1、图说三极管的三个工作状态抛开三极管部空穴和电子的运动,还是那句话只谈应用不谈原理,希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。三极管是一个以b(基极)电流Ib来驱动流过CE的电流Ic的器件,它的工作原理很像一个可控制的阀门。图1左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大,就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大,也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100,那么当蓝色小水流为1千克/小时,那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样,放大倍数为100时,当Ib(基极电流)为1mA时,就允许100mA的电流通过Ice。有了这个形象的解释之后
2、,我们再来看一个单片机里常用的电路。图2我们来分析一下这个电路,如果它的放大倍数是100,基极电压我们不计。基极电流就是10V&pide;10K=1mA,集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律,这样Rc上的电压就是0.1A50=5V。那么剩下的5V就吃在了三极管的C、E极上了。好!现在我们假如让Rb为1K,那么基极电流就是10V&pide;1K=10mA,这样按照放大倍数100算,Ic就是不是就为1000mA也就是1A了呢?假如真的为1安,那么Rc上的电压为1A50=50V。啊?50V!都超过电源电压了,三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图:图3我们还是用水管流水来比喻电流,当这个
3、控制电流为10mA时使主水管上的阀开大到能流过1A的电流,但是不是就能有1A的电流流过呢?不是的,因为上面还有个电阻,它就相当于是个固定开度的阀门,它串在这个主水管的上面,当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时,水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了,因此,下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V/50=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大,当基极电流Ib增大到2mA时,集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时,集电极电流已不会再增大,就在200mA不动了。此时上面那个电阻
4、也就是起限流作用了。上面讲的三极管是工作在放大状态,要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中,我们从Q的基极注入电流IB,那么将会有电流流入集电极,大小关系为:IC=IB。而至于BJT发射结电压VBE,我们说这个并不重要,因为只要IB存在且为正值时,这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.51.2V,一般的管子取0.7V左右),也就是我们所讲的发射结正偏。既然UBE是固定的,那么,如果BJT基极驱动信号为电压信号时,就必须在基极串联一个限流电阻,如图5。此时,基极电流为IB=(Ui-UBE)/RB。一般情况省略RB是不允许的,因为这样的话IB将会变得
5、很大,造成前级电路或者是BJT的损坏。图4、图5接下来进入我们最关心的问题:RB如何选取。前面说到过IC=IB,为了使晶体管进入饱和,我们必须增加IB,从而使IC增大,RC上的压降随之增大,直到RC上几乎承受了所有的电源电压。此时,UCE变得很小,约0.20.3V(对于大功率BJT,这个值可能达到23V),也就是我们所说的饱和压降UCE(sat)。如果达到饱和时,我们忽略UCE(sat),那么就有IC*RL=*IB*RL=Vcc。也就是只要保证IBIC/或IBVcc/(RL)时,晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据:Vcc=5V,=200,RL=100。那么要求IB5/(200100)A
6、=0.25mA。如果Ui=5V,那么取RB(Ui-UBE)/IB(5-0.7)/0.25k=17.2k就能满足要求了。但是,实际上,对于这种情况,如果取一个10k以上的电阻都可能导致BJT无法进入饱和状态。这是为什么呢?因为我们的器件不是理想的,我们在来看下面一个图。这是我们常用的一款小信号BJT,型号为MMBT3904的直流电压增益曲线。从图中可以看出,BJT的共射极直流电压增益hFE(也就是通常意义下的)不仅是温度的函数,而且与集电极电流有关。在一定的集电极电流围,hFE基本为常数;当集电极电流大于一定值时,hFE将急剧下降。产生这一现象的机理我们在这里就不讨论了。我们在使用BJT作为开关
7、时,大多数情况下用于驱动外部负载,如LED、继电器等,这些负载的电流一般较大,此时hFE已经下降到远小于我们计算时使用的那个值。如前面的例子,如果这个BJT为MMBT3904,集电极电流达到近50mA,此时的(或hFE)已经下降到只要100左右了,计算基极电阻时使用的也应该取100而不是200。而实际应用中,IB并不是越大越好,因为IB对外电路来说是没有实质作用的,它仅仅是维持BJT可靠导通的必要条件。IB越大,驱动部分的损耗也就越大,从而降低了电路的效率。而且IB越大还会影响三极管的开关速率,这个我们后面再深究。电子元件基础之三极管静态工作点我们都知道,三极管的工作状态有三个,截止区,放大区
8、,饱和区。那么三极管工作在什么工作状态是由什么决定的呢?是由基极电流(Ib)来决定的,和其他因素完全没有关系。如果Ib=0,则三极管工作在截止区。如果0IbUS时导通。(简单认为)UG=US时截止。P沟道:UG但UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢?这要看具体的MOS管,不同的MOS管要求的压差不同。比如笔记本上用于信号切换的MOS管:N7002,2N7002E,2N7002K,2N7002D,FDV301N等。UG比US大3V-5V即可。隔离作用如果我们想实现线路上电流的单向流通,比如只让电流由A-B,阻止由B-A,请问该怎么做?但这样的做法有一个缺点,二极管上会产生一个压降,损失一些电压信号。而使用MOS管做隔离,在正向导通时,在控制极加合适的电压,可以让MOS管饱和导通,这样通过电流时几乎不产生压降。下面我们来看一个防电源反接电路。这个电路当电源反接时NMOS管截止,保护了负载。电源正接时由于NMOS管导通压降比较小,几乎不损失电压,比在电源端加保险管再在负载并联一个二极管的方案好一些。
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