硬件工程师-三极管

2023-11-20

目录

一、机械开关

二、三极管的种类

三、NPN型三极管(N型三极管)

四、PNP型三极管​编辑

五、三极管公式

NPN型三极管

PNP型三极管

六、NPN管的继续讲解

三极管的导通电压(PNP管也是一样)

 三极管的三种状态

判断三极管是放大还是饱和状态

三极管截至状态(Ube<0.7V)

三极管导通状态(Ube>0.7V)

 Ib电流计算

Ic电流计算

R2两端电压计算

Vce电压计算

Rce阻值计算

三极管饱和状态(Ic≠β*Ib Uce=0.3-0.7V)

三极管临界饱和状态

另外一种判断三极管的工作状态  ​编辑       

 Ib电流计算

假设三极管工作在放大状态

Ic电流计算

 什么原因导致三极管无法工作在放大状态

饱和状态假设

七、饱和状态应用

接下来再来分析Ic回路的情况,深度饱和​编辑

八、如何判断三极管是否饱和

九、三极管Ib电流设计

 十、三极管be之间的电阻

N管

P管

十一、放大电路和饱和电路的设计

十二、下拉电阻的作用

十三、增加下拉电阻R1电阻,阻值算法

十四、Ic电流的设计

十五、三极管的开关电路

N管

 P管

N管和P管的开关电路对比

十六、三极管的内阻分析法

例子1

例子2

十七、两个N型三极管开关电路(同相位)

 十八、N+P管三极管开关电路(同相位)

十九、三极管开关电路的延时问题

二十、三极管恒流源

求Ie电流

求Ib,Ic电流

 三极管受温度的影响



一、机械开关

        上图就是机械开关,机械开关就是控制回路导通和断开的,机械开关是靠触头的闭合和断开的动作来控制电路的导通和断开的,但是,在有些时候,机械开天是无法满足我们的而水的,比如我们后面会学习的开关电源:BUCK电源,BUCK电源的开关频率在65KHz,也就是回路中的开关每秒钟开关6.5万次,我们使用人的手指去拨动机械开关的话,是达不到这样的速度的。这个时候,就需要使用电子开关了,而电子开关是通过电流或者电压来控制电路的导通和关闭的,三极管就是一种电子式的开关

二、三极管的种类

三极管有两种类型:NPN型、PNP 型

 上面是 NPN型三极管的原理图符号,我们习惯上把它称为N型三极管

上面这幅图是P型三极管,或者说是PNP型三极管。

三、NPN型三极管(N型三极管)


 对于上面的N型三极管来说,红色箭头所示的这个地方,可以看做是一个二极管

         上图是三极管的三个电极,分别是:B极,E极,C极B极到E极之间相当于一个二极管B极是二极管的正极,E极是二极管的负极,B极又叫做基极,C极又叫做集电极,E极又叫做发射极。

        对于上面的N型三极管,既然BE极之间相当于一个二极管的话。我们在BE极上加一个电源,当电源电压高于0.7V的时候,BE极之间这个二极管就导通了。但是,当E极电位高于B极电位的时候,BE之间的二极管就反向截止了,也就是BE两极之间就截止了,所以BE之间没有电流流过,也就是说,和二极管一样,BE极之间也是具有单向导电性的。

        刚才提到的机械开关是依靠触头来控制电路的导通与断开的,N型三极管是依靠BE极之间的电流Ibe来控制CE极之间的导通与断开的,这里的BE极之间的电流既可以用Ibe来表示,也可以用b来表示,而且,对于N型三极管来说,这个控制信号必须是从B流向E的电流

         三极管是流控流型的器件,它的Ib电流是可以控制Ic电流的,所以三极管是流控流型的器件,而且,Ib是小电流,Ic是大电流,所以三极管是用小电流控制大电流的器件,也可以说,Ic电流把Ib电流放大了,就像一个喇叭,具有放大的作用,Ib和Ic是有一个放大关系的,一般我们使用一个叫做放大倍数的参数来描述这个放大关系,放大倍数用β表示,读作“贝塔”。用公式表示的话,就是Ib*β = Ic

        不同的三极管,放大倍数是不同的惇,一般情况下,β是在30~300这样子的一个区间,三极管的型号不同,三极管的放大倍数也不同,这里需要注意的是,即使是同一个型号的三极管,它的放大倍数也有差异,也就是做不到一致性很好,而且,即使是同一个三极管,温度不同,放大倍数β也不同

后面我们为了分析电路的方便,如果没有特别说明的话,就认为放大倍数是100

四、PNP型三极管

上面这幅图是Р型三极管,或者说是PNP型三极管,和N管一样,Р管也是Ib控制Ic


 上面是Р管的电流流向,不管是N管还是Р管,电流方向总是和箭头方向相同

         上面这两个管子,首先,Ib电流方向和箭头方向相同,Ic电流方向也很好判断,也是看箭头方向,对左边的N管来说,Ic电流从集电极流向发射极,对右边的Р管来说,Ic电流从发射极流向集电极。

