本单位1法拉(F)，常用数量单位有微法拉(uF)、皮法拉(pF)等。

电容基本原理是用绝缘介质隔离的正负电荷相互吸引形成的平衡状态，其本质特征和规律是存储电场能。电容在电路中主要用于延迟电压的变化。在电容两端存在直流电位差时，通过电容的电流为零。在电容两端存在交流电位差时，通过电容的电流大于零，频率越高电流越大。电容的极限物理参数是最大耐压值，如果电压超过额定值容易烧毁电容，使电容处于异态。

通常用万用表的电容档判断电容好坏，测量时要考虑电信号频率以及工作环境对测量结果的影响，否则会造成较大误差或错误结果。有极电容器的极性判别方法：用万用表测量就可以了，先把电解电容放电，然后将表笔接到两端，摆动大的那次就对了，但要注意：指针表的正极对的是电容的负 极，数字表相反，而且，两次测量之间，电容必须放电。用元件引脚长短来区别正负极，长脚为正，短脚为负;电容上面有标志的黑块为负极。在PCB板上电解电容的封装符号为圆圈，圈中涂颜色的半圆对应电容负极引脚。

真实电容由理想电容C和其它等效元件(介质损耗Rc，引线电阻Rn和分布电感Ln)组成，当通过交流电流时需要考虑等效元件的影响，其阻抗和通过交流电流的频率f相关。如果通过直流电流并进入稳态时，真实电容可视为开路;如果通过低频交流电流时，因为介质损耗Rc很小可忽略不计，具体电容可视为理想电感C、引线电阻Rn和分布电感Ln串联。

如果极板间能相对运动成为静电电机能将电磁能转换为机械能。静电电机电容值越大、加在极板上电压越高，其输出的机械力越大。常用电容有陶瓷、涤纶、电解质、钽等类型。根据实际需要，电容有多种封装形式，厂家不同电容产品型号编码也不同。

电感

利用涡旋电流要产生磁场的特征，将绝缘导线呈环状反复缠绕在绝缘管上形成线圈(绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯)，就制造出可以存储磁场能的电感元件。电感至少有两个以上端口，属于双向双端元件。在电路原理图中用电感符号和字母L代表电感，主要物理参数是电感值，其值大小表示容纳磁场的能力，计算公式：L=μ*S*N2/ Lm，式中：μ是磁芯的磁导率、S是磁心的截面积、N是线圈的匝数、Lm是磁芯的磁路长度;电气特性：L=，规定在通过电感截面的电流为1安培时所存储磁通量为1韦，电感值为基本单位1亨利(H)，常用数量单位有毫亨(mH)、微亨(uH)等。

电感基本原理是电荷沿螺旋线圈移动时将磁场汇聚到线圈中，其本质特征和规律是存储磁场能。电感在电路中主要用于延迟电流的变化。直流电通过电感时，电感两端的电位差为零。交流电通过电感时，电感两端的电位差大于零，频率越高电位差越大。极限物理参数是最大电流值，如果电流超过额定值容易烧毁电感，使电感处于异态。

通常用万用表的电感档测量阻值判断电感好坏，测量时要考虑电信号频率以及工作环境对测量结果的影响，否则会造成较大误差或错误结果。

真实电感由理想电感L和其它等效元件(损耗电阻RL和分布电容CL)组成，当通过交流电流时需要考虑等效元件的影响，其阻抗和通过交流电流的频率f相关，如果通过直流电流并进入稳态时，真实电感可视为电阻RL;如果通过低频交流电流时，具体电感可视为理想电感L和损耗电阻RL的串联。

含有铁芯的电感极大的增强磁场强度成为电磁铁能将电磁能转换为机械能。电磁铁电感量和通过线圈电流越大，电磁铁输出的机械力越大。常用电感有铁芯、铁氧体、铜芯等类型。根据实际需要，电感有多种封装形式，厂家不同电感产品型号编码也不同。

因为流过电阻、电容和电感的电流和端口电压成线性的关系，所以把电阻、电容和电感统称为线性电气元件。全部由线性电气元件组成电路的伏安特性为，Z=R+i(ωL+1/ωC )，其中：ω=2πf，Z为阻抗，R为电路总阻值，L为电路总电感值，C为总电阻值。

电压源

通过发电装置把其它能源转换为电压稳定的电能。电压源至少有两个以上输出引脚，属于单向双端元件。在电路原理图中用电压源符号和字母(直流电压源DC)或(交流电压源AC)代表电压源，直流电压源输出电压值保持不变，输出电流随着负荷而变化的特征，主要物理参数是直流电压值、最大输出电流。交流电压源输出电压值呈正弦波变化，但是输出有效电压不变，主要物理参数是电压有效值、最大输出电流、频率和起始相位。

