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从点到面,详解三极管与恒流源充放电电路工作原理

技术中心

Technology

从点到面,详解三极管与恒流源充放电电路工作原理

分类:
电源技术
作者:
广州市爱浦电子科技有限公司
来源:
原创
发布时间:
2020/09/02
浏览量

三极管简介

  三极管是晶体管的一种,三极管的三个极分别是基极(Base)、发射极(Emitter)、集电极(Collector)。

  如下是 NPN 三极管的等效电路,BE 之间就是一个二极管,CE 之间等效为一个可调电阻,阻值可以从若干欧到无穷大(开路)。

NPN 的特征方程:
  Ic=βib,NPN 的 Ib 是从 B 到 E,Ic 是从 C 到 E,β是三极管自身的放大倍数,可认为是取决于生产工艺的常数,数值从几十到数百倍之间。

  需要注意的是,三极管只能依靠改变 CE 间等效电阻 Rce 来实现 Ic=βib

  如果 Rce 降到最小值,都实现不了 Ic=βib,称为“饱和”

  如果 Rce 增到最大值,都实现不了 Ic=βib,称为“截止”

  如果三极管实现 Ic=βib,称为三极管工作在放大区。

NPN 三极管构成的恒流源放电电路
  如下,给一个充好电的电容接上一个电阻,放电电流为 Ic=Uc/R,由于 Uc 是不断降低的,所以放电电流不是恒定的。

  下图所示,为电容恒流放电电路,可以计算得到 IC 的值为 1mA,与电容的电压无关。

Ve=5-0.7V=4.3V

Ic≈Ie=Ve/Re=4.3/4.3=1mA

  其中 Ve=5-0.7V=4.3V 是一定成立的,Ic≈Ie=Ve/Re 等式成立的前提条件是三极管在放大区,即 Ic=βIb,由于β一般是 100 倍量级的,所以 Ie=Ic+Ib≈Ic 才成立。

求解三极管电路的步骤
1. 先假定三极管工作在放大区,满足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie;

2. 然后再根据计算结果,反推 Uce 的取值是否合理,判断之前的假设是否合理。

  如下图所示,假设电容上的电压为 10V,便可以得到 Uce=10-4.3=5.7V,Rce=5.7V/1mA=5.7K,也就是可以这么理解,三极管把 Rce 调整为 5.7K,就可使电容的放电维持在 1mA。

  同理,假设电容的电压为 8V 时,可以得到 Uce=8=4.3=3.7V,Uce 这个电压也是合理的,Rce=3.7K,也就是可以这么理解,三极管把 Rce 调整为 3.7K,可使电容的放电维持在 1mA。

  当电容上的电压降低到 3V,会得到 Uce=3-4.3=-1.3V,显然这是不合理的,也就是说 Rce 降低到 0 欧姆也满足不了 Ic=βIb

  在认为 Uce 可以降低到 0V,可以计算出满足恒流放电的最低电容电压 Ucmin=Ve=4.3V

  综上,当电容电压高于 4.3V,三极管可工作在放大区,可以恒流的给电容放电,当电容电压低于 4.3V,三极管则工作在饱和区。

  事实上,作为半导体,CE 间的电阻远降不到 0Ω,所以一般 Uce 电压只能降到约 0.2V,称之为饱和管压降 Uces。

  总结:先假定三极管工作在放大区,满足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie;然后再根据计算结果,反推 Uce 的取值是否合理,Uce 合理,原计算不用改动,如果不合理,三极管饱和了,则会多出 Uce=0V 或 Uce=0.2V 这样的条件(看是否忽略饱和管压降),同样可以重新求解电路。

PNP 三极管构成的恒流源充电电路
  利用 NPN 三极管是无法实现恒流源充电电路的,必须使用 PNP 三极管,如下是 PNP 三极管的等效电路图。

PNP 的特征方程
  电流 Ib 是从 E 到 B,Ic 是从 E 到 C。

PNP 三极管设计电路原则
  不建议直接用 PNP 管直接设计电路,而是先用 NPN 管设计电路,然后 PNP 管电路可以通过 NPN 管电路变换得来,变换原则如下:

1. 将 VCC 和 GND 对调。

2. 将电路中有方向性元件的正负方向对调。

3. N 管换成 P 管。

  如下是将 NPN 三极管构成的放电恒流源电路,改成 PNP 三极管后,得到的 PNP 三极管充电恒流源电路。

  如下为恒流充电电路,负载为 R,IC 自上而下流过电阻 R。可以计算得到 Ic 为 1mA,与负载 R 的阻值无关,Ure=5=0.7V=4.3V,Ic≈Ie=Ure/Re=1mA。这个公式成立也需要三极管工作在放大区,负载电阻越大,这个公式越不容易成立。

  如下,当负载电阻为 1K,得到 Vc=1V,Ve=15-Ure=15-4.3=10.7V,Uec=Ve-Vc=9.7V,这个 9.7V 电压正常,所以三极管处在放大区,1mA 的恒流充电成立。

  进一步可以算出 Rec=Vec/1mA=9.7K,也就是说,PNP 三极管将 Rec 维持在 9.7K,Ic 可维持在 1mA。

  假设负载电阻为 20K,可得 Vc=20V,Ve=15-Ure=15=4.3=10.7V,Uec=Ve-Vc=10.7-20=-9.3V,显然,Uec 不合理,所以三极管处于饱和区,1mA 不成立。

  如果忽略三极管的饱和管压降 Uces,此时实际电流 Ic=Ve/R=10.7/20=0.5mA。

  以上主要讲解了 NPN 设计恒流源放电电路,PNP 设计恒流源充电电路和三极管电路的计算方法。

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