NPN型的三极管叫N管,PNP型的三极管叫P管,下面我们拿N管举例。

五、三极管公式

Ic电流计算公式:Ib*β = Ic;        Ib基极电流,β放大倍数,Ic集电极电流

NPN型三极管

Ie电流计算公式:Ie=Ic+Ib           Ie发射极电流,Ic集电极电流,Ib基级电流

我们可以通过三个引脚对地的电压来得知三极管的状态:
当VC>VB>VE时,即发射极正偏,集电极反偏,三极管处于放大状态;
当VB>VC>VE时,即发射极正偏,集电极正偏,三极管处于饱和状态;
当VB<VE<VC时,即发射极反偏,集电极反偏,三极管处于截止状态;

(三极管的正偏和反偏都是根据三极管的PN结来区分的,如果PN电压为正,则正偏,反之反偏)

PNP型三极管

Ic电流计算公式:Ic=Ie+Ib

 我们可以通过三个引脚对地的电压来得知三极管的状态:
当VE>VB>VC时,即发射极正偏,集电极反偏,三极管处于放大状态;
当VE>VC>VB时,即发射极正偏,集电极正偏,三极管处于饱和状态;
当VB>VE>VC时,即发射极反偏,集电极反向,三极管处于截止状态;
(三极管的正偏和反偏都是根据三极管的PN结来区分的,如果PN电压为正,则正偏,反之反偏)

六、NPN管的继续讲解

三极管的导通电压(PNP管也是一样)

 

         三极管要想导通,得有Ib电流啊,如果没有Ib电流,三极管是截止的,那么,要想有Ib电流,三极管的导通条件就是,对于N管,要让BE极之间的电压差大于0.7V,BE之间的电压差大0.7V,BE之间的二极管就导通了,也就是三极管就导通了

       

        给三级管的BE极之间加上电压,现在BE极之间形成回路了,电流可以在这个回路中流通了,这个回路,还缺少什么吗,是的,得串一个电阻要不然电流I=U/R,电阻R=0,电流得非常大了.

这个回路中加一颗电阻,就构成了源、回路、阻抗

 假如电源的电压是0.6V的话,回路中有Ib电流吗,是的,没有。

        要想让二极管导通电压必须要 > 0.7V,而三极管的BE极之间就可以看成一个二极管,所以,三极管的导通条件是BE极之间的电压差Vbe > 0.7V,但是当Ib回路导通时,Vbe就会被钳位在0.7V,这是二极管的钳位特性,我们说,三极管的BE极导通压降Vbe和放大倍数β一样,也是有差异的,我们为了交流方便,就认为BE的钳位电压是0.7V,我们刚才分析了三极管的导通条件,Vbe  0.7V.

 三极管的三种状态

        导通后的三极管,也分两种状态:一种是放大状态,一种是饱和状态。这样的话,三极管一共就有三种状态,截止状态,饱和导通状态,放大导通状态

判断三极管是放大还是饱和状态

        既然导通状态又分为饱和导通和放大导通,那么,我们怎么去分辨三极管到底是放大还是饱和呢?我们要判断三极管是放大状态还是饱和状态就要判断Ib电流和Ic电流是不是满足β倍的关系。大家注意,三极管的放大与饱和,是比较重要的基础。

可以通过Ib电流和Ic电流的关系来判断,如果满足Ib*β = Ic ,那么就是放大状态,如果Ib*β≠Ic,就是饱和状态,举个例子:

三极管截至状态(Ube<0.7V)

 对于上面的电路,请问A点的电位是多少?电阻分压,所以A点是0.5V。

 现在把A点接到三极管的B极,请问Ib回路有电流吗?是的,没有Ib电流,因为三极管要想导通,要满足Vbe≥0.7V

三极管导通状态(Ube>0.7V)

 上面的电路,A点的电位是多少?        电阻分压,A点是5V

         现在把A点接到三极管的B极,请问三极管Ib回路有电流吗?因为满足了三极管的导通条件Vbe ≥ 0.7V,所以三极管导通了

        三极管导通了以后,A点的电位等于多少?三极管导通了以后,A点的电位会被钳位在0.7V。

         最终A点电位其实就是0.7V,被BE之间的等效二极管给钳位了。

        请问,流过R1电阻的电流是多大?        I=(10V-0.7V)/5K=9.3V/5K=1.86mA,欧姆定律,用RI两端的电压除以R1的阻值就是流过R1的电流。

