基础电路课程-三极管

注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。

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三极管，在实际产品开发中，使用很广泛。 本节课重点给大家介绍以下三极管。

     

课程内容目录：

1.三极管理论

2.三极管选型

3.产品应用

 

一、三极管理论

1.  三极管的定义

三极管,又称为“晶体管”，或 “双极型晶体管”，具有信号放大和开关作用。

为什么叫三极管？ 因为有3个极，如下图：基极、集电极、发射极；

     

下面我们就从三极管的内部构造进一步了解三极管的特性；

 

2.  三极管的构造 

（本部分内容，纯属理论，需要大家调整好心态，多看2-3遍）

三极管内部是由2个PN结组成的，按照结构不一样，分为NPN 和PNP 2种三极管。  

晶体三极管按照制造材料的不同 分为硅管和锗管。

 

3.  三极管的工作原理 

①三极管工作原理透析

以上介绍了三极管的构造，接下来我们在三极管构造的基础上，进一步学习三极管的工作原理。

       

电路说明:(工作条件)

• VBB：是加载基极和发射极的电压
• VCC:  加载在集电极和发射极的电压
• RBRC 限流电阻

电路分析：

VBB为基极电源电压，用于提供发射PN结正偏电压；

VCC为集电极提供电源电压，集电极PN结处于反向偏置状态；

由于发射PN结处于正向偏置状态，所有发射极的自由电子（多子）就会同通过PN结流向基极，然后再通过RB，流回VBB正极，形成回路；形成了电流Ib

由于发射机掺杂的浓度很高，所以有大量的自由电子通过发射极PN极到达基极，由于基极很薄，只能吸收少量的电子，大多数的自由电子会闲置在三极管的基极；

由于三极管的集电极连接电源VCC。  VCC电源的带正电的空穴比较多，而三极管的集电极的自由电子比较多，所以集电极的自由电子就会向VCC的电源正极移动，和电源正极的空穴进行复合。 而VCC的电源正极的空穴数量非常多，所以就需要三极管的集电极，不断的提供自由电子给VCC电源正极，而集电极的自由电子是有限的，所以三极管的集电极就会向它的邻居-（三极管的基极）借自由电子，而基极的由于VBB的作用下，正好有大量的闲置的自由电子，所以基极闲置的自由电子就会穿过（漂移）集电PN结电，给集电极补充自由电子。    于此同时VCC的电源负极的自由电子比较多，会给发射极补充自由电子，然后形成电流IC ;

总结：

三极管需要导通的条件

1. 基极和发射极之间的Vbb 一定要基极PN结正向偏置。硅管：0.5-0.7V  锗管：0.1-0.3V;

为了方便大家的理解。我们可以把基极看作是一个水龙头，用来控制集电极和发射极是否导通的。利用这个原理，三极管大量的应用在开关电路中。

②PNP三极管的介绍：

PNP三极管的应用，相比NPN三极管要少一些。

以上是PNP三极管工作原理图，PNP和NPN三极管的工作原理是一样的，只不过各电极端的电压极性和电流流向 是相反的。

③输入输出 伏安特性曲线分析：NPN（有兴趣可以了解，建议跳过）

输入伏安特性曲线，主要是BE两端的加载的电压和电流的关系曲线图。

CE两端的电压固定的时候，BE两点的电流和电压变化的时候的曲线图。

如下图，三极管的输入特性曲线图和 二极管的比较类似。这个是正常的，因为三极管的本质就是PN结结构。

当CE从0依次不断的增加到1V，曲线会由左向右边移动，等CE两端的电压大于1V后，曲线向右移动的距离很小，可以近似认为和CE = 1的曲线重合。

总结：

1. Uce的电压不一样（0-1V），Ube导通的电压不一样；Uce越大，Ube开始导通的
2. Uce的电压大于1V的时候。CE对ib的电流 变化，基本没有影响

②输出伏安特性曲线分析：（理解节课，不要深入研究）

输出伏安特性曲线： 主要是分析三极管CE两端的电流ic 和Uce的变化曲线。NPN

曲线说明：

1. 先分析输入iB固定的时候，iC 对着Uce两端电压的变化的曲线。
2. 我们依次测试ib = 0；ib依次增大的曲线图。

分析：

• 当iB = 0时，Ic = Iceo，由于Iceo很小，输出的特征曲线时一条几乎和x轴重合的直线。

通常讲ib<= 0的区域称为截至区；

• 当Uce比较小，而且小于Uce时，Uce = Uce – Ube < 0;三极管的集电极处于正向偏置状态。

ic的增加迅速上升与ib不成比例。这个区域称为饱和区。

• 灯UCE约等于UBE的时候，定义为放大区和饱和区的分界点，叫做临界饱和。在饱和区三极管的发射结和集电结均处于正偏。  三极管C、E之间的压降很小（Uce < Ube）。把三极管工作在饱和区时，C、E之间的压降称为饱和压降，记作 UCE. 小功率的三极管的Uce < 0.3V
• 截至区和饱和区时间的区域称为放大区。