电压源本质特征和规律是内阻很小，能对外输出电压稳定的电能。电压源主要为电路提供电压稳定的工作电源，输出电流越大，输出功率越大。如果输出电流超过极限值容易烧毁电压源，使电压源处于异常状态。

通常用万用表的电压档测量电压判断电压源好坏。真实电压源是由理想电压源V和内阻Ru串联组成。真实电压源输出：U=V1-I*Ru，当Ru远小于负荷RL时输出电压U接近或等于理想电压源V1。

常用的电压源有化学电池、机械发电机等。根据实际需要，电压源有多种封装形式，厂家不同电压源产品型号编码也不同。

电流源

通过发电装置把其它能源转换为电流稳定的电能。电流源至少有两个以上输出引脚，属于单向双端元件。在电路原理图中用电流源符号和字母Is代表电流源。电流源输出电流值保持不变，输出电压随着负荷而变化的特征，主要物理参数有直流电流值，最大输出电压。

电流源本质特征和规律是内阻很大，能对外输出电流稳定的电能。电流源主要为电路提供电流稳定的工作电源，输出电压越高，输出功率越大。如果输出电压超过电流源的极限值容易击穿电流源，使电流源处于异常状态。

通常用万用表的电流档测量电流判断电流源好坏。真实电流源是由理想电流源Is1和内阻Ri并联组成。真实电流源输出：I=Is1-Is1*Ri/(Ri+RL)，当Ri远小于负荷RL时输出电流I接近或等于理想电压源Is。

常用的电流源有硅晶板电池等。根据实际需要，电流源有多种封装形式，厂家不同电流源产品型号编码也不同。

因为理想电压源内阻无穷小和理想电流源内阻无穷大，所以电压源和电流源不能互相等效。真实电压源和真实电流源的内阻总是有限，当条件具备时两种电源可以相互转换。如果电压源与电流源对相同负荷电路提供相同的电压、电流和功率，不影响负载电路工作，那么两种电源对于负载电路是互为等效电源。含内阻的电压源与电流源等效互换的条件：Vs2=Is2*Ri1，Is2=Vs2/Rv1。

多个含电源支路作串联、并联、混联时，可将其输出端简化为一个电压源或电流源。与电压源串联的电阻可视为其内阻，与电流源并联的电阻可视为其内阻。

(二)半导体元件类

半导体(如硅Si或锗Ge等)导电性能介于导体和绝缘体之间，其导电性能容易受到杂质浓度、温度和光线等因素的影响，利用其特殊电气性质可以制造许多新型电气元件，控制通过其电流和电压的变化，实现单向导电、电流放大和电压放大等电气功能。纯净半导体只有微量电子构成的少数载流子，导通能力较弱。向半导体掺入三价元素(如硼等)形成以入空穴为多数载流子的P型半导体，掺入五价元素(如磷等)形成以电子为多数载流子的N型半导体，P型和N型半导体的导通能力较强。多数载流子是决定半导体元件电气性能主要因素，少数载流子为次要因素。当P型半导体和N型半导体结合后在结合部因为载流子的浓差梯度产生扩散力，将N型半导体中电子扩散到P型半导体与空穴结合形成PN结。因为电荷分布不平衡，所以在PN结形成从N指向P的内电场(又称为阈值电压，Si为0.7V和Ge 为0.3V)平衡扩散力。PN结具有单向导通的电气特征，当P型半导体和N型半导体两端施加外部电场，如果方向和内电场相反(正向偏置)，电压越高PN结越薄，导通能力越强，值超过内电场后变为饱和导通状态，形成多数载流子组成的扩散电流。如果方向和内电场相同(反向偏置)，电压越高PN结越厚，导通能力越弱，最后变为关断状态，只有少数载流子组成的漂移电流。

PN结是半导体元件的基础结构，用欧姆表测量其正反向电阻值，如果两次测量阻值差异较大可判断二极管完好。在阻值较小的测量中用黑表笔接触端口为PN结正极，红表笔接触端口为PN结负极。二极管、三极管和场效应管等基本半导体元件都是非线性电气元件，为降低非线性电气元件分析难度，将非线性元件做线性化处理。通常建立非线性电气元件在不同工作状态下对应的线性等效电路，简化其本质特征和规律的描述。

