晶体三极管的应用.docx
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晶体三极管的应用
第二章晶体三极管及其应用
教学重点
1．掌握晶体三极管的结构、工作电压、基本连接方式和电流分配关系。
2．熟练掌握晶体三极管的放大作用；共发射极电路的输入、输出特性曲线；主要参数及温度对参数的影响。
教学难点
1．晶体三极管的放大作用
2．输入、输出特性曲线及主要参数
第一节晶体三极管
一、晶体三极管的结构、分类和符号
（一）、三极管的基本结构
1．三极管的外形：
如图2-1所示。
三极管通常有三个电极，功率大小不同的三极管体积和封装形式各不相同，近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装，大功率三极管采用金属封装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管干脆制成螺栓形状，这样能够使三极管的外壳和散热器连成一体，便于散热。
图2-1三极管外形
图2-2三极管的结构图
2．三极管的结构：
三极管的核心是两个PN结，按照两个PN结的组合方式不同，可分为PNP型管和NPN型两类，如图2-2所示。
3．晶体三极管有三个区――发射区、基区、集电区；
发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。
两个PN结――发射区和基区之间的PN结称为发射结（BE结）、集电区和基区之间的PN结称为集电结（BC结）；三个电极――发射极e（E）、基极b（B）和集电极c（C）；
（二）、晶体三极管的符号
晶体三极管的符号如图2-3所示。
图2-3三极管符号
箭头：
表示发射结加正向电压时的电流方向。
文字符号：
V
（三）、晶体三极管的分类
1．三极管有多种分类方法。
按内部结构分：
有NPN型和PNP型管；
按工作频率分：
有低频和高频管；
按功率分：
有小功率和大功率管；
按用途分：
有普通管和开关管；
按半导体材料分：
有锗管和硅管等等。
2．国产三极管命名法：
例如：
3DG表示高频小功率NPN型硅三极管；3CG表示高频小功率PNP型硅三极管；3AK表示PNP型开关锗三极管等。
二、三极管的基本连接方式
（a）共发射极接法（b）共基极接法（c）共集电极接法
图2-4三极管在电路中的三种基本联接方式
如图2-4所示，晶体三极管有三种基本连接方式：
共发射极、共基极和共集电极接法。
最常用的是共发射极接法。
第二节晶体三极管的电流放大和分配作用
一、晶体三极管的电流放大作用
（一）三极管的工作电压
三极管能够正常放大信号的工作条件是：
发射结加正向偏压，集电结加反向偏压。
如图2-5所示。
V为三极管，GC为集电极电源、GB称偏置电源，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。
图2-6三极管三个电流的测量
图2-5三极管电源的接法
（二）三极管的电流放大作用
表2-1三极管电流放大作用测量数据
IB/mA
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
IC/mA
0.01
0.56
1.14
1.74
2.33
2.91
IE/mA
0.01
0.57
1.16
1.77
2.37
2.96
测量电路如图2-6所示：
调节电位器
，测得发射极电流
、基极电流
和集电极电
流
的对应数据如表2-1所示。
由表2-1，
结论：
1．当基极电流IB的微小变化，就能引起集电极电流IC的较大变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。
2．晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。
其特点是管内有两种载流子参与导电。
3．电流放大系数
⑴交流电流放大系数――表示三极管放大交流电流的能力
⑵直流电流放大系数
――表示三极管放大直流电流的能力
4．通常，
，所以
可表示为
二、三极管的电流分配关系
由表2-1得出，三极管中电流分配关系如下：
因IB很小，则
ICIE
图2-7ICBO和ICEO示意图
说明：
1．
时，ICIBICBO。
ICBO称为集电极――基极反向饱和电流，见图2-7（a）。
一般ICBO很小，与温度有关。
2．
时，
。
图2-8共发射极输入特性曲线
ICEO称为集电极――发射极反向电流，又叫穿透电流，见图2-7（b）。
ICEO越小，三极管温度稳定性越好。
硅管的温度稳定性比锗管好。
三、三极管的输入和输出特性
（一）共发射极输入特性曲线
图2-9三极管的输出特性曲线
输入特性曲线：
集射极之间的电压VCE一定时，发射结电压VBE与基极电流IB之间的关系曲线，如图2-8所示。
由图可见：
1．当VCE2V时，特性曲线基本重合。
2．当VBE很小时，IB等于零，三极管处于截止状态；
3．当VBE大于门槛电压（硅管约0.5V，锗管约0.2V）时，IB逐渐增大，三极管开始导通。
4．三极管导通后，VBE基本不变。
硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。
5．VBE与IB成非线性关系。
（二）晶体三极管的输出特性曲线
输出特性曲线：
基极电流
一定时，集、射极之间的电压
与集电极电流
的关系曲线，如图2-9所示。
由图可见：
输出特性曲线可分为三个工作区。
1．截止区
条件：
发射结反偏或两端电压为零。
特点：
。
2．饱和区
条件：
发射结和集电结均为正偏。
特点：
称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为0.1V。
3．放大区
条件：
发射结正偏，集电结反偏。
特点：
受
控制，即
。
在放大状态，当IB一定时，IC不随VCE变化，三极管的这种特性称为恒流特性。
四、三极管主要参数
三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。
（一）、共发射极电流放大系数
1．直流放大系数
。
2．交流放大系数
。
电流放大系数一般在10~100之间。
太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。
一般选3080为比较合适。
（二）、极间反向饱和电流
1．集电极――基极反向饱和电流ICBO。
2．集电极――发射极反向饱和电流ICEO。
反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。
因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。
硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。
（三）、极限参数
1．集电极最大允许电流ICM
三极管工作时，当集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。
2．集电极最大允许耗散功率PCM
当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。
3．集电极―发射极间反向击穿电压V（BR）CEO
图2-10共发射极基本放大电路
管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。
当电压越过此值时，管子将发生电压击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。
五、电压放大原理
（一）电路形式
如图2-10所示为晶体三极管共发射极基本放大电路，放大电路中，输入交流信号vi通电容C1的耦合送到三极管的基极和发射极。
电源VCC通过偏置电阻Rb提供VBEQ，基-射极间电压为交流信号vi与直流电压VBEQ的叠加。
基极电流iB产生相应的变化。
画电路图时，往往省略电源的图形符号，而用其电位的极性及数值来表示，图中+VCC表示该点接电池或直流电源的正极，而电源的负极就接在电位为零的公共端“⊥”上。
图2-11共发射极基本放大电路中各点波形
（二）元件作用
1．V：
晶体三极管，起电源放大使用。
2．+VCC：
直流供电电源，为电路提供工作电压和电流。
3．Rb：
基极偏置电阻，电源电压通过Rb向基极提供合适的偏置电流IB。
4．C1：
输入耦合电容，耦合输入交流信号vi，并起隔离直流电的作用。
5．C2：
输出耦合电容，耦合输入交流信号v0，并起隔离直流的作用。
6．RC：
集电极负载电阻，电源VCC通过RC为集电极供电，另一个作用是将放大的电流iC转换为放大的电压输出。
（三）电路原理
iB电流经放大后获得对应的集电极电流，如图2-11所示。
iC电流大时,负载电阻RC的压降也相应大，使集电极对地的电位降低，如图2-11（e）所示；反之iC电流变小时，集电极对地的电位升高。
因此集-射极间的电压UCE波形与iC变化情况相反。
集电极的信号经过耦合电容C2后隔离了直流成分VCEQ，输出的只是大信号的交流成分，波形如图2-11（f）所示。
综上分析可知，在共发射极放大电路中，输出电压v0与输入信号电压vi频率相同，相位相反，幅度得到放大。
六、分压偏置电路基本交流电压放大电路
图2-12三极管分压偏置放大电路
图2-13射极输出器
如图2-12所示为三极管分压偏置放大电路，与前面的固定偏置电路相比较，多用了三个元件。
上偏置电阻Rb1和下偏置电阻Rb2构成一个分压电路，以固定三极管基极的电位VB，再利用发射极回路中的电阻Re获得反映集电极电流变化的电压VE，使之与VB相比较得它们的差值来控制IB以维持IC的基本稳定。
Ce则称作发射极旁路电容，它的存在使得在考虑交流信号时不必考虑Re的影响。
七、射极输出器
射极输出器的电路如图2-13所示，从图中可以看到，它与前面介绍的电路不同，它的输出端是从发射极引出的，故该电路称为射极输出器。
射极输出器电路的特点是：
输入电阻大、输出电阻小，因此在电路中常常起阻抗变换作用；共集电极放大电路具有电流放大作用，带负载能力强、因此又常作为多级放大电路的输出级；共集电极放大电路的电压放大倍数恒小于1，而又十分接近1，并且输出电压与输入电压同相，所以又称为射极跟随器（简称射随。
