三極管基本電路原理和檢修

劉路路發(fā)布于2022-06-28 11:55 50 2 標(biāo)簽：三極管

三極管是三端、電流控制器件。較低的輸入阻抗(發(fā)射結(jié)可等效為一只電阻，需有實(shí)實(shí)在在的電流流通，三極管才能導(dǎo)通，因而要求信號(hào)源有電流輸出能力)，挑信號(hào)源;較高的輸出阻抗(挑負(fù)載，要求負(fù)載阻抗>>電路本身輸出阻抗，輸出電壓降才能落實(shí)到負(fù)載上)。在Ic受控于Ib的受控區(qū)內(nèi)，工作于可變電阻區(qū)，為線(xiàn)性放大器(模擬電路);在Ic不受Ib控制的開(kāi)關(guān)區(qū)，為開(kāi)關(guān)電路(數(shù)字電路)。

上文中Ic指三極管集電極電流;Ib指三極管基極電流。

1、三極管基本工作原理

三極管是個(gè)簡(jiǎn)稱(chēng)，全稱(chēng)為晶體三體管，早期以鍺材料制作的為多，因其熱穩(wěn)定性差漏電流(電磁噪聲)大而被淘汰，現(xiàn)在應(yīng)用的都是硅材料晶體三體管。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，由三極管分立元件構(gòu)成的放大器、邏輯電路已近于絕跡，但做為執(zhí)行電路的末級(jí)驅(qū)動(dòng)器件，如直流繼電器線(xiàn)圈和風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)、IGBT的末級(jí)驅(qū)動(dòng)(此處三極管僅僅作為開(kāi)關(guān)來(lái)應(yīng)用，如控制風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)、繼電器的動(dòng)作等)等，大部分電路仍然繼續(xù)采用三極管器件。所以由三極管構(gòu)成的線(xiàn)性放大器，已經(jīng)無(wú)須多加關(guān)注，僅需關(guān)注其開(kāi)關(guān)應(yīng)用即可以了。其原因?yàn)椋?dāng)一片四運(yùn)放集成電路的價(jià)格與單只小功率三極管的價(jià)格相接近時(shí)，恐怕已經(jīng)沒(méi)有人再愿意用數(shù)只甚至更加龐大數(shù)量的三極管來(lái)搭接線(xiàn)性放大器了，從性?xún)r(jià)比、電路性能、體積等任何一點(diǎn)考慮，三極管都貌似是永遠(yuǎn)失掉了它的優(yōu)勢(shì)。

2、電路示例1——原理分析

雖然如此，為了更好地理解由三極管為核心構(gòu)成的放大或開(kāi)關(guān)電路，我?guī)ьI(lǐng)大家設(shè)計(jì)一款最基本的三極管偏置電路，由對(duì)此簡(jiǎn)易電路的分析，找到分析三極管電路原理的關(guān)鍵所在。

已知：供電電源電壓Vcc=10V;三極管β=100;

要求：靜態(tài)Ic=1mA;靜態(tài)Vc(三極管集電極電壓)=5V?？芍@是一款簡(jiǎn)易單電源供電的小信號(hào)放大器。為了不失真輸出信號(hào)電壓(有較好的動(dòng)態(tài)范圍)，通常將靜態(tài)Vc設(shè)置為Vcc 的1/2，那么動(dòng)態(tài)輸出則是以5V為零點(diǎn)的上、下浮動(dòng)的變化電壓(如圖1所示)。

電路設(shè)計(jì)：由電源電壓=10V和Vc=5V、Ic=1mA三個(gè)條件，得出Rc值。10V-5V/1mA=5k;由β=100，第一步得出Ib=10μA;第二步若忽略發(fā)射結(jié)0.5V左右電壓降，則10V/10μA=100 k。即RC決定了Ic，Rb決定了Ib。由兩只電阻完成了靜態(tài)工作點(diǎn)的建立。

1)靜態(tài)工作點(diǎn)