晶体二极管

利用单个PN结单向导电的特征可以制造二极管元件。二极管有两个端口，正端A称为阳极，连接PN结的P型半导体，负端K称为阴极，连接PN结的N型半导体。电流只能从阳极A向阴极K方向移动，属于单向双端元件。在电路原理图中用二极管符号和字母D代表二极管，主要物理参数有：最大整流电流IF、最高反向工作电压Udrm、最高工作频率Fm等。

二极管基本原理是用PN结正向偏置时呈导通状态，反向偏置时呈截止状态，其本质特征和规律是能够单向传输电流的电气元件。二极管在电路中主要用于将交流电整流为直流电。当二极管两端施加正向电压大于PN结阈值电压时，二极管处于正向导通的稳态。如果导通电流过大烧毁，使二极管处于异态。在二极管两端施加反向电压，二极管处于反向截止的稳态。如果反向电压超过极限值会击穿二极管，使二极管处于异态。

判断普通二极管完好的检测办法和PN结一样，测量时表笔接触二极管的阳极和阴极。对测量结果要考虑到信号频率以及工作环境的影响，否则会造成较大误差或错误结果。

正常工作时二极管有正向导通和反向截止两种工作状态。正向导通时可用一恒压源等效，该电压与温度和所流过的电流成正比。通常用伏安特性图描述真实二极管正向导通和反向截止电气特性：

除了常用的整流二极管，二极管还分为稳压二极管、发光二极管、红外二极管、光敏二极管、热敏二极管等种类。当反向偏置电压高于稳压二极管的击穿电压时，稳压二极管两端电压值不随通过电流大小而变化;当正向偏置电压高于发光二极管的工作电压(1.4～3V)时，发光二极管能够正常发光;当正向偏置电压高于红外二极管的工作电压(1.3～2.5V)时，红外二极管能够正常发出红外光，可以通过手机摄像头观察到其是否正常工作。当环境光强或温度发生变化时光敏或热敏二极管的导通阻值也会随之而变化，否则其已损坏，在电路中常用作光强或温度传感器。根据实际需要，二极管有多种封装形式，厂家不同二极管产品型号编码也不同。

晶体三极管

在半导体适当位置同时制作两个相对分布的PN结，得到实现电流放大的三极管。三极管有三个端口，分为集电极c，基极b，发射极e，c极与b极之间的PN结叫集电结，b极与e极之间的PN结叫发射结。通常b极与e极为输入端，c极与e极为输出端，属于单向三端元件。通常在电路原理图中用三极管符号和字母Tr代表三极管。主要物理参数有：放大倍数β、集电极最大允许电流ICM、集电极最大允许功耗PCM和反向击穿电压UBR等。三极管属于电流控制的放大元件，基极电流Ib和集电极电流Ic方向相同，共同流入或流出发射极E。如果基极电流Ib发生微小变化，那么集电极电流Ic会产生较大幅值的变化，计算公式：β=dIc/dIb。

三极管基本原理是调节PN结厚薄控制其导通能力，其本质特征和规律是用微弱电流控制主电流变化的电气元件，属于放大电路的核心元件，主要用于调节(放大或缩小)或开关电流。三极管按PN结的排列分为NPN管和PNP管，在电路中NPN管的集电极电位高于发射极电位，PNP管的发射极电位高于集电极电位。正常工作电路中的晶体三极管有放大、饱和和截止三种工作状态。

三极管如果发射结正向偏置和集电结反向偏置，而且发射结电压大于PN结阈值电压，那么基极电流能控制集电极电流变化，使三极管处于电流放大状态，属于稳态。如果发射结和集电结都是正向偏置，而且发射结电压大于PN结阀值电压，那么基极电流不能控制集电极电流变化，集电极电流随负载而变化，这时集电极与发射极之间的电压很小，使三极管处于饱和导通状态，属于稳态;如果发射结是反向偏置，那么基极、集电极和发射极的电流都为零，使三极管处于截止断开状态，属于稳态;如果加在集电极和发射极上的电压过高会造成三极管击穿，使三极管处于击穿故障状态，属于异态。

通常用伏安特性图描述真实三极管放大、饱和导通和截止断开的电气特性：放大状态视为基极电流和集电极电流成正比电流源;饱和导通状态视为以集电极和发射极为输出端口的电压源;截止断开状态视为集电极和发射极之间开路。

通常用万用表的二极管档结合三极管档判断三极管好坏，测量时要考虑电信号频率以及工作环境对测量结果的影响，否则会造成较大误差或错误结果。

三极管按工作频率分为高频管和低频管;按功率分为小功率管、中功率管和大功率管;按用途分为开关管和放大管。根据实际需要，三极管有多种封装形式，厂家不同三极管产品型号编码也不同。