）
第三节晶体三极管的开关特性
三极管具有三种工作状态、放大状态、饱和状态和截止状态。
在放大电路中，三极管主要工作在放大状态，因此，偏置电路及其参数的设置要令电路的工作点处于合适的位置，
图2-14三极管的开关特性
而在脉冲电路中，三极管主要工作在饱和状态和截止状态，并且经常在这两种状态之间快速转换，只有在转换时才以极短的时间迅速通过放大区，三极管的这种工作状态通常称为
“开关状态”。
如图2-14所示，当输入电压低于晶体三极管死区电压或反向偏置时管子集电极—发射极之间基本上无电流流通，相当于断开的开关。
当输入电压增大，三极管进入放大状态，当输入电压足够大时，管子进入饱和状态，相当于接通的开关。
第四节晶体三极管应用举例
一、汽车晶体管调节器电路
图2-15汽车晶体管调节器电路
图2-15所示电路可用来取代汽车上传统的电磁振动式电压调节器（节压器），它几乎可在任何一种负极搭铁的电系中与其发电机配合使用。
当充电系输出电压小于13V时，稳压管D1和晶体三极管T1截止，T1集电极电位升高使T2导通，于是将全压加于发电机激磁绕组，使其输出电压逐渐升高，与此同时，发电机也向蓄电池进行定电压充电。
当发电机输出电压达到13.6V时，D1和T1导通，T1集电极电位降低使T2截止，发电机激磁电流减小，输出电压下降，以实现将其电压限制在13~13.6V的范围之内，从而达到调压之目的。
二、汽车光电式电子点火控制器
图2-16汽车光电式电子点火控制器电路
图2-16所示是汽车光电式电子点火控制器电路，发动机工作时，遮光盘随分电器转动，当遮光盘缺口通过光源时，红外光照射到光敏三极管V2上，使其产生基极电流而导通，三极管V3也随之导通，V3导通后，通过R4给V4提供基极电流使V4导通，V5基极电位接近零而截止，此时V6通过R6和R7的分压获得基极电流而导通，于是接通了点火线圈初级电路，点火线圈铁芯中产生磁场；当遮光盘档住光线时，V2、V3、V4截止，V5导通，V6截止，建立将点火线圈初级绕组切断，磁场迅速消失，点火线圈次级绕组产生高压电。
C1的作用是抗自激干扰。
图2-17汽车制动灯故障监视器
三、汽车制动灯故障监视器
汽车制动灯状况的好坏，直接影响到尾随车辆的安全。
为了减少交通事故，保证行车安全，制动灯故障监视器可以给司机及时提醒。
图2-17所示是汽车制动灯故障监视器，电路原
图2-18汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路
理如下：
常态情况下，制动灯开关是断开的。
由于1.5K电阻大，制动灯内阻很小，三极管T1和T2的基极电位偏低，T1和T2管截止，指示灯不亮。
若此时指示灯发亮，表明制动灯烧断或灯头有故障。
汽车制动时，制动灯开头接通，三极管T1和T2的基极电位升高，T1和T2管导通，指示灯亮，表示正常，如果制动时指示灯不亮，则说明制动灯烧断或灯头有故障或电路有搭铁等故障。
四、挡风玻璃洗涤液液位过低报警器
汽车挡风玻璃由于被泥土、灰尘或雪花遮挡，朦朦胧胧看不清楚，势必造成能见度低，影响汽车的安全行驶。
图2-18所示是汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路，该报警器电路是靠装在贮水器内的两根控针导电时，微小电流使T1复合管导通，使其集电极电位下降，报警指示灯失电不亮，表示洗涤液液位正常，如果液位过低，两根控针无微小电流使T1复合管截止，其集电极电位升高，报警指示灯电得电而亮，表示洗涤液液位过“低”。
五、汽车光电式车速传感器
（a）（b）
图2-19汽车光电式车速传感器外形及其光电转换电路
图2-19（a）所示是汽车光电式车速传感器外形，图2-19（b）是车速传感器光电转换电路。
当遮光板不能遮断光束时，光敏晶体管受到发光二极管的照射，光敏晶体管因光照而导通，晶体管T的基极电位升高，晶体管处于导通状态，当遮光板遮断光束时，光敏晶体管截止，晶体管T的基极电位为零，晶体管T截止，从而Si端子输出幅值约5V的矩形脉冲信号。
技能训练三：
三极管的测试
一、硅管或锗管的判别：
图2-20判别硅管或锗管的测试电路
图2-21估测β的电路
判别电路如图2-20所示。
当V0.60.7V时，为硅管；当V0.10.3V时，为锗管。
二、估计比较的大小
图2-22的估测
NPN管估测电路如图2-21所示。
万用表设置在R1k挡，测量并比较开关S断开和接通时的电阻值。
前后两个读数相差越大，说明管子的越高，即电流放大能力越大。
估测PNP管时，将万用表两只表笔对换位置。
三、估测ICEO
NPN管估测电路如图2-22所示。
所测阻值越大，说明管子的ICEO越小。
若阻值无穷大，三极管正常；若阻值为零，三极管短路。
测PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。
四、NPN管型和PNP管型的判断
图2-23基极b的判断
如图2-23（a）所示，将万用表设置在R1k或R100挡，用黑表笔和任一管脚相接（假设它是基极b），红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是NPN型的管子。