        请问,流过R2电阻的电流是多大?        A点电位被钳位在0.7V了,R2上的电流I=0.7V/5K=0.14mA。

 Ib电流计算

那么请问,Ib的电流是多大?        Ib =1.86 - 0.14 =1.72mA

现在计算一下Ib电流的大小。A点的电位是0.7V,那么电阻R1两端的压降是2V,所以,流过R1电阻的电流 I=2V/100K =0.02ma

Ic电流计算

 现在三极管的放大倍数β=10请问Ic多大,Ic=0.2ma,那么现在当放大倍数为β=100时,Ic的电流就是2ma了,Ic=β*Ib = 100 *0.02ma = 2ma。

R2两端电压计算

现在放大倍数β=100,如果R2两端的电压是U2的话,请问此时U2是多少?因为Ic电流等于2mA,R2两端的电压U2 = R2*Ic = 5K*2mA =10V

Vce电压计算

那么CE两极的压降Vce 等于多少? 12.3V-10V=2.3V。上方的12.3V的电源,被电阻R2和CE极电压,这两个分压了,U2+Vce =12.3V
电阻R2和三极管的CE极,这两个可以看成是串联分压的。

        把三极管的CE极等效为右边电路的电阻Rce,就相当于Rce和R2两个电阻串联分压了,共同分配12.3V的电源电压,我们把三极管的CE极等效为一个电阻Rce,那么,左图的Ic回路就相当于右图中的两个电阻分压,R2和Rce两个电阻的分压。

Rce阻值计算

 绿线画的这里是三极管的Ic回路,那么CE之间等效为一个电阻Rce的话,

Rce的大小是多少? Rce=2.3V /2mA=1.15K

三极管饱和状态(Ic≠β*Ib Uce=0.3-0.7V)

R1=80K呢,请问此时的Ib电流是多少? 2V/80K=0.025mA.

 如果 Ic = 2.5mA,请问 R2上的电压是多少?R2上的电压=2.5mA*5K=12.5V。

         如果Ic真的是2.5mA 的话。请问,难道电阻两端的压降比电源电压还要高?是不是Ic肯定不能是2.5mA啊?其实,在R1电阻从100K下降为80K的过程中,Ib电流从0.02mA 上升到0.025mA,Ic电流从2mA上升到了2.4mA。在这个过程中,原来是可以满足β倍的放大关系的。

        但是到了后面的时候,就不满足β倍的放大关系了,不满足β倍的放大关系的的阶段,三极管就工作在饱和状态了满足β倍的放大关系的阶段,我们称三极管工作在放大状态

三极管放大状态下:Ic=β *Ib

三极管饱和状态下,Ic<β*Ib。那么,对于三极管来说,在饱和状态下,三极管的CE极之间的电压最小是0.3V

三极管临界饱和状态

其实,三极管CE极电压等于0.7V的时候,三极管处于临界饱和状态,临界饱和状态就是指:此时可以算是放大状态,依然满足Ic=β*Ib,但是CE极电压再降低的话就是饱和状态了,也就是说,饱和状态下,三极管CE极电压范围是0.3V-0.7V。饱和状态下,三极管CE极电压最低是0.3V,CE极电压<0.7V的时候,Ic<β*Ib,CE极电压等于0.7V的时候,依然满足Ic=β*Ib

        再回过头来看刚才的电路,请问,这个电路,当R1=80K的时候,Ic电流最大是多少?因为CE极电压最小是0.3V,R2电压最大是12.3V-0.3V=12V,所以Ic电流最大12V/5K=2.4mA。并且此时三极管已经工作在饱和状态了。那么请问,上面的电路中,三极管工作在放大状态时的最大Ic电流是多少啊?放大状态下,CE极最小电压是0.7V,所以Ic=β*Ib(12.3V-0.7V)/5K=2.32mA.

 这是刚才的电路,那我们看右边画红线的Ic回路,在这个回路中,源是12.3V

        我们只看Ic回路,把Ib回路忽略,左图我把Ib回路涂掉了。我们现在放大状态的话,Ib需要Ic电流达到2.5mA对吧?那么我们看上图中的Ic回路,看看这个Ic回路能不能够提供出2.5mA 的Ic电流。大家计算一下Ic回路最大能提供多大的Ic电流。其实刚才已经计算过了,当三极管CE极电压Vce=0.3V的时候,Ic电流达到最大,而且,在放大状态下,Ic回路最大能提供的Ic电流是2.32mA对吧?由此,Ic电流最大2.32mA,无法满足Ib需要的2.5mA,所以我们说,当ib等于0.025mA的时候,这颗三极管是工作在饱和状态的。也就是说,需要看在放大状态下,也就是CE极压降等于0.7V的情况下,Ic回路最大能提供多少的Ic电流了,如果Ic回路提供不出这么大的电流,提供不出Ib需要的电流的话,那么三极管就工作在饱和状态了,就好比我去借钱,别人没有这么多钱借给我,这个时候,三极管就工作在饱和状态了。
        

