三极管知识详解

电子电路中最核心的器件就是三极管,它随处可见,特别是各种集成电路中,其基本三极管。

1.三极管

三极管(transistor,代表电路符号) ,是一种用于放大或开关电信号的半导体器件。

在1.2.2节介绍 Multisim2001时打开的图1-27“带25dB增益补偿输出的 Class B音频放大器”电路中,就有三极管。

三极管一般有3个管脚,如图1-58所示,它们是b一基极(base)、c 一集电极(collector)、 e一发射极(emitter)。三极管根据内部结构的不同分为NPN型和 PNP型两个大类。 注意图 1-58中两类三极管电路符号中代表电流方向的箭头指向不同,NPN的箭头指向 e极而 PNP 的箭头指向 b极。 NPN或PNP 三极管再根据电电气参数的不同有数以室千计的型号,图1-59展示了一些常用三极管的典型封装和主要参数。 

图1-59还把几种典型三极管的 b极、 c极、 e极判别用底视图给出,拿封装为 TO-92 的小功率 PNP 三极管2N3906来说,正对器件的型号,则从左到右管脚依次为 e极、 b极、c极,如图1-60所示。

就像二极管的正极和负极不能接反一样,三极管的 b极、 c极、 e极管脚在使用时也不能混用,否则轻则电路无法正常工作,重则烧毁三极管本身或其他器件。 如果拿到一个陌生的三极管而不确定其 b极、 c极、 e极时,可用以下两种方法来判别。

（1）上网査找 。 直接把三极管的型号输到搜索引擎中,就可以得到一些提供技术文档的网站链接,其中有可以免费浏览或下载器件的技术文档 。 在三极管技术文档的第1页一般都会有其管脚排布示意图,如图1-61所示的三极管 BC546技术文档中就有关于其封装、 管脚判别的描述:BC546是一个NPN型的一般用途三极管,有 TO-92和 SOT54两种封装。如果面对着该器件,则其管脚从左自右依次为 c 极、 b极、 e极。

       （2）用万用表测。一般的数字万用表都有三极管直流放大倍数的测量挡,如图1-62所示,直流放大倍数衡量的是三极管对电流的放大能力,的值一般都在10以上,绝大部分三极管的直流放大倍数在100~1000这个区问内 。在数字万用表上有一个NPN/PNP三极管插座,如图1-62所示,上面标有 c、 b、 e,如果NPN或 PNP 三极管的 c极、 b极、 e极管脚正确插入对应的插孔中,万用表就会显示一个100~1000的读数,此时插座所标的 c、 b、 e孔对应所插三极管的 c极、 b极、e极;如果读数不对,则可调整三极管管脚再插入,直到得到正确读数为止。

2.三极管的直流放大特性

就像铭记二极管的单向导电特性一样,只要谈起三极管就要想到“电流放大” 。 通过以下一个仿真实例来看看三极管是如何进行直流放大的 。                                    

图1-63所需的三极管 BC547A在图1-30所示的元器件栏的三极管集合()的第一 个实际NPN三极管器件()中,打开器件选择窗口后找到型号为 BC547A的三极管并放置到工作窗口中,其他器件如电池、 电流表等按1.2.4节介绍的方法取用 。 连接完电路后打开仿真开关,电流表AB和Ac上很快出现了读数,分别为 0.123mA和33mA(0.033A)。 这意味着什么?电流表 AB测量的是三极管 b极电流, IB=0.123mA; 而电流表Ac测量的是三极管 c极电流, Ic=33mA, 可知Ic 约为IB的268倍!因此可以说三极管把 b极电流放大了268倍。       

结论是:三极管是一个具有电流放大功能的器件 。

为了让这个枯燥的概念形象一些,我们用一幅画来比喻三极管的电流放大作用 。

图1-64(a) 所示是一个水箱,其排水管由阀门控制,只要微调阀门就能控制排水管的流量。水箱好像三极管的 c极,阀门就好像 b极,而排水管相当于 e极。当三极管 b极获得如图1-64(b)所示的微小偏置电压后(+0.7V),就好像阀门被打开一样,水得以从水箱向下快速流出一电流从 c极流向 e极。一旦三极管 b极偏置电压消失,就好像阀门关上了一样,c极到 e极也就没有电流了。