揀要點(diǎn)，三個(gè)明要素：Ib=10μA;Ic=1mA;Vc=5V。

一個(gè)暗要素：我們將Q1的c、e極之間，看作一個(gè)電阻，暫命名其為Rce。此時(shí)在靜態(tài)偏置狀態(tài)下，Vc即為Rce和Rc的分壓值，當(dāng)然可看出Rce = 5k，此為第四個(gè)要素。

在輸入信號(hào)作用下，其實(shí)是Rce的變化導(dǎo)致了輸出電壓Vc的變化。

需要注意：靜態(tài)工作點(diǎn)即零信號(hào)時(shí)的工作偏置狀態(tài)。此處的零信號(hào)并不一定是零電壓值。參見(jiàn)圖1的曲線(xiàn)圖，IN端即Q1的Vb約為0.5V;Vc=5V。

2)當(dāng)IN輸入信號(hào)使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所上升時(shí)，必然導(dǎo)致Ic的同步上升。我們可以給出一個(gè)確定值以便進(jìn)行定量分析。此時(shí)Ib↑=15μA;Ic↑=1.5mA(Rce↓);Vc↓=2.5V(這都是據(jù)歐姆定律加減乘除算出來(lái)的，Rc兩端電壓降7.5V，Rce兩端當(dāng)然為2.5V)。

Ic↑的使Rc兩端的電壓降增大，Vc下降，從暗要素考慮，此時(shí)是Rce的變小，導(dǎo)致了Vc分壓點(diǎn)的電壓降低，那么可見(jiàn)Rce為一只可變電阻，而實(shí)際上，在放大區(qū)內(nèi)，三極管工作于可變電阻區(qū)，其c、e極之間，確實(shí)呈現(xiàn)一只可變電阻的特性!當(dāng)Vc=2.5V時(shí)，可知Rce由靜態(tài)時(shí)的5k變?yōu)楝F(xiàn)在的2k.。因而我在圖2干脆畫(huà)出這只電阻來(lái)，并標(biāo)示出各點(diǎn)電壓和電流值。

需要說(shuō)明一下，三極管的控制特性為電流控制器件，此處在輸入回路關(guān)注的是輸入電流的變化而Vb值。這是因?yàn)椋喝龢O管的發(fā)射(PN結(jié))結(jié)導(dǎo)通電壓是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)態(tài)的值(稱(chēng)門(mén)坎電壓如0.6V左右)，而在此相對(duì)變化極小的Vb電壓范圍以?xún)?nèi)，其流通電流值Ib卻有較大范圍以?xún)?nèi)的變化。因而此時(shí)只關(guān)注Ib對(duì)Ic的影響。而從根本上來(lái)說(shuō)，三極管是個(gè)電流控制器件或者為電流放大器，而電壓放大，是個(gè)間接的結(jié)果——接入負(fù)載電阻Rc的目的，即是將Ic變化轉(zhuǎn)化為Vc的變化。

可見(jiàn)，IN信號(hào)電壓上升使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上往正方向變化時(shí)，Vc呈現(xiàn)反方向變化，從IN和OUT的關(guān)系看，為反相關(guān)系，由此可確定該放大器為反相放大器。

3)當(dāng)IN輸入信號(hào)使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所下降時(shí)，必然導(dǎo)致Ic的同比例下降。我們也可以給出一個(gè)確定值以便進(jìn)行定量分析。此時(shí)Ib↓=5μA;Ic↓=0.5mA(Rce↑);Vc↑=7.5V。

Ic↓的使Rc兩端的電壓降減小，Vc上升。從暗要素考慮，此時(shí)是Rce的變大，導(dǎo)致了Vc分壓點(diǎn)的電壓上升。當(dāng)Vc=7.5V時(shí)，可知Rce由靜態(tài)時(shí)的5k變?yōu)楝F(xiàn)在的15k。

綜合以上2)、3)來(lái)看，輸入信號(hào)電流的變化范圍±5μA;放大100倍后，Ic變化范圍±0.5mA;其實(shí)是Rce由此產(chǎn)生了2k~15k的變化量，導(dǎo)致了輸出Vc變化范圍±2.5V。