另外一种判断三极管的工作状态
         

        先假设三极管的CE极电压是0.7V,也就是假设三极管工作在临界饱和状态,那么,由CE电压等于0.7V,得出来的Ic电流是不是三极管工作在放大状态下的最大电流了?我们可以把这个Ic电流乘以R2的阻值,得到R2的电压,从而推出CE极电压,看看CE极电压是不是0.7V。

其实,就是一个假设-计算出结果-验证假设的过程。因为这里比较重要,我们再举一个例子:

 

 Ib电流计算

因为R9=80K,所以Ib电流=0.025mA,因为三极管导通以后,BE极电压等于0.7V,所以R9电压等于2.7V-0.7V=2v,所以可以得到Ib电流,流过R9的电流就等于Ib电流,那么Ib=2V/80K=0.025mA。

假设三极管工作在放大状态

在放大状态下,Ic电流受到Ib电流的控制,Ic=β *Ib,约定放大倍数β=100.请问在这个假设下,Ic电流是多少?  Ib=0.025mA,Ic=β*Ib=0.025mA*100=2.5mA。也就是说,假设三极管工作在放大状态,那么Ic电流必须要达到2.5mA才行,Ic电流要能达到2.5mA,三极管才可以工作在放大状态。

Ic电流计算

 那大家看上面的Ic回路中,能提供2.5mA的Ic电流吗?

 Ic回路,就是蓝线画出来的回路,为了大家看起来更简单,我们把Ib回路去掉,只看Ic回路

        上面电路,我把Ib回路涂抹去掉了,在上面的Ic回路中,源是12.3V的电源,回路是从12.3V的电源出发,最终回到GND,那么,这个Ic回路中的阻抗是哪个?阻抗有几个?阻抗有2个,阻抗是:R8电阻、三极管CE极等效电阻Rce

        把三极管的CE极等效为一个电阻Rce,所以,Ic回路就等效为右边这个电路了,在右边这个电路中,电源12.3V到 GND之间串联了两个阻抗,一个是R8,一个是三极管CE极内阻Rce。

        那回到刚才的问题,我们已经知道了,假设三极管工作在放大状态的话,这个Ic回路至少要提供2.5mA的电流?

那么,计算一下,如果Ic电流是2.5mA 的话,此时Rce压降是多大?两个电阻的串联分压,对不对?R8上的压降等于2.5mA乘以5K=12.5V,R8上的电压比电源都高了,这不可能。况且Rce压都变成负的了,更不可能。所以,这个Ic回路是不可能提供2.5mA的电流

 那么,计算一下,这个Ic回路能提供的最大Ic电流是多少?我们知道三极管的CE极电压最小就等于0.3V了,不能比0.3V更小了。12.3V-0.3V=12V,12V/5K=2.4mA。所以,这颗三极管不可能工作在放大状态。

 三极管工作在放大状态下有一个性质,就是Ic=β*Ib,Ic能满足β*Ib三极管就工作在放大状态

 什么原因导致三极管无法工作在放大状态

 上面这颗三极管无法工作在放大状态是因为,Ic电流无法达到β*Ib这么大。那么,请问,是什么原因导致Ic电流无法达到2.5mA呢?因为R8这颗电阻限制了Ic的最大电流了。如果把R8阻值减小的话,Ic回路就能够提供2.5mA 的电流了,三极管就可以工作在放大状态。
 

饱和状态假设

        假设三极管工作在放大状态,Ic=β*Ib,那么,放大状态下,增大Ib,Ic会等比例的增大,也就是我们旋水龙头开关,那么水龙头的出水量会随着我们拧开关而增大。但是,如果自来水厂缺水呢?或者水塔里的水不够了呢?刚开始,增大Ib,水管里流出来的水流Ic会随着增大(Ic=β*Ib,Ic和Ib等比例增大),此时三极管工作在放大状态。但是,当水龙头拧到一定程度的时候,也就是Ib电流大到一定程度的时候,继续继续拧水龙头,水管里的水流(也就是Ic电流)也不会继续增大了,这个时候,三极管就达到饱和状态了

         也就是说,刚开始的时候三极管工作在放大状态,Ib增大,Ic也会随着增大。但是,当Ib
电流大到一定程度的时候,Ib再增大,Ic就不会跟着增大了
,到顶了。三极管Ic不随着Ib等比例增大的时候,也就是当Ic<β*Ib的时候,三极管就进入饱和状态了放大,因为此时Ib控制Ic,Ic始终等于β倍的Ib;饱和,此时Ic回路拿不出这么多Ic电流来陪着Ib增大了

七、饱和状态应用

 三极管是使用Ib电流控制Ic电流,那么,在开关电路中,Ib电流取多大合适?