场效应管

在半导体上按专门结构要求布局PN结，得到用电压控制主电流的场效应管。场效应管有三个端口，分别为栅极g、漏极d、源极s，通常g极与s极为输入端，s极与d极为输出端，属于单向三端元件。通常在电路原理图中用场效应管符号和字母FET代表场效应管。主要物理参数有：开启电压Ugs(th)、夹断电压Up、漏源电流Ids，漏源电压Uds，跨导Gm、漏源击穿电压BUDS等。场效应管属于电压控制的放大元件，Ugs的方向垂直于Id方向，栅极电流为零，漏极和源极电流相等。如果栅源电压Ugs发生变化，那么漏源电流Id会产生较大幅值的变化。

场效应管基本原理是用电场Vgs调节PN结宽窄控制导电沟道从无到有、从小到大从而调整漏源电流Ids的变化，其本质特征和规律是能够用电压控制导通电流的变化，属于放大电路的核心元件，主要用于调节(放大或缩小)或开关电流。场效应管按半导体材质分为P型管和N型管，按照结构分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(MOS管)两大类，绝缘栅场效应管(MOS管)的分为增强型和耗尽型两种(请详见相关专业文献)。正常工作时场效应管有恒流放大、可变电阻和截止三种工作状态。

当场效应管栅极g、漏极d和源极s间的电压符合Ugs>Ugs(th)和Uds>Ugs-Ugs(th)时，通过Ugs来控制Id，使场效应管处于恒流放大状态，属于稳态。当加在场效应管栅极、漏极和源极的电压符合Ugs>Ugs(th)和Uds 通常用伏安特性图描述真实场效应管恒流放大、可变电阻和正向截止电气特性：恒流放大状态将漏源极之间视为恒流源，其输出电流Ids只受Ugs控制，与Uds无关;可变电阻状态将漏源极之间等效为压控电阻Rd，该电阻值受Ugs控制，还与温度成正比;正向截止状态将漏源极之间视为电容，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关。

通常用万用表的二极管档结合电阻档判断场效应管好坏，测量时要考虑电信号频率以及工作环境对测量结果的影响，否则会造成较大误差或错误结果。

场效应管按功率分为小功率管、中功率管等;按用途分为开关管、放大管等。根据实际需要，场效应管有多种封装形式，厂家不同场效应管产品型号编码也不同。

(三)无源和有源元件类

无源电气元件

仅靠输入信号能量就能实现其电气功能的电气元件。无源电气元件本质特征和规律为通常端口数量少，能实现简单的电气功能，因为本身消耗部分能量，所以输出能量低于输入能量。常见无源电气元件有：电阻、电阻排、电容、电感、变压器、继电器、按键、蜂鸣器、喇叭、开关、二极管、天线等。

有源电气元件

需要外加电能才能实现其电气功能的电气元件，属于复合元件类。有源电气元件本质特征和规律为端口数量较多，因为由工作电源提供电能，所以其输出信号能量能够大于或等于输入信号，进而能实现各类复杂电气功能。一类有源电气元件为工作电源或公共地与信号输入或输出口共用一个端口(如三极管、场效应管和晶闸管等)，另一类为工作电源、公共地、信号输入口和信号输出口都是独立端口(如复合元件、集成电路和部件等)。

(四)复合元件类

将多个电气元件连接固定后组合封装在一起能实现复杂电气功能的电气元件称为复合元件。常用的复合元件有复合管和厚膜元件。

复合管

将多只放大元件按照并联或串接组合在一起得到复合管，等效为单只放大元件。通常在电路原理图中用复合管符号代表复合管。

并联复合管由两只相同大功率三极管或场效应管并联组合而成。所有三极管集电极c、基极b和发射极e(场效应管为g极、s极和d极)分别合并为三个端口，属于单向三端元件。并联复合管工作原理为输出电流等于单只大功率三极管或场效应管的两倍，输入输出阻抗为单只大功率三极管或场效应管的一半，放大倍数与单只大功率三极管或场效应管相同。

串接复合管通常由两个类型和功率大小的不限三极管按先后顺序串接组合而成(又称达林顿管)。达林顿管串接形式有四种： NPN+NPN、PNP+PNP、NPN+PNP和PNP+NPN(请详见相关专业文献)。无论怎样串接组合，都有统一的基极b、集电极c和发射极e，属于单向三端元件。达林顿管工作原理为电流放大倍数是两个串接三极管放大倍数的乘积，其类型和连接输入端三极管的类型一致。