④通过仿真，学习并理解 三极管的截止状态，放大、以及饱和状态。

电路一：

电路说明：

Q1: NPN三极管  2N5551

LED1:  红色LED灯

R2： 1K;

R4:    10K; 限流电阻

R1:     10K 可调电阻   

VDD:   DC12V;

实验说明：

通过调节可调电阻改变R1的百分比，改变R4左端的电压，从而改变三极管的基极供电电压；

实验结果分析：

通过调节R1控制输入三极管Q1基极的电压，输入的电压小于三极管导通电压的时候，三极管截止；当输入基极的电压大于三极管导通电压的时候，三极管Q1导通，进入放大区状态，LED1亮。随着输入基极的电压不大的增加，基极的电流逐渐增大，三极管进入饱和区，流过的电流最大， 亮度保持不变；

可调电阻从100%调至0过程中，可以是Q1依次进入截止区，放大区，和饱和状态。

从大到小调节电位器接入基极电路的电阻阻值，即将电位器从100%调到0，可使三极管依次进入截止、放大、饱和区状态。

通过模拟示波器观察CE两端的电压，当三极管完全导通后，CE两端的电压很小，所以三极管可以作为开关作用。  关的时候，三极管处于截止状态，开的时候，三极管处于饱和区，我们需要尽可能避免开关作用的时候，三极管处于放大区；如何避免？基极的供电电压足够大。

问题分析：

Q1的作用的是开关，开关作用只有两种状态，完全截止和完全导通，但以上电路存起 半导通状态，导致开关效果没有一个明显的分界线。

⑤达林顿开关电路：（扩展知识：简单了解）

为了处理以上的问题，达林顿发明了以下电路，以下电路称为达林顿开关电路

我们通过仿真的方式来分析以上的电路。

通过仿真，可以看出，Q2三极管的截止和导通有一个明显分界线，可以处理以上的问题。

达林顿开关电路的应用；  BATA指的是电池电压,VCC=3.3V,经过测试BATA低于6V的时候，Vlot_Low 由高电平编程低电平；

 

4.  三极管分类

• 按照PN的结构:   
• NPN 三极管  
• PNP三极管  
• 按照材料工艺分类：
• 硅三极管 0.6V   
• 锗三极管 0.2V      
• 按照安装方式：
• 贴片的
• 插件的
• 按照工作频率分类
• 低频管  < 2MHZ
• 中频率  2-30MHZ
• 高频率  30-500 MHZ
• 超高频率  > 500Mhz
• 按功率分类：
• 小功率    PCM< 0.5 w
• 中功率   0.5 <  PCM< 1 w
• 大功率   PCM> 1 w

 

5.  三极管的参数

HEF:   电流放大系数  

VBE(sat): 基极-发射极饱和电压

VCE(sat)：集电极-发射极饱和电压

ICBO:   集电极-基极反向饱和电流

ICEO:   集电极-发射极穿透电流

ICM:   集电极最大允许电流

U(BR)CEO:   集电极-发射极反向击穿电压

PCM    ：功率

 

6.  三极管的规格书

通过规格书进一步了解相关的参数

 

 

二、三极管选型

电子产品中，最常用的就是三极管的开关作用。三极管的放大作用很少用到。

三极管用作开关作用，我们在产品开发的过程中的三极管的选型需要注意那些事项？

1. 三极管的安装方式和封装

安装方式：贴片、和插件的。由于插件的人工成本较高，目前很少使用，基本都使用贴片的

插件封装-    TO-92-3、 TO-220、TO-225-3…..

贴片三极管的封装：SOT-23、SOT23-6 SOT-89  SOT-223   SOT-252…. 

 

封装越大，支持的开关电流越大

 

2. 工作频率

工作频率主要是在高速信号快速切换电路、或射频电路中。一般不需要考虑。

3. 电流控制电路中：

在开关电路中，如果控制的是电源

需要注意支持的最大电流，封装越大，支持的电流越大

4. 通用性

在产品开发过程中，最常用的三极管包括 8050  8550 9014 9013或其替代型号。其他型号使用的较少。 如果一个产品设计中，由多个型号的三极管使用的时候，建议直接替换。这样可以增加采购物料的仓库成本和压力。

 

三、产品应用(重点)

1.  应用电路1，开关作用，控制LED灯

电路说明：

LED_WIFI: 单片机控制IO口

VCC_3.3V: DC3.3V

Q6: 控制三极管

R29：10K    R24:4.7K    R22:150R

电路分析：

LED_WIFI输出高电平：  3.3V  通过R24 和R29分压。 Q6基极的电压大于1V. 实际电压电压大概0.7V 左右，三极管的基极和发射机之间的PN结，由钳位左右。 此时Q6导通，处于饱和区，LED1亮；