我们希望Ib电流在1mA左右是合适的
 

为什么Ib电流在1mA的时候最合适,
我们不能让Ib电流在,几十mA甚至百mA,否则功耗太大了,一个硬件电路中,有很多回路,在每个地方都浪费不必要的功耗,太得不偿失了.
 

Ib为什么是 1mA,而不是更小的uA,

电流太小的话,容易受到干扰。在硬件电路中,有很多回路中存在着高频率的开、关、开、关的信号。如果在这个开、关、开、关的高频回路中,流过一定大小的电流的话,会产生什么啊?回路导通的时候,流过一定的电流,回路断开的时候,电流截止,这就产生了电流的变化。我们说,电生磁,有电流就会产生磁场,而电流变化时,它周围的磁场也会变化.

 如果图中箭头所指的Ib回路,靠近这个变化的磁场的话,会造成什么后果啊?这个交变的磁场,由于其磁场在变化,就会使Ib回路中的磁通量发生变化。我们知道,当闭合回路中的磁通量发生变化时,闭合回路中就会产生感应电动势,从而产生感应电流。那么这个感生电流就会叠加在这个Ib回路上。如果感生电流的方向和Ib电流的方向相反的话,是不是就抵消了啊?如果感生电流的方向和 Ib电流的方向同相内的话,流就会收到影响。我们希望Ib电流不能太小,
否则太容易收到变化的磁场的影响了。这个变化的磁场是由于硬件电路中存在着高频率的开、关、开、关的开关器件导致的。所以,在三极管的开关电路中,一般将Ib电流设置在1mA。
这样既不会太大,导致功耗大。也不会太小导致抗干扰能力差,而且,我们在PCB 布局走线的时候,让电流变化很快的回路远离Ib回路,尽量减小磁场变化带来的干扰

接下来再来分析Ic回路的情况,深度饱和

 这里我们让R1=2K,可以让 Ib=1mA

假设β=100的话,Ib = 1mA,Ic = 100*1mA = 100mA,这是三极管工作在放大状态的情况。

三极管工作在开关电路中的时候,只有两种工作状态:饱和导通、截止。所以开关电路中的三极管导通的时候要工作在饱和导通状态

         我们通过设计R2电阻的取值,让三极管导通时的Ic电流也在1mA。那么,当这个三极管导通的时候,Ib=1mA,Ic=1mA,这个三极管就是工作在饱和状态的,我们认为Ib=1mA,Ic=1mA,
三极管工作在深度饱和状态,CE极电压是0.3V,那么,大家来计算一下,当Ic等于1mA的时候,R2阻值是多少?对的,R2两端的电压就等于10V-0.3V=9.7V,R2的阻值=9.7V/1mA=9.7K。我们认为三极管是深度饱和,所以CE极电压等于0.3V。

 也就是说,当B极是高电平的时候,三极管导通,此时三极管的C极为低电平。

        关于高电平和低电平,可以这样理解,能够导通器件的电平称为高电平,由于0.3V无法导通任何器件,所以认为0.3V和0V一样都是低电平,也就是说,高电平指的是可以让三极管导通的电位。0.3V被认为是低电平,是因为我们以后学习的器件中,0.3V不能导通任何器件。所以我们就把0.3V当成低电平0V,因为0.3V和0V比较接近,而且都不能导通任何开关器件

        在硬件电路中,高电平代表的是开关导通,低电平代表的是开关断开,当然了,器件导通时的导通阈值电压都是不同的,也就是他们导通的门槛电压是不同的,有的是0.7V导通,有的是4.5V导通等等。这些不同导通阈值的器件,在电路中就需要不同的电压源,有的是5V,有的是3.3V。不管是5V还是3.3V,虽然电压不同,但是它们都代表后面器件的导通状态

 如果上面2.7V电源改成10V,此时C极的电位是多少?        10V。

 当2.7V电源变成0V的时候,Ib电流就变成0mA了,那么三极管就截止了。三极管截止了,C极和E极就是断开的状态,相当于C极和E极之间是断开的,那么,请问C极电压是多少?C极电压就等于电源电压10V,也就是此时三极管C极就是高电平。

        看上面的电路,当B极电压是高电平的时候,C极电压是低电平。当B极电压是低电平的时候,C极电压是高电平,也就是说,C极电平和B极电平总是相反的。

         我们用方波信号来表示高、低、高、低的电平信号。当输入是高电平时,三极管导通,C极输出低电平,当输入是低电平时,三极管截止,C极输出高电平。那么,大家看看,B极的方波信号和C极的方波信号有什么不同啊?