若假定IN±0.1V的變化量，導(dǎo)致了Vc±2.5V的變化量，則可認(rèn)為該級(jí)放大器是25倍的電壓放大器，100倍的電流放大器。

或再掐頭去尾，在輸入信號(hào)作用下，Ib的變化導(dǎo)致Rce產(chǎn)生了約1.7k~45k的變化，從而Vc產(chǎn)生了1~9V(即±4V)的輸出變化。

在此區(qū)域內(nèi)，Ib的線(xiàn)性變化控制著Rce(Ic)的線(xiàn)性變化，使輸入、輸出電壓呈現(xiàn)反相的比例關(guān)系，三極管工作于可變電阻區(qū)，可稱(chēng)之為線(xiàn)性放大器，即通常所說(shuō)的模擬電路。

若使三極管出離受控區(qū)或線(xiàn)性放大區(qū)，進(jìn)入至開(kāi)關(guān)區(qū)后，有以下兩種情況。

4)進(jìn)入飽合區(qū)的工作狀態(tài)

IN輸入信號(hào)電壓的上升，使Ib↑≥20μA;Ic↑=2mA;Vc↓=0V。此時(shí)因?yàn)镽c=5k，電源電壓=10V，Ib在20μA以上繼續(xù)增大至哪怕至毫安級(jí)，Rc流過(guò)的最大電流也只能是2mA，其兩端最大電壓降也只能10V，此時(shí)的Ic =2mA被稱(chēng)為飽和電流。三極管工作于飽和狀態(tài)。

此時(shí)的Rce<5)進(jìn)入截止區(qū)的工作狀態(tài)

IN輸入信號(hào)電壓的下降(Vb為0.3V以下至0V)，使Ib↓=0μA;Ic=0mA;Vc↑=10V。此時(shí)因Ic=0mA，Rc兩端電壓降為0V，Q1等效于SW1斷開(kāi)。三極管工作于截止?fàn)顟B(tài)。

此時(shí)的Rce>>Rc已經(jīng)不再具有可變電阻的特性，更適宜于用SW1的斷開(kāi)來(lái)等效了。Q1已經(jīng)出離了放大區(qū)，進(jìn)入了開(kāi)、關(guān)區(qū)之二的截止區(qū)。若忽略集電極微弱漏電流的影響，則Vc也看作10V。

需要說(shuō)明：

1)該電路定義為小信號(hào)電壓放大器，做為一個(gè)中間放大器，是和前級(jí)電路的輸出信號(hào)幅度、后級(jí)負(fù)載電路的輸入阻抗密切結(jié)合的。須有適宜的輸入信號(hào)電壓幅度和適宜的負(fù)載阻抗，才能滿(mǎn)足其電壓放大條件。

作為放大器應(yīng)用時(shí)，首先輸入信號(hào)是在合理的線(xiàn)性范圍內(nèi)才行。輸入信號(hào)電壓幅度應(yīng)在百毫伏級(jí)以?xún)?nèi)，輸入信號(hào)電流應(yīng)在±10μA左右。若輸入信號(hào)導(dǎo)致Ib=0，或?qū)е翴b≥20μA時(shí)，此為非法信號(hào)!做為放大器應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免非法信號(hào)的出現(xiàn)，換句話(huà)說(shuō)，非法信號(hào)的進(jìn)入，說(shuō)明前級(jí)電路已為故障狀態(tài)。

2)做為開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免小幅度漸變信號(hào)在輸入端的出現(xiàn)，此亦為非法信號(hào)!開(kāi)關(guān)電路若進(jìn)入放大區(qū)，麻煩就來(lái)了，如驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)繼電器振動(dòng)不能吸合，工作電流過(guò)大而燒毀等狀況。理想開(kāi)關(guān)電路的輸入信號(hào)，即高、低電平。如Ib應(yīng)為60μA以上，以使三極管進(jìn)入深度飽和，或Ib應(yīng)為0μA或負(fù)的截止電流，使三極管進(jìn)入可靠截止?fàn)顟B(tài)，以保障電路的開(kāi)、關(guān)特性。

