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:
![三极管和MOS管工作状态图解+实例](http://img.gansulong.com/230617/0014054N8-0.png)
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?
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