       不止是电压的相位是相反的,电压的幅值也不同。

        三极管采用饱和接法,当做开关管的话,一般Vin输入的是一个方波信号。这个方波信号通常是由单片机给的。而对于单片机来说,高电平就是单片机的供电电压,一般单片机的电源电压是3.3V或者5V,所以,三极管B极的方波的高电平通常是3.3V或者5V。

         上图中的MCU就是单片机。单片机发出了方波信号,来驱动三极管的B极,这个方波信号的高电平是3.3V,低电平是0V,Ib=1mA Ic=1mA,所以三极管工作在饱和导通状态,此时三极管C极输出低电平0.3V,当单片机发出的方波信号是低电平0V的时候,三极管C极输出高电平12V

        那现在我把R1改成80K,Ib电流等于0.025mA。因为Ib电流太小容易受干扰,是不是?

         我们知道,二极管是有结电容的,对不对?那么,三极管也有结电容,如上图BE极之间的电容。我们说三极管的导通条件是BE之间的压降大于0.7V,也就是上面这个电容两端的压降达到0.7V。

        因为这个结电容是B极和E极之间的,我们把这个电容称为Cbe。这是寄生电容。也就是说,如果让三极管导通,B极电位要达到0.7V。

         蓝线所示的这就是一个RC充电电路,对吧?如果Ib电流太小,uA级别,那么Cbe的充电速度就太慢了,三极管导通就太慢了。

        R1和Cbe组成的RC充电电路,就是通过R1给Cbe充电的,对不对?所以,把 Ib设计在1mA,也是为了提高三极管的导通速度,同时,Ib电流具有一定的抗干扰能力,而且,1mA的电流的功耗也不会太大,所以,三极管作为开关管使用的话,Ib=1mA。如果总结下来就是,如果三极管作为开关管使用的话,Ib=1mA。目的就是:导通快,抗干扰,功耗小。

八、如何判断三极管是否饱和

放大状态:Ic 电流听 Ib 的使唤                          Ic=β*Ib        Ic_max>Ib*β
饱和状态:Ic 电流,已经不听 Ib 的使唤。        Ic≠β*Ib        Ic_max≤Ib*β

九、三极管Ib电流设计

在三极管用于开关作用时,Ib电流取1ma。Ib=1ma。

原因有以下几点:

1、完全可以保证三极管在任何苛刻的条件能饱和导通

2、功耗能接受

总结:N 型三极管工作在开关状态:E 极接地,Ib 设计在 1mA

           P 型三极管工作在开关状态:E 极接电源,Ib 电流为 1mA

 十、三极管be之间的电阻

N管

 为何需要这个上下拉呢?

        用三极管,做开关用的时候,三极管的控制级,一般都是一个 PWM 波。而 PWM 波,通常是芯片输出来的,对于芯片的 PWM 输出脚而言,如果,芯片是在正常工作的状态时,PWM 要么就是高,要么就是低,两个状态。、
        工作状态下是没有问题的,三极管的基极输入是确定的状态的,要么高,要么低,如果,由于某种情况, 芯片没有启动的情况,芯片的 PWM 脚,通常是高阻态

         高组态,也就是,对地阻抗无穷大。既然对地阻抗无穷大,相当于三极管的基极悬空(没有上拉或者下拉电阻的情况下)。

        如果, 加了上下拉电阻,就绝不会存在,基极悬空的情况 。一旦 基极悬空,那么三极管就有可能出现误导通 。因为,三极管只要基极稍微一点点变化,就会导致Ic 比较大的变化。

         三极管,他的 be 极之间,他是有一个结电容的,假设,芯片异常状态下没有启动,基极悬空,若此时,由于某种原因,三极管的基极收到一个小毛刺的干扰

         比如一个能量比较微弱的,尖峰干扰,比如静电毛刺打到了三极管的基极,如果这个静电的小能量干扰,只要能够把 Cbe 结电容充满到 0.7V就可能让三极管误导通静电的电压高,但是能量小,虽然能量很小,但是,由于 Cbe 的结电容容值能充到 0.7V,三极管就误导通了

         如果此时有一个 2K 的下拉电阻,那么三极管的 Vbe 结电容,想要充电到 0.7V,就没有那么容易。

         电流再电阻上消耗了 0.35mA 了,除非这个干扰能量的电流>0.35mA,才有可能把 Cbe 电压充到 0.7V 。实际上 0.35mA 是一个非常大的电流了,一般的干扰可比他要小多了。所以,只需要增加一个 2K 电阻,这个三极管就不可能出现这样的情况了。

