图解晶体三极管的工作状态
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,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0.1A×50Ω=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1A×50Ω=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
我们还是用水管内流水来比喻电流,当这个控制电流为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&pide;50Ω=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=βIB 。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0.5~1.2V,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=βIB,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0.2~0.3V(对于大功率BJT,这个值可能达到2~3V),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ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保证IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)时,晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据:Vcc=5V,β=200,RL=100Ω。那么要求IB≥5/(200×100)A=0.25mA。如果Ui=5V,那么取RB≤(Ui-UBE)/IB≈(5-0.7)/0.25kΩ=17.2kΩ就能满足要求了。但是,实际上,对于这种情况,如果取一个10kΩ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β)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范围内,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β(或hFE)已经下降到只要100 左右了,计算基极电阻时使用的β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,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。
壹芯微科技针对二三极管,MOS管作出了良好的性能测试,应用各大领域,如果您有遇到什么需要帮助解决的,可以点击右边的工程师,或者点击销售经理给您精准的报价以及产品介绍
工厂地址:安徽省六安市金寨产业园区
深圳办事处地址:深圳市福田区宝华大厦A1428
中山办事处地址:中山市古镇长安灯饰配件城C栋11卡
杭州办事处:杭州市西湖区文三西路118号杭州电子商务大厦6层B座
电话:13534146615
企业QQ:2881579535
深圳市壹芯微科技有限公司 版权所有 | 备案号:粤ICP备2020121154号