三极管和MOS管工作状态图解+实例 _电流

图说三极管的三个工作状态
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电子元件基础—BJT管
大家都知道三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?这儿我们抛开三极管内部空穴和电子的运动，还是那句话只谈应用不谈原理，希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。
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/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/1K=10mA，这样按照放大倍数100算，Ic就是不是就为也就是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：

文章插图
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/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?