复合管本质特征和规律是功率放大倍数大(可达数百、数千倍)、驱动能力强、功率大、开关速度快和易于集成化，但是其频域范围变窄。可用于驱动大功率负载的放大电路、音频功率放大器电路、大功率开关电路和自动控制电路等。

工作时每个引脚的偏置电压不同，复合管有放大、饱和和截止三种工作的稳态。如果加在输出引脚之间的电压过高会造成复合管击穿，使复合管处于故障的异态。通常用万用表的二极管档结合三极管档判断复合管好坏。

根据实际需要，复合管有多种封装形式，厂家不同复合管产品型号编码也不同。

厚膜元件

是指在陶瓷基片上采用丝印、烧结和电镀等工艺制作连接布线，再装配上微型电气元件后构成的复合元件。厚膜元件有多个端口，分为工作电源和公共地端口、输入和输出端口等，属于有源多向多端元件。通常在电路原理图中用厚膜元件符号代表厚膜元件。因为厚膜元件种类较多，通常用功能方框图描述其工作原理，用端口等效电路描述其输入输出信号的伏安特性。厚膜元件本质特征和规律是单元电路微型化，工作时需要满足额定电源要求才能正常工作，如果偏差太大，厚膜元件表现为故障的异态。通常用万用表的二极管档结合引脚对地或对电源电阻值判断厚膜元件好坏。

厚膜元件代表符号和字母

厚膜元件优点是性能可靠、体积小、成本低、设计灵活、方便多品种小批量生产，适用于需要高电压、大电流、大功率的电路。常用的厚膜电气元件有：开关电源厚膜、排阻厚膜、排容厚膜等。根据实际需要，厚膜元件有多种封装形式，厂家不同厚膜元件型号编码也不同。

(五)集成电路类

采用特殊造型布局、掺入不同杂质等技术能让半导体实现各种电气功能，制做出导线、绝缘层、电阻、电容、电感、二极管、三极管和场效应管等电气元件(大电容、大电感除外)。随着微加工工艺(如光刻、腐蚀等)水平的提高，能在小块半导体晶片上制做将大量微型电气元件。将微型电气元件按照功能要求进行布局和线路连线，能在半导体晶片搭建出大多数类型的电路，将电路端口连接至外部引脚，最后封装为能实现各类复杂电路功能的集成电路(又简称为芯片)。集成电路有多种类型端口，如工作电源、公共地、输入口、输出口和时钟等端口，属于有源多端元件。通常在电路原理图中用集成电路符号和字母U代表集成电路。因为集成电路种类多，通常用功能方框图描述其工作原理，用端口等效电路描述其输入输出信号的伏安特性。

集成电路代表符号和字母

集成电路本质特征和规律是功能电路微型化，是现代电路的核心元件。集成电路内部微电子元件密度远高于厚膜元件，集成度从小规模、中规模、大规模发展到超大规模。集成电路使电气元件向体积微型化、多功能化、智能化、低功耗和高可靠性方向快速发展，丰富了电气元件类型，降低了电路设计制造难度，是现代电路的基石，广泛应用在人类生产生活的各个方面。

集成电路按处理信号类型、功能、结构分为模拟、数字和数/模混合三大类。模拟集成电路处理模拟模拟信号，其晶体管工作在放大区。数字集成电路处理数字信号，其晶体管工作在饱和或截止区。数/模混合集成电路两者兼而有之。

模拟信号指自变量和函数量都是连续变化的电信号，如模拟音频视频信号、温度变化信号、音量速度调节信号等。处理模拟信号的电路就是模拟电路，是其它电路的基础，主要包括放大电路、信号运算和处理电路、整流振荡电路、控制保护电路、调制解调电路和电源电路等。集成后产生模拟集成电路，其基础单元是运算放大器(简称运放)，以运放为核心实现对模拟信号的产生、放大、变换、算术运算、逻辑比较和输出等操作(请详见相关专业文献)。

数字信号指自变量和因变量都是离散的电信号，如控制程序、数字音频视频、输入按钮信号、指示灯信号等。处理数字信号的电路就是数字电路，分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，主要包括与门、或门、非门、触发器、计数器和存储器等，正朝着软硬结合的方向发展。集成后产生数字集成电路，其基础单元电路是逻辑门和由逻辑门构成具有记忆功能的触发器，以门电路和触发器为核心实现数字信号的产生、算术运算、逻辑比较和输出等操作(请详见相关专业文献)。数字集成电路按晶体管类型分为双极型(三极管)和单极型(场效应管)集成电路。双极型集成电路优点是速度比较快，缺点是集成度较低、制作工艺复杂和功耗较大，如TTL、ECL、HTL等类型。单极型集成电路优点是集成度较高、工艺较简单和功耗较低，缺点是速度比较慢，如CMOS、NMOS、PMOS等类型。