P管

         对于 p 管的上来,道理其实是一模一样的,也是 Cbe 充电到0.7V,就会误导通,所以上拉电阻也必须接。

        这个 电阻理论上是不是阻值越小,抗干扰能力越大 如果取太小,比如取 100 欧姆,那么功耗会大很多的, 所以这个电阻的阻值,也必须去一个适中的值。2K 是一个很适合的阻值。所以,三极管上拉和下拉以后我们都取 2K

十一、放大电路和饱和电路的设计

        当在e极添加电阻时,此时这个三极管是工作在放大状态的,只要三极管饱和导通,Uce才是0.3V,得到以下结论,当三极管接地的时候,三极管e级电位才是最低的,所以只有e极接地的时候,对输入电压几乎没有要求,以后对于三极管需用使用N管做开关用的时候,不用思考,直接e极接地。

十二、下拉电阻的作用

第一个作用:避免刚刚上电时,产生高阻态,造成误动作

第二个作用:提高导通阈值,提高抗干扰能力

第三个作用:给结电容提供放电回路,也可以加速三极管的断开

三极管的Cbe电容通过下拉电阻R3放电。

十三、增加下拉电阻R1电阻,阻值算法

   当三极管导通后,B点电位为0.7V,R3电流为0.7/2K=0.35ma,Ib电流要设置在1ma,所以流过R1的电流为0.35+1=1.35ma,输入电压为3.3V,R1的阻值=3.3-0.7/1.35=1.926K,所以R1的阻值可以取相近的2K,或者1.96K,以公司存货进行来选取。

十四、Ic电流的设计

 一般在开关电路中,三极管都是处于饱和状态的,我们可以将Ic设计成1ma,                             R2阻值的计算12.3-0.3/1ma=12K,此时Ic的电流就等于1ma了。

十五、三极管的开关电路

N管

当三极管开关电路,输入高电平,三极管导通,C点输出低电平0.3V。

                                输入低电平,三极管截至,C点输出高电平10V。

 P管

  

当输入为高电平时,三极管截至,C点输出低电平

当输入为低电平时,三极管导通,C点输出高电平

N管和P管的开关电路对比

 P管发射极接电源,N管发射极接地。

因为P管发射极接电源,所以称为高端开关,截至电压为12V,开通电压很小。

十六、三极管的内阻分析法

例子1

         当输入电压VIN为3.3V时,R1电流为3.3-0.7/2.4K=1.08ma,R3电流为0.7/2K=0.35ma,Ib=1.08-0.35=0.73ma。

 Ic最大电流值=(12-0.3)/11.7=1ma,Ib=0.73ma,Ic最大为1ma,所以三极管一定是工作在饱和状态的

将三极管等效为电阻。

 当输入为0V时,三极管截止,Rce等效于无穷大的电阻,电压与电阻成正比,电阻越大,分得的电压就越高,所以Rce分得全部电压12V。

例子2

当输入电压为0时,三极管截止,Vo输出36V。

当输入电压为3.3V时,三极管导通,输出0.3V。

当vin为3.3v,Ib=3.3-0.7/9.47K=0.27ma,Ic=100*Ib=27.46ma。

这个三极管能不能工作在放大状态先看Ic回路最大提供多少电流。

放大状态的最大电流Icmax=36-0.7/1.3K=27.15ma

饱和状态的最大电流Icmax=36-0.3/1.3K=27.46ma

这个电路最大的Ic电流就是27.46ma,如果Ib还想继续变大,Ic也没办法再继续变大。所以这个时候进入了深度饱和状态。

 在Uce电压为0.7V的时候,最大的Ic电流为27.15ma,如果增大电阻,减小Ib电流,就可以使三极管工作在放大状态。

 此时增大R1电阻,三极管工作在放大状态。

 Ib=0.26ma,Ic=26ma,此时三极管工作在放大状态,等效的Rce计算,Ur2=26ma*1.3K=33.8,36-33.8/26ma=84.615R。

 规律:Ib电流变大,Rce减小,CE之间的等效Rce越小,当减小到一定程度的时候,内阻就不改变了。

Ib增大,Uce的压差越小,小到0.3V再也不改变。

十七、两个N型三极管开关电路(同相位)

当Vin为低电平时,Vo输出低电平。

当Vin为高电平时,Vo输出高电平。

由2个N型三极管组成的三极管开关电路,输入和输出电平是同相位的。 

 十八、N+P管三极管开关电路(同相位)

