三极管的工作原理和设计案例

模拟技术

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描述

工作原理

1.1 原理总结

首先说明下,之前学校的教材讲得很精辟,非常好,但实际应用中,如果再从这种很理论的基础去分析,多数载流子怎么流,少数载流子怎么流,让人很头痛!抛开上学教程材对三极管原理的分析,我们把它当成公理,直接拿出来用,总结如下:

1)三极管有三个极,发射极、基极、集电极,分别对应三个区:发射区、基区、集区。

三个区的功能:

发射区发射电子

集区收集发射区的电子

基区控制发射区发送到集区的电子的多少

因此,三极管是电流控制电流器件,即,通过基极电流控制集极的电流。

2)三极管有两二个PN结,发射结和集电结,这两个PN结的不同偏向状态,致使三极有四种不同工作模式:

发射结正偏,集电结正偏: 饱和状态

发射结反偏,集电结反偏:截止状态

发射结正偏,集电结反偏:放大状态

发射结反偏,集电结正偏:倒置状态

说明:发射结正偏,集电结正偏: 饱和 (基电极电压不能高于集极电压,电流会从基极流向集极)

是不是不好记?

正正,饱和

反反,截止

正反,放大(发射正偏,集电结反偏)

第四种就不管了,因为很少用到,如果需要了解的,后面再专门对倒置进行说明下。

放大状态时,电流之前的关系:

2)Ic=β*Ib,特别说明,这个β值,不是个固定的值!

设计案例

1.2 设计案例

以上是对教材里的总结,那么实际应用中,怎么理解呢?比如要设计一个电路LED驱动电路,LED点亮时,需要让三极管处于饱和状态,LED关闭时处于截止状态,如何设计相关参数呢?

PN结

图(1)

要分析原理,得了解下主要元件的规格参数。

1.2.1主要元件参数:

三极管型号:2N3904:主要参数有β,即hfe,从规格书中可以看出,这个值在VCE=1时,随IC的值不同而不同。

PN结

LED型号为:NCD0603R2,主要参数截图如下:

主要参数有,IF的极限值,VF的典型值,IF的最小电流(从伏安特性曲线中得到)

PN结

PN结

PN结

先说说各元件的作用:

R1是基极的限流电阻,在实际应用中左侧的3V电源是MCU来驱动的,为保证三极管基极有一个稳定的状态,R3下的拉到GND,保证基极在MCU的IO口无驱动时,基极有一个稳定的状态。R2为限流电阻。

那么怎么知道LED点灯时,三极管就处于饱和状态呢?普通的0603的红色LED,点亮电流只需要大于2mA(方便计算),电压大于2V就可以了,

再对各参数进行计算:

先确定IC,

要保证LED灯点亮,IC要大于1.5Ma,为方便计算,取2Ma,LED导通电压取2V,三极饱和导通时,VCE为0.3V,当R3的电阻确定,则IC的饱和电流是直接可以算出来了:

IC(sat)=(5-2-0.3)V/100R=0.027A=27mA

显然27mA超过了规格书极限参数了,那么R3需要加大,改为150R

IC(sat)=(5-2-0.3)V/15R=0.018A=18mA

再确定IB

当IC<β*Ib时,三极管就进入饱和状态了,β对应规格书中的hfe,从规格书中可以看出这个放大倍数β是个变的值,是不是颠覆了大家对这个β的认识,至于为什么是变的,得出分析三极管的特性曲线,这里也不多说明!

临界时,当IC=18mA,对应hef,从曲线图中得出,大概是190

Ib=IC/190=0.0947Ma=94.7mA

R1=(3-0.7)/94.7=24.28K

也就是说电阻R1小于这个阻值就可以了!

PN结

仿真图:

PN结

实际仿真时,发现R1要小于8K才能饱和,可能是Multisim中的2N3904的参数与网上找的2N3904不一样,网上2N3904的型号有很多!

所以基极电阻一般选用一个1K的肯定能满足要求了,仿真如下图:

PN结

当三极管作电平转换时,如果基极电压高于集电压,如下图(截起友方N58的电平转换电路,其实是有问题的),出现三极管倒置情况。使用时要避免此种情况。

PN结

总结:

三极管电路设计步骤:

  1. 根据实际需求确认三极管的工作状态(实际应用99%当开关用,或间接作开关用)
  2. 确定集电极电流IC,以便确定集电极的限流电阻等其它参数
  3. 假定三极管处于饱和和放大的临界状态,此时VCE=0.3V ,计算出IC
  4. 根据电流IC,查找对应的hfe
  5. 计算IB,通过IB计算基极限流电限的最大值
  6. 为方便起见,基极电阻选计算值的1/3。
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