晶体管三极管开关电路及应用完整电子教案.docx

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晶体管三极管开关电路及应用完整电子教案

晶体管三极管开关电路及应用（完整电子教案）

2.1晶体管电流放大特性

【项目任务】

测试电路如下图2.1所示，调节可变电阻，改变三极管B点电流。

观察电流表A1和A2的变化过程。

归纳三极管B点电流与C点电流关系。

图2.1三极管电流放大测试电路

【信息单】

晶体管实物如图2.2所示。

图2.2晶体管实物

1.晶体管的结构与电路符号　

半导体晶体管由于在工作时半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用，所以属于双极型器件，也称双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT）。

晶体管的种类很多，按照半导体材料的不同，可分为硅管、锗管；按功率分为小功率管、中功率管和大功率管；按照频率分为高频管和低频管；按照制造工艺分为合金管和平面管等。

通常按照结构的不同分为两种类型：

NPN型管和PNP型管。

图2.3给出了NPN和PNP管的结构示意图及其图形和文字符号，符号中的箭头方向是晶体管的实际电流方向。

文字符号有时也采用大写。

图2.3晶体管的结构示意与图形和文字符号

2.晶体管的判别

要准确地了解一只晶体管的类型、性能与参数，可用专门的测量仪器进行测试，但一般粗略判别晶体管的类型和引脚，可直接通过晶体管的型号简单判断，也可利用万用表测量的方法判断。

下面具体介绍其型号的意义及利用万用表简单测量的方法。

⑴晶体管型号的意义　

晶体管的型号一般由五大部分组成，如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。

下面以3DG110B为例来说明各部分的命名含义。

①第一部分由数字组成，表示电极数。

“3”代表晶体管。

②第二部分由字母组成，表示晶体管的材料与类型。

A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。

③第三部分由字母组成，表示晶体管的类型，即表明管子的功能。

④第四部分由数字组成，表示晶体管的序号。

⑤第五部分由字母组成，表示晶体管的规格号。

⑵判别晶体管的引脚、管型及好坏　

晶体管的引脚必须正确辨认，否则，不但接入电路不能正常工作，还可能烧坏晶体管。

当晶体管上标记不清楚时，可以用万用表来初步确定晶体管的类型（NPN型还是PNP型），并辨别出e、b、c三个电极。

测试方法如下。

①用指针式万用表判断基极b和晶体管的类型。

将万用表欧姆挡置“R×100”或“R×lk”处，先假设晶体管的某极为“基极”，并把黑表笔接在假设的基极上，将红表笔先后接在其余两个极上，如图2.4所示。

如果两次测得的电阻值都很小（约为几百欧至几千欧），则假设的基极是正确的，且被测晶体管为NPN型管；如果两次测得的电阻值都很大（约为几千欧至几十千欧），则假设的基极是正确的，且被测晶体管为PNP型管。

如果两次测得的电阻值是一大一小，则原来假设的基极是错误的，这时必须重新假设另一电极为“基极”，再重复上述测试。

图2.4晶体管基极的测试

②判断集电极c和发射极e。

仍将指针式万用表欧姆挡置“R×100”或“R×lk”处，以NPN管为例，把黑表笔接在假设的集电极c上，红表笔接到假设的发射极e上，并用手捏住b和c极（不能使b、c直接接触），如图2.5所示，通过人体相当b、c之间接入偏置电阻，读出表头所示的阻值，然后将两表笔反接重测。

若第一次测得的阻值比第二次小，说明原假设成立，因为c、e间电阻值小说明通过万用表的电流大，偏置正常。

图2.5晶体管集电极、发射极的判别

2.晶体管的电流放大特性

通过图2.1的仿真测试实验，可发现：

当基极电流IB、集电极电流IC、发射极电流IE在一定范围内变化时，根据广义节点电流定律，不仅满足IE=IB+IC，同时从IC/IB的值，基本维持在100左右，即：

。

体现了对直流电流的放大作用，其中

称为直流放大系数；通过计算，集电极电流的变化量ΔIC与基极电流的变化量ΔIB的比值也基本为一常值，且该比值反映了晶体管对交流信号的放大，所以把这个比值称为晶体管的交流放大系数，且通过测试发现，同一个晶体管的直流放大系数和交流放大系数基本一致，在忽略误差的前提下，可以把这两种放大倍数视作相同，即统一用