因为集成电路对工作电源和温度比较敏感，使用时要注意其工作电压、信号类型、自身温度是否在正常范围内，对于单极型CMOS集成电路采取防止静电措施，避免击穿集成电路，否则会使集成电路处于故障状态，属于异态。根据实际需要，集成电路有多种封装形式，厂家不同集成电路产品型号编码也不同。集成电路常用封装形式有单列直插、双列直插和贴片封装等。集成电路有多种型号，其命名一般由前缀、数字编号、后缀组成。前缀表示集成电路的生产商及类别，后缀一般用来表示集成电路的封装形式、版本代号等。

运算放大器

运放放大器(简称运放)由多级电压放大电路串联组成，由反相和同相两个高阻抗输入端和一个低阻抗输出端的高增益直接耦合形成的电压放大单元电路，是接近理想状态的放大器。运放通常封装为运放集成电路后作为电气元件使用。集成运放具有体积小、使用方便、共模抑制比极大、频带极宽等特点。运放至少有两个输入和一个输出端口，属于有源单向元件。在电路原理图中用运放符号代表运放，主要物理参数分为直流指标和交流指标，直流指标有差模开环增益、共模抑制比、输出峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压等，交流指标有开环频宽、单位增益频宽、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗等。

运放代表符号图

运放的本质特征是输入阻抗、开环增益、共模抑制比和开环频宽无限大、输出阻抗为零。其本质规律是“虚短”和“虚断”：运放开环增益无限大，工作在线性放大状态时，其同相和反相输入端电位象短路一样接近，称为虚短;运放输入阻抗无限大，输入其同相和反相输入端的电流象开路一样极小，称为虚断。

运放常用于电信号幅值比较、放大或运算等电路中，是其它模拟集成电路的基础。根据实际需要，运放有多种封装样式，厂家不同运放产品型号编码也不同。

数字存储器

是存储二进制数据的数字集成电路，常用于存储数据、地址和指令。在数字存储器出现以前，数字集成电路的逻辑功能由硬件决定无法改变。数字存储器出现后，其输入输出逻辑功能随存储数据变化而改变。数字存储器主要参数有存储容量(地址大小)和数据大小(数据位数)。

中央处理器CPU

主要功能是按存储器中程序指令进行译码以及进行数据计算，是计算机核心电气元件，让人类进入信息时代。中央处理器CPU由控制单元、运算器ALU、高速缓冲存储器Cache、内部存储器Memory、地址数据控制总线Bus和输入输出I/O单元等组成，属于超大规模数字集成电路。CPU包括通用CPU和专用CPU，主要参数有工作频率、数据位数和寻址范围等。

控制单元是CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器OC(包括时钟脉冲发生器、节拍脉冲发生器、控制矩阵和复位启停电路等)等组成，协调整个CPU有序工作。控制单元在时钟控制下依次从存储器中读出预先存储的指令，放在指令寄存器IR中进行译码，再操作控制器OC按确定的时序向相应单元发出为完成每条指令所要执行的各种操作控制信号。寄存器用于保存正在处理指令或数据，专用寄存器用于固定寄存相应数据，通用寄存器用途由程序决定，寄存器的读写速度最快。

运算器ALU接受控制单元命令执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括与或非运算、比较、移位或逻辑测试)。

高速缓冲存储器Cache用于提前读写或保存内部存储器Memory存储的数据，内部存储器Memory用于读写、保存等待处理或已经处理过的数据。寄存器读写速度快于高速缓冲存储器Cache，高速缓冲存储器Cache读写速度快于内部存储器Memory。

总线Bus包括命令总线、地址总线和数据总线，命令、地址和数据通过总线Bus进行传输。通过输入输出I/O单元向外设输入或输出数据。

数/模混合集成电路

由模拟和数字电路混合而成能实现数字、模拟信号相互转换功能的集成电路，如A/D集成电路能够将模拟信号转换为数字信号，D/A集成电路能能够将数字信号转换为模拟信号。A/D和D/A转换器主要参数有转换精度(数据位数)和转换速度。

(六)部件类

为实现复杂功能、降低成本和方便应用，将部分通用功能电路整合形成部件。部件在电路中作为独立电气元件使用。电气部件具有相对完整的外壳，对外耦合度小，除了工作电源、公共地和少量接口，通常不需要其它元件配合就能实现需要的功能。因为部件种类繁多，通常用功能方框图描述其工作原理，用部件接口等效电路描述输入输出信号的伏安特性。部件功率和体积大于集成电路，有的内部甚至包含机械结构。部件通常采用标准化模式设计生产，功能和外观都有统一标准，通用性强，使用维护方便。