LED_WIFI输出低电平：Q6  截止，Q6不导通，LED1 不亮 

 

2.  应用电路2，PNP三极管开关作用分析

以下电路时通过PNP三极管控制的LED的电路；

电路说明：

MCU_LED: 单片机控制IO口

+3.3V: DC3.3V

Q3:  PNP三极管 8550

R23：500R     R22:150R

电路分析：

MCU_LED输出高电平： Q3 截止  LED1灭

MCU_LED输出低电平： Q3 导通 饱和  LED1亮

 

3.  应用电路3，开关作用，高频电路

如下图：是一个OOK的无线发射电路，以下电路中，有两个三极管Q4、Q5;

Q5的型号是 9014/SOT-23     Q4的型号是3356/SOT-23.

分析以上电路：

• Q4  和Q5的作用都是开关作用。 那Q5是否可以替换Q4?

Q4 的  fT  < 150MHz        Q5 的  fT  < 7GHz    

我们在重点分析一下以上的电路：

Y1是一个有源晶振 频率是433.92Mhz。通过电源脚3 供电，2脚会产生一个433.92Mhz的方波。

如果Q5导通到GND。 则Q4的发射极接GND,Q4的集电极，经过电感L2 L1 供电，所有Q4可以正常工作。     Q4的基极有以433.92Mhz的开关频率打开和关闭三极管，所以Q4的开关频率很高，需要满足fT    大于 433.92MHz。     而Q5最大的  fT   是150MHz，不能满足要求，所以Q5不能替代Q4。

在过认证的时候，有三极管的频率有要求，建议选择合适的频率即可。

Q5三极管的主要作用是控制Q4是否正常工作，如果Q5的基极是高电平，则三极管导通，有433.92MHz的数据， 否则无数据；  Q5的开关频率在实际开发中，不大于1M，所以Q5的频率可以满足要求。

那Q4可以替换Q5嘛？

当然可以。不过Q4属于超高频三极管，价格过于昂贵，价格节约￥0.1 -0.4. 而Q5的价格是 ￥0.05 左右。由于成本问题，不建议用Q4替换Q5

 

4.  应用电路4，大功率三极管的应用

以下电路是一个控制LED灯发光的电路.

电路说明：

MCU_LED : 由单片机IO口控制

Q2: NPN  8050

Q1: PNP  TIP42C

LED1 – LED18 : 白发红  5mm   VF :约 2V;   IF : 20mA

按照以上的电路分析：

LED1 和LED2消耗的电压是4V 所以R3两端的电压是12-4 = 8V   IR3 = U/R = 16mA

16 * 8mA = 128mA;

8050的支持的导通电流是 100mA 不能满足要求。所以要选择大功率的三极管；

疑问：

为什么不用单片机直接控制Q1;

5.  应用电路5，串口电平转换电路

电路说明：

由于我们4G模块串口通讯的高电平是1.8V. 而STM32单片机是3.3V .两个电压不匹配，所以我们就需要考虑电平的转化；

 

 

四、习题：

习题1：三极管用做的开关使用的时候，开和关分别工作在什么区？

习题2：三极管NPN和PNP 做开关使用的时候，打开和关闭的工作条件是什么？并说明电流的流向

习题3：选择三极管的时候，需要注意那些参数？

习题4：简单的描述三极管的3个工作区，可以比喻说明。

 

 

参考答案：

习题1：三极管用做的开关使用的时候，开和关分别工作在什么区？

打开：  工作在完全饱和区

关闭：  工作在完全截止区

 

习题2：三极管NPN和PNP 做开关使用的时候，打开和关闭的工作条件是什么？并说明电流的流向。

NPN:

打开的条件:  VB  >=  VE +   VBE(sat)           

关闭的条件：VB  <=  VE

电流： B ->E    C->E

PNP:

打开条件: VE  >  VB +   VBE(sat)

关闭条件: VE  <=  VB

电流： E ->B    E->C

 

习题3：选择三极管的时候，需要注意那些参数？

VBE(sat)   ：三极管饱和导通BE的压差

VCE(sat)   ：三极管饱和导通CE的压差     

IC:  集电极支持电流

fT:    工作频率

V(BR)EBO    V(BR)CEO   V(BR)CBO作等其他参数 有一定的了解即可。

习题4：简单的描述三极管的3个工作区，可以比喻说明。

关于三极管的3个工作区，用水龙头开关来比喻是非常恰当的。

截止区：水龙头完全关闭

放大区：水龙头缓缓的打开

饱和区：水龙头完全打开