表示晶体管的放大倍数，简称晶体管的电流放大倍数。

一般晶体管的电流放大倍数

为几十到两百之间。

【训练与提高】

测试电路如图2.1所示，把R2电阻修改成3KΩ，再调节可调电阻，观察A1和A2电流表读书。

判断可调电阻在什么阻值范围内变化时，

公式还是成立；当可调电阻超出上述范围后，为什么IC电流和IB电流不再成比例关系。

2.2晶体管伏安特性与开关特性

【项目任务】

测试电路如下图2.6所示，RX2可调电阻取300KΩ，RX1取5KΩ。

当选取RX2值后固定不变，调整RX1，读取A1和A2电流表度数，并记录V1电压从0-5V的变化过程；在调整RX2新阻值，用同样的方法测量电路参数。

调整RX2参数5次，绘制IB、IC及UCE的曲线关系。

图2.6晶体管伏安特性与开关特性

【信息单】

1.晶体管伏安特性曲线

⑴输入特性曲线

输入特性曲线是指当集电极与发射极之间电压UCE为常数时，输入回路中加在晶体管基极与发射极之间的发射结电压uBE和基极电流iB之间的关系曲线，如图2.7所示。

用函数关系式表示为:

⑵输出特性曲线

输出特性曲线是在基极电流iB一定的情况下，晶体管的集电极输出回路中，集电极与发射极之间的管压降uCE和集电极电流iC之间的关系曲线，如图2.8所示。

用函数式表示为

图2.7晶体管的输入特性曲线图2.7输出特性曲线

①截止区

习惯上把iB≤0的区域称为截止区，即iB＝0的输出特性曲线和横坐标轴之间的区域。

若要使iB≤0，晶体管的发射结就必须在死区以内或反偏，为了使晶体管能够可靠截止，通常给晶体管的发射结加反偏电压。

②放大区

在这个区域内，发射结正偏，集电结反偏iC与iB之间满足电流分配关系iC＝βiB＋ICEO，

输出特性曲线近似为水平线。

③饱和区

如果发射结正偏时，出现管压降uCE＜0.7V（对于硅管来说），也就是uCB＜0的情况，称晶体管进入饱和区。

所以饱和区的发射结和集电结均处于正偏状态。

饱和区中的iB对iC的影响较小，放大区的β也不再适用于饱和区。

2.晶体管的开关特性

从上述可知，当UC>UB>UE时，三极管集的电极电流与基极电流成

关系，而且调整RX1电阻（集电极电阻），使UCE从0-5V变化，此时的IC值已最大。

即：

当UC>UB>UE时，集电极电流IC最大值。

所谓晶体管的开关特性是指，当UC>UB>UE时，集电极到发射极相当于有大电流流过，UCE=0V，电源电压全部作用于集电极电阻上；当UC>UB=UE时（或UC>UE>UB）时，集电极无电流流过，即IC=0A，相当于晶体管的集电极与发射极断开，UCE等于电源电压。

所以，我们可以通过控制基极B点电位，改变集电极与发射极UCE的电位。

例如，当UB=0.7V（或UB>0.7V）时，UCE=0V，但此时流过的电流小于放大区电流；当UB=0V（或UB<0.7V）时，UCE=5V（电源电压）。

晶体管实现开关特性时，工作包河区。

【训练与提高】

测试电路如下图2.8所示，调节电路参数，是该电路处于开关状态，并通过电压表、电流表验证。

图2.8晶体管伏安特性与开关特性

2.3小功率太阳能草坪灯控制电路分析

【项目任务】

以光敏电阻为光感器件（GL7516，其亮特性电阻值为10KΩ，暗特性电阻值0.5MΩ），驱动功率为150mW的LED太阳能草平灯工作。

【信息单】

1．三极管直流放大电路分析

三极管能对直流电流和交流电流进行放大。

三极管直流放大电路分析也称为静态分析。

静态分析的目的就是要计算静态时电路中晶体管的直流电压和直流电流值。

因为晶体管的输出特性分为放大区、饱和区、截止区，其中只有放大区才有稳定的放大作用。

三极管交流放大电路分析称为动态分析。

三极管的交流放大是在直流放大基础上进行的。

所以对三极管的交流放大电路分析首先要分析直流通路，保证电路处于放大区。

下图为一直流放大电路。

图2.9直流放大电路

由电路可知：

由回路方程可知：

所以，该三极管的静态工作点为：

2.太阳能草坪灯系统结构

电路结构如下图2.10所示，电路主要由开关电路和驱动电路组成。

驱动电路由三极管电流放大特性驱动LED获得较大电流，点亮LED，其三极管处于放大区；开关电路接收光敏电阻的变化，使晶体三极管处于导通和截止状态，实现开关功能。

图2.10晶体管伏安特性与开关特性

3.电路参数设置

（1）驱动电路参数设置

驱动电路要使150mW的LED灯点亮，必须使Q2三极管的集电极流过50mA的电流，则基极要产生500uA电流（三极管电流放大倍数100）。

当Q2三极管处于导通放大区时，基极电位必须大于0.7V，所以当3点电位达到1.5V时，要驱动LED点亮，则R2的电阻流过的电流超过500mA，那么R2电阻应该小于1.4K电阻，在此R2电阻选择1K。

