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三極管的工作原理

時間:08-12 14:01

三極管,全稱應為半導體三極管,也稱雙極型晶體管、晶體三極管,是一種控制電流的半導體器件,其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號,也用作無觸點開關,是電子電路的核心元件。

  三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結,兩個PN結把整塊半導體分成三部分,中間部分是基區,兩側部分是發射區和集電區,排列方式有PNP和NPN兩種。


  三極管的工作原理


  三極管是電流放大器件,有三個極,分別叫做集電極C,基極B,發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。


  一、電流放大


  下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示,我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的,所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。


  三極管的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話),并且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關系:集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(β一般遠大于1,例如幾十,幾百)。


  如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發射極之間,這就會引起基極電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的,那么根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得,這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來,就得到了放大后的電壓信號了。


  二、偏置電路


  三極管在實際的放大電路中使用時,還需要加合適的偏置電路。


  這有幾個原因:


  (1)、首先是由于三極管BE結的非線性(相當于一個二極管),基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產生(對于硅管,常取0.7V)。當基極與發射極之間的電壓小于0.7V時,基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比 0.7V要小,如果不加偏置的話,這么小的信號就不足以引起基極電流的改變(因為小于0.7V時,基極電流都是0)。


  如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流(叫做偏置電流,上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的,所以它被叫做基極偏置電阻),那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時,小 信號就會導致基極電流的變化,而基極電流的變化,就會被放大并在集電極上輸出。


  (2)、輸出信號范圍的要求,如果沒有加偏置,那么只有對那些增加的 信號放大,而對減小的信號無效(因為沒有偏置時集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置,事先讓集電極有一定的電流,當輸入的基極電流變小時,集電極 電流就可以減小;當輸入的基極電流增大時,集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。


  三、開關作用


  下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖,因為受到電阻 Rc的限制(Rc是固定值,那么zui大電流為U/Rc,其中U為電源電壓),集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大,不能使集電極電流繼續增大 時,三極管就進入了飽和狀態。


  一般判斷三極管是否飽和的準則是:Ib*β〉Ic。進入飽和狀態之后,三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小,可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用:當基極電流為0時,三極管集電極電流為0(這叫做三極管截止),相當于開關斷開;當基極電流很 大,以至于三極管飽和時,相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態,那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。


  四、工作狀態


  如果我們在上面這個圖中,將電阻Rc換成一個燈泡,那么當基極電流為0時,集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數 β),三極管就飽和,相當于開關閉合,燈泡就亮了。


  由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了,所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加,那么燈泡的亮度也會隨著增加(在三極管未飽和之前)。


  對于PNP型三極管,分析方法類似,不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反,因此發射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了。


  2


  檢測三極管的口訣


  三極管的管型及管腳的判別是電子技術初學者的一項基本功,為了迅速掌握測判方法,這有四句口訣:“三顛倒,找基極;PN結,定管型;順箭頭,偏轉大;測不準,動嘴巴。”


  一、 三顛倒,找基極


  三極管是含有兩個PN結的半導體器件。根據兩個PN結連接方式不同,可以分為NPN型和PNP型兩種不同導電類型的三極管,


  測試三極管要使用萬用電表的歐姆擋,并選擇R×100或R×1k擋位。紅表筆所連接的是表內電池的負極,黑表筆則連接著表內電池的正極。


  假定我們并不知道被測三極管是NPN型還是PNP型,也分不清各管腳是什么電極。測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。這時,我們任取兩個電極(如這兩個電極為1、2),用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻,觀察表針的偏轉角度;接著,再取1、3兩個電極和2、3兩個電極,分別顛倒測量它們的正、反向電阻,觀察表針的偏轉角度。


  在這三次顛倒測量中,必然有兩次測量結果相近:即顛倒測量中表針一次偏轉大,一次偏轉小;剩下一次必然是顛倒測量前后指針偏轉角度都很小,這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。


  二、 PN結,定管型


  找出三極管的基極后,我們就可以根據基極與另外兩個電極之間PN結的方向來確定管子的導電類型。


  將萬用表的黑表筆接觸基極,紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極,若表頭指針偏轉角度很大,則說明被測三極管為NPN型管;若表頭指針偏轉角度很小,則被測管即為PNP型。


  三、 順箭頭,偏轉大


  找出了基極b,另外兩個電極哪個是集電極c,哪個是發射極e呢?這時我們可以用測穿透電流ICEO的方法確定集電極c和發射極e。


  (1) 對于NPN型三極管,用萬用電表的黑、紅表筆顛倒測量兩極間的正、反向電阻Rce和Rec,雖然兩次測量中萬用表指針偏轉角度 都很小,但仔細觀察,總會有一次偏轉角度稍大,此時電流的流向一定是:黑表筆→c極→b極→e極→紅表筆,電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一致(“順箭頭”),所以此時黑表筆所接的一定是集電極c,紅表筆所接的一定是發射極e。


  (2) 對于PNP型的三極管,道理也類似于NPN型,其電流流向一定是:黑表筆→e極→b極→c極→紅表筆,其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一致,所以此時黑表筆所接的一定是發射極e,紅表筆所接的一定是集電極c


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