P管的开关电路,由于P管的控制信号要等于12V,所以单片机无法之间控制P管,所以就有了N+P管的电路,单片机发出的信号控制N管就可以控制P管。

当输入低电平时,Q1 输出高电平12V,Q2截止。

当输入高电平时,Q1输出低电平0.3V,Q2导通

三极管在开关电路中,不要求精确算,只要求Ib,Ic的电流在1ma左右。

十九、三极管开关电路的延时问题

 上图的方波信号是理想中的,上升沿很陡峭90度垂直,下降沿也是。

实际的方波信号,上升沿与下降沿会有一定的坡度,并且会有一些干扰的存在。

 实际的方波信号,上升到3.3V需要一定的时间。理想的方波信号可以直接从0变成3.3V。

 从0V上升到3.3V需要的时间等于t,实际的方波信号是梯形的

 3.3V的方波信号,经过一段PCB板上的走线,走线上有寄生电感,所以方波信号到达N管的时候,方波信号的沿就已经变缓了。

三极管的C极和E级存在寄生电容,B级与C级之间也有寄生电容,当Vin要导通的时候,需要给结电容充电,给Cbe充电,需要一定的时间,充电时间常数等于R*C,就造成了输入方波信号导通三极管需要一定的延时。

三极管输出Vo需要给结电容Cec充电。输入电压的变化,也就是给结电容Cec的充放电,给Cec充放电需要时,就造成了三极管输出也会有一定的延时。

 理想状态下,t1时刻输入vin是高电平,实际的vin并不能马上从0V上升到3.3V,而是由一个上升沿。

t2时刻vin应该是低电平,但是实际的vin并不能马上从3.3V变成0V,也需要一个下降沿。

 输入和输出电压之间存在一定的延时,也就是输入Vin刚开始上升的时候,此输出Vo没有反应,Vo保持不变。

 这是三极管3906三极管的手册,对于3906这样的P管来说,开通时间为35+35=70ns,关断延时时间为225+75=300ns

二十、三极管恒流源

 Ie=Ic+Ib,Ie是发射极电流=基极电流+集电极电流,不管三极管工作在什么状态, Ie都是Ie=Ic+Ib。

 在E级下添加一个电阻R1。Ib,Ic,Ie,哪个电流是最先确定的。

Ie是最先确定的电流,三极管有2个回路,Ib回路与Ic回路,在E级汇合。

求Ie电流

因为三极管导通之后,BE上的压降为0.7V,所以R1上的电压就为2.7-0.7=2V,所以Ie=2/2k=1ma

 三极管导通BE就被钳位在0.7V,所以E级电压就是2V。不管三极管是在放大还是饱和,E点电压都是2V。只要三极管导通Ie电流就是1ma不变的。

求Ib,Ic电流

先确定三极管工作状态,饱和导通Uce=0.3V,放大导通Uce>0.7V。

E点电压为2V,所以Uce=12-2V=10V。10>0.7,所以三极管工作在放大状态。Ic=100*Ib。

Ie=100ma,Ie=Ib+Ic,Ie=Ib+100*Ib=101*Ib=1ma,

Ib=1mA/101=9.9uA≈10ua,Ic=0.99ma≈1ma,Ic电流几乎与Ie电流相等。

 三极管受温度的影响

 因为三极管是半导体器件,受温度的影响,放大倍数β也是受温度影响,温度升高β就会变大。

当放大倍数β变大,Ic=β*Ib,Ic变大,流过R1电阻的电流就变大,U=I*R,电流变大电压也跟着变大,E点电位变大,Ube的压差就变小,

 Ube压差变小,Ib电流变小,Ic电流下降。就形成下面的循环。

 R1电阻叫做负反馈电阻,负反馈可以理解为:实时观测结果,根据结果调整下一步该怎么执行。

 恒流源能实现恒定Ic电流的根本原因是因为负反馈电阻。以上就是恒流源的原理。

要想接入负载的话,就把负载接入在Ic电流的回路上就可以了。恒流源就会给负载提供恒定不变的Ic电流。

恒流源的三个要素

恒流源满足这3个要素以后,就可以提供恒定的电流给负载。

 第一个要素是,B极电压稳定

上图中2.7V电压要稳定。为什么要满足这个要素,只有B极电压稳定不变,那么R1两端的电压就会稳定不变,所以流过R1的电流就会稳定不变。

2.7V电压稳定,因为BE压降0.7V不变了,B极电压2.7V不变了,所以R1电压就等于2.7V-0.7V=2V不变了。

所以R1电流,也就是Ie电流就等于2V/2K=1mA不变了。

 恒流源,负载是接在C极的,所以,提供给负载的电流Ic需要是不变的,Ie=1mA不变,Ie=Ib+Ic

电路工作的时候,负载不是一成不变的,也就是说,负载是变化的,怎么才能让Ic保持不变

 R1两端的电压Ue保持2V不变了,负载电压是Uz,三极管的CE极电压等于Uce,对于Ic回路来说,源是12V 的电源。

Ic回路的阻抗有3个,分别是电阻R1,负载,三极管的CE极,

现在R1两端电压为2V,负载和三极管的CE级电压为10V。

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