同时为了LED获取更多电能，R4选择0Ω；如果Q2的ICE电流过大，R4可以实训限制电流作用。

（2）开关电路参数设置

按）驱动电路分析，Q1的集电极电位高于1.5V驱动LED点亮；当Q1的集电极电位低于1.5时，LED熄灭。

为了保证电路工作正常，当开关电路导通，Q1集电极输出0V（或低于0.7V），当开关电路截止时，Q1集电极输出大于1.5V。

由于采用光敏电阻GL7516，其亮特性电阻值为10KΩ，暗特性电阻值0.5MΩ。

为了使白天Q1三极管导通，晚上Q1三极管截止，必须在开关电路的1点设置白天大于0.7V和完善低于0.7V的电压。

同时为了降低整个电路的工作电流，降低损耗，流过Q1三极管基极电流尽可能小，所以这里假定R1、R5为100KΩ电阻。

当白天时，光敏电阻阻值为10KΩ，为了使Q1导通，R6电阻取200KΩ，R3取5KΩ，此时Q1的集电极输出电位在0.7V以下。

晚上时，由于光敏电阻阻值上升（500KΩ）,1点电位降低，当低于0.7V时，Q1三极管截止，R3和R2的电流要大于50mA，则R2+R3<8KΩ。

【训练与提高】

1.完成上述电路调试，能正常运行。

2.估算该电路1天约耗多少电能，调整参数使该电路最节能。

2.4大功率太阳能草坪灯控制电路分析

【项目任务】

以太阳能电池为光敏器件，采用级联方式或复合管方式，驱动功率为1W的LED太阳能草平灯工作。

【信息单】

从前一节中可知，要实现大功率LED驱动，必须增加流过LED的工作电流，即增加三极管集电极的输出电流。

下面我们讨论复合管电路如何提高集电极电流。

1.复合管放大电路

复合管可由两个或两个以上的三极管组合而成。

它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成。

无论由相同或不同类型的三极管组成复合管时，首先，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入电流的实际方向一致。

其次，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正偏，集电结反偏，使两管都工作在放大区。

下图2.11为NPN型与NPN型三极管的复合管测试仿真电路。

各三极管电流放大倍数为100。

从仿真结果来看，最后电流放大倍数约等于10000被。

可得：

复合管电流放大倍数等于各三极管电流放大倍数之积。

图2.11NPN复合管仿真电路

下图2.12为同类型晶体管组成的复合管，而且复合管类型与第一个晶体管类型相同类。

图2.12复合管电路

1.太阳能电池为光感器件的太阳能草坪灯电路

在图2.12太阳能草坪灯电路中不再用光敏电阻检测光线强弱来控制电路的工作与否，而是用太阳能电池兼做光线强弱的检测，因为太阳能电池本身就是一个很好的光敏传感器件。

电路工作原路如下:

当有阳光照射时，太阳能电池发出的电能通过二极管D1向蓄电池V2充电，同时太阳能电池的电压也通过R1加到BG1的基极，使Q3导通，Q2、Q1截止，LED不发光。

当黑夜来临时，太阳能电池两端电压几乎为零，此时Q3截止，Q2、Q1导通，蓄电池中的电压通过J、R2加到LED两端，LED发光。

在本电路中太阳能电池兼做光控元件，调整R1的阻值，可根据光线强弱调整灯的工作控制点。

该电路的不足是没有防止蓄电池过度放电的电路或元件，当灯长时间在黑暗中时，蓄电池中的电能会基本耗尽。

开关J就是为了防止草坪灯在存储和运输当中将蓄电池的电能耗尽而设置的。

图2.13级联太阳能草坪灯电路

【训练与提高】

1.把图2.14的级联太阳能草坪电路改成复合管电路，如图2.14所示。

调试电路，使电路正常运行。

2.如果把图2.14的蓄电池电压修改为3.6V，光伏电池为4V，调整参数，使电路正常运行。

图2.14复合光太阳能草坪灯电路