结论是:三极管 b极上的小电流可以控制 c极的大电流。

3.三极管的直流增益  

我们明确了三极管具有电流放大特性之后,再稍微从定量的角度看看具体的放大倍数。 从图1-64(b)可知,如果把三极管 b极电流 IB 看成输入电流,而把 c极电流Ic看成输出电流,则三极管实现了电流的放大,其直流放大倍数(又称直流增益,dc current gain) 可以用输出电流与输入电流之问的比值来描述:                                         

结论是:图1-64(b)所示的三极管BC547把输入电流IB放大了268倍。

这个倍数可以通过图 1 -62 所示数字万用表的测量挡直接测得,即某三极管的直流增益 hFE。不同型号的三极管其直流增益是不尽相同的,如果把图1-63中的三极管 BC547 换成其他型号,则电路的增益是不相同的,即电流表 AB和 Ac读数有所改变。 大家可以在Multisim2001中选择一些其他型号的三极管来验证一下。

三极管直流增益中,下标“F”代表正向电流(forwardcurrent),而“E”代表三极管以e极形式连接。  “F”和“E”都为大写,说明是与直流有关的参数,如果下标为小写则是与交流有关的特性参数。
 

4.三极管的电流关系式

从图1-64(b)中可看到,b极电流IB流入三极管,c极电流Ic 亦流入三极管,很自然有进就有出,电流必须得从三极管的 e极流出,形成 e极电流IE。于是在三极管 b极、 c 极、 e极电流之间形成了一个关系:

(1-4)说明三极管 e极电流为 b极和 c极电流之和。对于图1-63来说,Ic =33mA,IB=0.123mA,代入式(1-4)可得:

    可见IE 与Ic 非常接近, 这是因为IB 相对来说实在小得可怜, 所以一般可以忽略IB 不计,而得:

5.三极管开关

本节一开始就说过三极管是一种用于放大或开关电信号的半导体器件 。 由于放大的内容稍微复杂一些,所以放到第4章再谈。为了揭开图1-1光控报警器电路中三极管角色的秘密,先看看三极管如何构成一个开关。

三极管开关是基于三极管的导通原理设计而成的,如图 1-65所示,三极管 BC547的 c 极上挂了一个灯 L1 (电路符号),只要给三极管 b极一个约 0.7V的偏置电压VBE,三极管的 c极和 e极之间就开始导通,使灯 L1、三极管 c-e极与电源形成一个回路,于是形成电流。电流流过灯L1使其发光。

三极管的偏置电压VBE可通过调节电位器 R1获得,这样灯 L1的亮灭控制由电位器 Rl1控制偏置电压VBE实现。为了使灯点亮,电路的参数要达到一定的条件才行,利用前面的知识,可以讨论一些非常有意思的参数:

（1）偏置电压VBE=0.7V。就像二极管需要一个约 0.7V的正向电压才会导通一样,要想让三极管 BC547导通,则需要给 b极一个偏置电压VBE,且VBE不能小于0.7V。

（2）三极管 c极电流Ic=50mA。电路图中的灯 L1工作电流为50mA,也就是说三极管c极电流Ic达到50mA时,灯 L1才会发光。虽然査三极管 BC547器件的技术文档(或用万用表测量)可知其直流增益hFE约为250,但当三极管作为开关使用时,c极和 e极之问的电压VCE非常小,此时直流增益hFE一般只有原来的1/5左右,即50左右,于是根据式(1-3),可得三极管的 b极电流IB=Ic/hFE=50/50=1mA。

（3）三极管b极电流IB=1mA。已知VBE=0.7V,电源电压为+6V,则根据欧姆定律,可得三极管 b极电流IB=(6V-0.7V)/(R1+R2)=1mA,又已知电阻R2阻值为1kΩ,于是可得电位器 R1接入电阻 Rlin=4.3kΩ。

（4）电位器 R1。通过调节电位器 R1使其接入电阻约为4.3kΩ 时,三极管 BC547导通,从而使灯 L1发光。

有了以上对三极管开关的认识,可通过以下一个例子的分析对光控报警器的研究更进一步。

光敏电阻R2与电阻 R1构成了一个分压器,当光线很强时,光敏电阻R2的阻值相对电阻R1较小(比如只有1kΩ),于是P点电压小于 0.7V,从而偏置电压VBE也小于0.7V,三极管VT1不导通,灯L1不发光。当光线渐暗,光敏电阻R2阻值变大,P点电压升高。 当偏置电压VBE高出 0.7V后,三极管VT1导通,灯L1发光。

图1-66中,光敏电阻R2在三极管开关的帮助下,实现了对灯亮与灭的控制,对该电路的理解使我们对图1-1的光控报警器电路的学习又进了一步 。