电气部件

以电路板为核心的部件称为电气部件。通常将常用功能电路整合为通用电气部件，如开关电源、功率放大模块、通讯模块等，需要工作电源提供额定电压时才能正常工作。如果工作电源提供的电压和额定电压偏差太大，使复合部件处于故障的异态。通常用万用表电压档或电流档测量部件的输出判断其好坏。

机电部件

把电气和机械元件整合在一起形成具有完整机电功能的零件，统称为机电部件。用铁磁体做电感的铁芯能够极大增强电感磁场的特征，制造出电磁铁部件，如变压器、电动机、发电机、断路器、扬声器、受话器等。通常在电路原理图中用线圈符号代表线圈。电磁铁线圈在额定电压下有足够电磁力才能正常工作，如果输入电流超过线圈极限值容易烧毁线圈，使电磁铁处于故障的异态。通常用万用表电阻档判断线圈好坏。因为机械结构和运动的可见性，可直观判断其是否正常工作。

两组彼此独立但匝数不同的线圈安装在闭合的铁磁体上，当通过一组线圈的电流变化时，根据法拉第电磁感应原理，在另外一组线圈上感应出与匝数比成正比变化的电流，制造出可以改变输出电压和电流的变压器。

利用电磁铁对铁磁体有磁力的特征，能将电磁能转换为旋转、摆动、直线和振动等机械能，如旋转电动机、直线电动机等。利用运动电磁铁产生电场的特征，再结合旋转机械的工作原理，制造出把机械能转换为电能的发电机。

利用电磁铁结合机械杠杆，制造出可以间接控制的电路开关，如接触器、继电器等。

利用电磁铁对铁磁体有磁力的特征，使机械薄膜上线圈产生电磁力的原理，制造出把电磁能转换为声能的扬声器。利用运动电磁铁产生电场的特征，再结合机械薄膜上线圈震动切割磁力线原理，制造出可以测量震动的元件，如震动传感器、拾音头等。

(七)高频元件类

能在高频电信号下工作的电气元件统称为高频元件。电信号频率越高电磁波无线辐射能力越强。按照电信号频率范围划分为中低频、高频、超高频等。高频元件主要参数为频率特性。

低频电气元件与高频电气元件的频率特性不同。电气元件在低频信号时表现为理想电气元件，在运用和分析高频信号时必须考虑其寄生旁路电容、寄生电感和等效电阻对高频电信号的影响。在高频电路中必须使用专门的高频电气元件。高频电气元件基本上由无源元件、无源网络和有源元件组成的。无源元件主要有高频电阻、高频电容和高频电感，可以组成无源网络。有源元件主要有高频二极管、高频三极管、高频场效应管。高频元件在额定功率和频率范围内才能正常工作，否则使其处于不能工作的异态。通常用万用表的电阻、电容、电感、二极管、三极管档判断其好坏。

(八)功率元件类

能够处理高电压、大电流的电气元件统称为功率元件(又称为电力电子器件)，广泛应用在大功率电能转换行业，是电能/功率处理的核心元件。功率元件是强电回路的枢纽，主要用于电力设备的电能变换，也是弱电控制强电回路的沟通桥梁。功率元件通常将多个分立功率半导体器件整合封装而来，主要功率元件有功率二极管、晶闸管SCR、IGBT、功率场效应管和功率集成电路，用于开关、整流、逆变、变频、调压、变流和功率放大分配的电路中。通常在电路原理图中用功率元件符号和字母代表功率元件。因为功率元件种类较多，通常用功能方框图描述功率元件的工作原理，用功率元件接口等效电路描述其输入输出信号的伏安特性。功率元件按对电路信号的控制程度分为全控、半控及不可控型;按驱动信号类型分为电压驱动型、电流驱动型等。

不同功率元件的承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性不同，常用于家电、新能源和交通等领域。不同领域对功率元件的承受电压要求不一样，家电类一般在600V以下，太阳能逆变器及新能源汽车要求在600V-1200V，而轨道交通要求最高，范围在3300V-6500V之间，工作频率从10Hz-100kHz。功率元件在额定电压和额定功率下才能正常工作，具体应用中要根据不同领域和需求选择合适的功率元件，否则使其处于故障的异态。通常用万用表的二极管档结合三极管档判断功率元件好坏。