如图2-23（b）所示，如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是PNP管的基极。
五、e、b、c三个管脚的判断
首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测值的方法判断c、e极。
如图2-31所示，（以NPN型管9014为例），先假定一个待定电极为集电极（另一个假定为发射极）接入电路，记下欧姆表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下欧姆表的摆动幅度。
摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极c，红表笔所连接的管脚为发射极e，测PNP管时，只要把图2-21电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。
本章小结
１．能把微弱的电信号（电压、电流等）转换为所需数值电信号的电路称为放大电路，简称放大器。
晶体三极管由两个PN结构成，有NPN型和PNP型两种基本类型。
它们的工作原理基本相同，但各极间所接电源的极性恰好相反，因此流过各极的电流和极间电压的方向也相反。
2．三极管是由两个PN结构成的半导体器件，在发射结正偏、集电结反偏的条件下，具有电流放大作用；在发射结与集电结均正偏时，处于饱和状态，相当于开关的闭合；在发射结与集电结均反偏时，处于截止状，相当于开关的断开；在实际电路中，三极管的放大功能和开关功能得到广泛应用。
基本放大电路的组成原则是：
使发射结正向偏置，集电结反向偏置。
为保证基本放大电路正常放大输入信号，必须合理地设置静态工作点。
3．三极管的输入特性类似二极管，输出特性曲线分为截止区、放大区、饱和区和击穿区。
三极管的特性受温度的影响较大。
放大体现了信号对能量的控制作用，放大电路输出信号的能量是由电源提供的。
值表示电流放大能力的大小；ICBO、ICEO反映了管子温度稳定性；
4．晶体三极管的工作状态有三种：
截止、放大和饱和。
（1）截止状态
条件：
发射结和集电结都接反向偏置。
特点：
IB≈0，IC≈0，UCE≈E。
（2）放大状态
条件：
发射结接正向偏置，集电结接反向偏置
特点：
△IC≈β△IB
（3）饱和状态
条件：
发射结和集电结都接正向偏置。
特点：
IC≈EC/RC；IC不再随IB的增加而增加。
5．三极管是一种电流控制器件，即通过基极电流去控制集电极电流。
三极管的放大作用，实质上是一种电流控制作用。
三极管的输入、输出特性曲线都是非线性的，因此不能随便应用欧姆定律来进行计算。
6．要保证三极管放大电路能正常工作，要设置合适的静态工作点，除了常见的基本交流电压放大电路外，还有分压偏置放大电路和射极输出电路。
思考题与习题
2-1三极管的主要特性是什么？
放大的实质是什么？
2-2三极管三个电极的电流哪个最大？
哪个最小？
哪两个相接近？
2-3某三极管①脚流出电流为3mA，②脚流进电流是2.95mA，③脚流进电流为0.05A，判断各管脚名称，并指出管型。
2-4测得工作在放大电路中的PNP型三极管两个电极的电流如习题图2-24所示。
（1）求另一个电极的电流并在图中标出实际方向。
（2）在图中标出e、b、c极。
（3）估算β值。
图2-24
2-5测得工作在放大电路中的NPN型三极管三个电极的电压分别为：
U1=3.5V、U2=2.8V、U3=15V。
（1）判断该三极管是硅管，还是锗管？
（2）确定该三极管的e、b、c极。
2-6如何用万用表判别晶体三极管的管脚和管型？
又如何判断是硅管和锗管？
2-7测得某电路中几个三极管的各极电位如图2-25所示，试判断各管工作在什么状态？
图2-25
2-8为什么在交流电压放大电路中必须设置合适的静压工作点？
否则输出电压信号将会出现什么现象？
2-9放大器的基本功能是什么？
放大的实质是什么？
对放大器有哪些基本要求？
2-10晶体三体管在放大电路中的作用是什么？
它的直流静态工作点对放大有影响？
图2-26
2-11试判断图2-26所示的电路能否放大交流电压信号？
若不能，请加以改正。
图2-27
2-12射极输出器输出电压小于输入电压，是不是没有放大作用？
在电子线路中主要应用它的什么性能？
2-13图2-27所示是汽车用国产JKF667型电子点火控制器电路，分析电路的工作原理。
2-14分析图2-15汽车制动灯故障监视器电路的工作原理。
2-15分析图2-18汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路的工作原理。
2-16分析图2-19汽车光电式车速传感器的工作原理。
（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收获，努力就一定可以获得应有的回报）
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