3)上文5)種狀態(tài)，僅是信號(hào)電流角度來(lái)描述對(duì)三極管工作狀態(tài)的影響。以飽和狀態(tài)為例，三極管的飽和，其實(shí)還和多種因素相關(guān)。

a、和信號(hào)幅度相關(guān)，已述;

b、電路本身相關(guān)，如Rc取小時(shí)，若進(jìn)入飽和狀態(tài)，就需要更大的輸入電流信號(hào);取大時(shí)，會(huì)令飽和狀態(tài)提前;

c、后級(jí)電路的影響，負(fù)載阻抗過(guò)低，會(huì)提前進(jìn)入飽和區(qū);負(fù)載短路，則直接進(jìn)入“假飽和區(qū)”。

因而檢修故障時(shí)，當(dāng)該級(jí)放大器異常，僅僅著眼于該級(jí)電路是不夠的，先確定信號(hào)和負(fù)載電路無(wú)問(wèn)題，才對(duì)該電路下手，是正確的方法。

2、在線(xiàn)電壓法確定電路的工作狀態(tài)

三極管的工作在放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)等三個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大器在工作中力爭(zhēng)避開(kāi)飽和區(qū)和截止區(qū);工作于飽和區(qū)和截止區(qū)的開(kāi)關(guān)電路，在由截止到飽和或由飽和到截止的過(guò)程中，不可避免地在進(jìn)入一個(gè)短時(shí)的放大區(qū)(當(dāng)然進(jìn)入該區(qū)域的時(shí)間是越短越好)，這都由相關(guān)的技術(shù)手段來(lái)保證。此不贅述。開(kāi)關(guān)電路進(jìn)入了放大區(qū)或放大器進(jìn)入了開(kāi)關(guān)區(qū)，都是電路出離了應(yīng)該有的“常態(tài)” 而進(jìn)入了“故障態(tài)”。這可由靜態(tài)對(duì)發(fā)射結(jié)電壓值和集電極、發(fā)射極之間的電壓值這兩項(xiàng)檢測(cè)，來(lái)確定之。

放大區(qū)：Vbe約為0.5V左右，Vce約為二分之一的供電電源電壓;

飽和區(qū)：Vbe約為0.5V~0.7V左右，Vce約為0V;

截止區(qū)：Vbe約為0.4V~0V左右或0V以下的負(fù)壓(很少采用了)，Vce約為電源電壓。

電路處于什么狀態(tài)，搭搭表筆(搭兩下)就可以知道了。

3、電路示例2——故障檢修

3.1電路檢修基本要點(diǎn)和次序：

先電源;后信號(hào);電路本身。

3.2而對(duì)于采用MCU或DSP構(gòu)成的電路系統(tǒng)，通常應(yīng)首先考慮到軟件或數(shù)據(jù)的問(wèn)題，然后才落實(shí)到硬件電路本身。如上電風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。

3.2.1 查看參數(shù)設(shè)置，風(fēng)扇運(yùn)行一般有三種模式，1)上電運(yùn)轉(zhuǎn);2)啟動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn);3)檢測(cè)模塊溫度至一定值后運(yùn)轉(zhuǎn)。若設(shè)置處于第3)項(xiàng)，當(dāng)然風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，與硬件電路沒(méi)有一毛錢(qián)的關(guān)系。修改相關(guān)參數(shù)即能運(yùn)行了。

3.2.2查找硬件電路的故障

具體到該電路(見(jiàn)圖6)?？捎谩岸搪贩ā睂?shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的故障判斷。

1) 用金屬鑷子短接Q1的c、e極，此動(dòng)作意義：確定供電電源和風(fēng)扇好壞。若風(fēng)扇運(yùn)行正常，說(shuō)明供電電源和風(fēng)扇均正常。反之，檢查電源和風(fēng)扇好壞，對(duì)于風(fēng)扇可單獨(dú)施加24V直流電源驗(yàn)其好壞。檢測(cè)故障，不見(jiàn)得全盤(pán)依賴(lài)萬(wàn)用表啊。