功率二极管

能够承受高电压通过大电流的二极管，实际上由面积较大的PN结组成的。二极管有阳极A和阴极K两个端口，属于单向双端元件。主要物理参数有：正向平均电流I、正向压降UF、反向重复峰值电压URRM、反向恢复时间trr等。在电路中常用于整流、箝位和续流。通常用万用表的二极管档判断功率二极管的好坏。根据实际需要，功率二极管有多种封装形式，厂家不同功率二极管产品型号编码也不同。

晶阀管

能够实现单向可控导通的大功率元件叫晶闸管(又称为可控硅)。通常在电路原理图中用晶阀管符号和字母SCR代表晶阀管。晶阀管的阳极A为输入端，阴极K为输出端、控制极G为控制端，属于单向三端元件。主要物理参数有：额定正向平均电流(IF)、正向平均维持电流(IH)、反向阻断峰值电压(VPRU)、控制极触发电流(Ig)、控制极触发电压(Ug)

晶阀管基本工作原理是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。如果在阳极A 加正向电压，控制极G加正向触发脉冲才能使晶闸管导通，但不能关断，当流过阳极A的电流小于维持电流时才能关断。如果流经晶闸管阳极和阴极之间是交流电或脉动直流电，在电流过零时晶闸管会自行关断(请详见相关专业文献)。其本质特征和规律是只有导通和关断两种状态。

晶阀管具有功率放大倍数高、响应快、无噪音、体积小、无触点火花和效率高等优点，也具有静态及动态过载能力较差、容易受干扰而误导通等缺点。在控制系统中实现用小功率控件控制大功率设备功能，反向并联后成为无触点开关，可以代替有触点的接触器。改变晶阀管控制端的导通相位，能够调节通过阳极交流电流的大小。通常用万用表的二极管档结合电阻档判断场效应管好坏。

晶阀管按关断、导通及控制方式分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅(GTO)、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种;按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅;按其电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种;按其关断速度分为普通可控硅和高频可控硅。晶阀管常用作声光控灯、可调压输出直流电源、中频熔炼炉等。根据实际需要，晶阀管有多种封装形式，厂家不同晶阀管产品型号编码也不同。

IGBT模块

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT模块有G为门极，C为集电极，E为发射极三个端口，属于双向三端元件。通常在电路原理图中用IGBT模块符号和字母IGBT代表IGBT模块。主要物理参数有：集电极-发射极额定电压UCE、栅极-发射极额定电压UGE、集电极额定电流IC、集电极-发射极饱和电压UCE、开关频率。

IGBT模块的基本原理是由G和E加正向电压和负向电压来触发和关断IGBT。IGBT内部正负离子均匀分布，半导体材料呈中性。如果在G E两端施加电压，内部电子在电压作用下发生转移后累积到一边形成一层导电沟道，呈导通状态。如果去掉GE两端的电压，导电沟道消失后不再导电，呈绝缘状态(请详见相关专业文献)。其本质特征和规律是一个非通即断的开关，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT主要优点是热稳定性好、安全工作区大。缺点是击穿电压低，工作电流小。在IGBT模块工作额定电压与电源电压相同情况下，集电极电流增大时，产生的额定损耗和开关损耗亦增大，加剧其发热，所以选用IGBT模块额定电流应该大于负载电流，降级使用，否则容易使IGBT模块处于故障的异态。IGBT模块作为大功率主流器件已经广泛应用于功率变换、电动汽车、变频器、工业电机、不间断电源、照明电路、风电与太阳能设备等领域。根据实际需要，IGBT模块有多种封装形式，厂家不同IGBT模块产品型号编码也不同。

功率场效应管

能够承受高电压通过大电流的场效应管(又称VMOS)。功率场效应管有源极S、栅极G和漏极D三个端口，属于单向三端元件。功率场效应管具有较高的开关速度、开启电压高、可靠性、过载能力强和可靠性高的特性，广泛应用在电机调速，开关电源等电路中(请详见相关专业文献)。根据实际需要，功率场效应管有多种封装形式，厂家不同功率场效应管产品型号编码也不同。

功率集成电路

利用微电子加工技术将分立功率半导体器件与驱动、控制、保护、接口、监测等外围电路整合集成在一块芯片上得到功率集成电路(又称为PIC)。功率集成电路具有纵向结构的功率器件，重要功能是处理高电压和大电流，还具有自保护、功率控制、故障诊断等功能(请详见相关专业文献)。广泛应用于电机调速、显示驱动和程控电话交换机中。今后功率集成电路向着高压化(100 ~1200V)和智能化方向发展。根据实际需要，功率集成电路有多种封装形式，厂家不同功率集成电路产品型号编码也不同。

审核编辑：汤梓红