三极管开关电路工作原理解析及三极管的放大区、饱和区、截止区

转载 2017年11月04日 00:08:46

图一所示是NPN三极管的 共射极电路,图二所示是它的特性曲线图,图中它有3 种工作区域:截止区(Cutoff Region)、线性区 (Active Region) 、饱和区(Saturation Region)。三极管是以B 极电流IB 作为输入,操控整个三极管的工作状态。若三极管是在截止区,IB 趋近于0 (VBE 亦趋近于0),C 极与E 极间约呈断路状态,IC = 0,VCE = VCC。若三极管是在线性区,B-E 接面为顺向偏压,B-C 接面为逆向偏压,IB 的值适中 (VBE = 0.7 V),  I C =h F E I B   呈比例放大,Vce  = Vcc -Rc I c = V cc - Rc  hFE IB可被 IB 操控。若三极管在饱和区,IB 很大,VBE = 0.8 V,VCE = 0.2 V,VBC = 0.6 V,B-C 与B-E 两接面均为正向偏压,C-E间等同于一个带有0.2 V 电位落差的通路,可得I c=( Vcc - 0.2 )/ Rc  ,Ic 与 IB 无关了,因此时的IB大过线性放大区的IB 值,   Ic<hFE  IB  是必然的。三极管在截止态时 C-E 间如同断路,在饱和态时C-E 间如同通路 (带有0.2 V 电位降),因此可以作为开关。控制此开关的是 IB,也可以用 VBB 作为控制的输入讯号。图三、四分别显示三极管开关的通路、断路状态,及其对应的等效电路。

 NPN 三极管共射极电路           

              图1   NPN 三极管共射极电路                             图2  共射极电路输出特性曲

                      

              图3、截止态如同断路线图                                  图4、饱和态如同通路

实验:三极管的开关作用

简单三极管开关:电路如图5,电阻RC是LED限流用电阻,以防止电压过高烧坏LED(发光二极管),将输入信号 VIN 从0 调到最大 (等分为约20 个间隔),观察并记录对的 VOUT 以及LED 的亮度。当三极管开关为断路时,VOUT =VCC =12 V,LED 不亮。当三极管开关通路时,VOUT  = 0.2V ,LED 会亮。改良三极管开关:因为三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区,开关的效果不会有明确的界线。为使三极管开关的效果明确,可串接两三极管,电路如图六。同样将输入信号 VIN 从0 调到最大 (等分为约20 个间隔),观察并记录对应的VOUT 以及LED 的亮度。

          
        图5、简单开关三极管电路图                          图6、改良三极管开关电路-达林顿电路图

以上可以看出几乎任何一种型号三极管都可一做为电子开关来使用,如果条件允许也可用来控制加热设备。可见开关三极管只是一个笼统的概念,不过市面上也有少数的专用开关三极管出售.



很多初学者都会认为三极管是两个 PN 结的简单凑合,如下图:

这种想法是错误的,两个二极管的组合不能形成一个三极管,我们以 NPN 型三极管为例,如下图:

两个 PN 结共用了一个 P 区(也称基区),基区做得极薄,只有几微米到几十微米,正是靠着它把两个 PN 结有机地结合成一个不可分割的整体,它们之间存在着相互联系和相互影响,使三极管完全不同于两个单独的 PN 结的特性。三极管在外加电压的作用下,形成基极电流、集电极电流和发射极电流,成为电流放大器件。

三极管的电流放大作用与其物理结构有关,三极管内部进行的物理过程是十分复杂的,初学者暂时不必去深入探讨。从应用的角度来讲,可以把三极管看作是一个电流分配器。一个三极管制成后,它的三个电流之间的比例关系就大体上确定了,如下图所示:

     β 和 α 称为三极管的电流分配系数,其中 β 值大家比较熟悉,都管它叫电流放大系数。三个电流中,有一个电流发生变化,另外两个电流也会随着按比例地变化。例如,基极电流的变化量 ΔI b = 10 μA , β = 50 ,根据 ΔI c = βΔI b 的关系式,集电极电流的变化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ,实现了电流放大。

   三极管自身并不能把小电流变成大电流,它仅仅起着一种控制作用,控制着电路里的电源,按确定的比例向三极管提供 I b 、 I c 和 I e 这三个电流。为了容易理解,我们还是用水流比喻电流,如下图所示:

这是粗、细两根水管,粗的管子内装有闸门,这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流,粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大,闸门就开得越大,相应地流过粗管子的水就越多,这就体现出“以小控制大,以弱控制强”的道理。由图可见,细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。

三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图中的细管、粗管和粗细交汇的管子。如下图所示:

若给三极管外加一定的电压,就会产生电流 I b 、 I c 和 I e 。调节电位器 RP 改变基极电流 I b , I c 也随之变化。由于 I c = βI b ,所以很小的 I b 控制着比它大 β 倍的 I c 。 I c 不是由三极管产生的,是由电源 V CC 在 I b 的控制下提供的,所以说三极管起着能量转换作用。

教材书上都说:

发射极正偏集电极反偏,三极管处于放大状态;

发射极正偏集电极正偏工作在饱和区;

发射极反偏集电极反偏工作在截止区;

发射极反偏集电极正偏工作在反向放大状态。

按老师的方法是:先假设是在饱和区,在计算C E两端的电压,以0.3伏作为饱和区放大区的判断标准(小于则为饱和模式,大于则为放大模式);当c e间电压为无穷大时即为截止区!

另一个说明:三极管的三种状态

三极管的三种状态也叫三个工作区域,即:截止区、放大区和饱和区。

(1)、截止区:三极管工作在截止状态,当发射结电压Ube小于0.6—0.7V的导通电压,发射结没有导通集电结处于反向偏置,没有放大作用。

(2)、放大区:三极管的发射极加正向电压,集电极加反向电压导通后,Ib控制Ic,Ic与Ib近似于线性关系,在基极加上一个小信号电流,引起集电极大的信号电流输出。

(3)、饱和区:当三极管的集电结电流IC增大到一定程度时,再增大Ib,Ic也不会增大,超出了放大区,进入了饱和区。饱和时,Ic最大,集电极和发射之间的内阻最小,电压Uce只有0.1V~0.3V,Uce<Ube,发射结和集电结均处于正向电压。三极管没有放大作用,集电极和发射极相当于短路,常与截止配合于开关电路。

主要是根据两个pn结的偏置条件来决定:

发射结正偏,集电结反偏——放大状态;

发射结正偏,集电结也正偏——饱和状态;

发射结反偏,集电结也反偏——截止状态。

这些状态之间的转换,可以通过输入电压或者相应的输入电流来控制,例如:在放大状态时,随着输入电流的增大,当输出电流在负载电阻上的压降等于电源电压时,则电源电压就完全降落在负载电阻上,于是集电结就变成为0偏压,并进而变为正偏压——即由放大状态转变为饱和状态。当输入电压反偏时,则发射结和集电结都成为了反偏,没有电流通过,即为截止状态。

正偏与反偏的区别:对于NPN晶体管,当发射极接电源正极、基极接负极时,则发射结是正偏,反之为反偏;当集电极接电源负极、基极(或发射极)接正极时,则集电结反偏,反之为正偏。总之,当p型半导体一边接正极、n型半导体一边接负极时,则为正偏,反之为反偏。



转自 电子发烧友 http://www.elecfans.com/yuanqijian/sanjiguang/20091124113512.html

电工电子 刘昆山 http://m.dgdz.net/article20150425115548/aritcle927.html

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