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三極管與恒流源充放電電路

時(shí)間：2020-10-22 16:32:43
關(guān)鍵字： 電路圖    電源設(shè)計(jì)   
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[導(dǎo)讀]本文主要講解了NPN設(shè)計(jì)恒流源放電電路、PNP設(shè)計(jì)恒流源充電電路和三極管電路的計(jì)算方法。

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三極管簡(jiǎn)介
三極管是晶體管的一種，三極管的三個(gè)極分別是基極（Base）、發(fā)射極（Emitter）、集電極（Collector）。
如下是NPN三極管的等效電路，BE之間就是一個(gè)二極管，CE之間等效為一個(gè)可調(diào)電阻，阻值可以從若干歐到無(wú)窮大（開(kāi)路）。
NPN的特征方程：
Ic=βib，NPN的Ib是從B到E，Ic是從C到E，β是三極管自身的放大倍數(shù)，可認(rèn)為是取決于生產(chǎn)工藝的常數(shù)，數(shù)值從幾十到數(shù)百倍之間。

需要注意的是，三極管只能依靠改變CE間等效電阻Rce來(lái)實(shí)現(xiàn)Ic=βib
如果Rce降到最小值，都實(shí)現(xiàn)不了Ic=βib，稱為“飽和”
如果Rce增到最大值，都實(shí)現(xiàn)不了Ic=βib，稱為“截止”
如果三極管實(shí)現(xiàn)Ic=βib，稱為三極管工作在放大區(qū)。
NPN三極管構(gòu)成的恒流源放電電路
如下，給一個(gè)充好電的電容接上一個(gè)電阻，放電電流為Ic=Uc/R，由于Uc是不斷降低的，所以放電電流不是恒定的。

下圖所示，為電容恒流放電電路，可以計(jì)算得到IC的值為1mA，與電容的電壓無(wú)關(guān)。
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等式成立的前提條件是三極管在放大區(qū)，即Ic=βIb，由于β一般是100倍量級(jí)的，所以Ie=Ic+Ib≈Ic才成立。

求解三極管電路的步驟?

1. 先假定三極管工作在放大區(qū)，滿足Ic=βIb和Ic≈Ie；
2. 然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，反推Uce的取值是否合理，判斷之前的假設(shè)是否合理。
如下圖所示，假設(shè)電容上的電壓為10V，便可以得到Uce=10-4.3=5.7V，Rce=5.7V/1mA=5.7K，也就是可以這么理解，三極管把Rce調(diào)整為5.7K，就可使電容的放電維持在1mA。
同理，假設(shè)電容的電壓為8V時(shí)，可以得到Uce=8=4.3=3.7V，Uce這個(gè)電壓也是合理的，Rce=3.7K，也就是可以這么理解，三極管把Rce調(diào)整為3.7K，可使電容的放電維持在1mA。
當(dāng)電容上的電壓降低到3V，會(huì)得到Uce=3-4.3=-1.3V，顯然這是不合理的，也就是說(shuō)Rce降低到0歐姆也滿足不了Ic=βIb
在認(rèn)為Uce可以降低到0V，可以計(jì)算出滿足恒流放電的最低電容電壓Ucmin=Ve=4.3V
綜上，當(dāng)電容電壓高于4.3V，三極管可工作在放大區(qū)，可以恒流的給電容放電，當(dāng)電容電壓低于4.3V，三極管則工作在飽和區(qū)。
事實(shí)上，作為半導(dǎo)體，CE間的電阻遠(yuǎn)降不到0Ω，所以一般Uce電壓只能降到約0.2V，稱之為飽和管壓降Uces。
總結(jié)：先假定三極管工作在放大區(qū)，滿足Ic=βIb和Ic≈Ie；然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，反推Uce的取值是否合理，Uce合理，原計(jì)算不用改動(dòng)，如果不合理，三極管飽和了，則會(huì)多出Uce=0V或Uce=0.2V這樣的條件（看是否忽略飽和管壓降），同樣可以重新求解電路。

PNP三極管構(gòu)成的恒流源充電電路

利用NPN三極管是無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒流源充電電路的，必須使用PNP三極管，如下是PNP三極管的等效電路圖。
PNP的特征方程
電流Ib是從E到B，Ic是從E到C。
PNP三極管設(shè)計(jì)電路原則
不建議直接用PNP管直接設(shè)計(jì)電路，而是先用NPN管設(shè)計(jì)電路，然后PNP管電路可以通過(guò)NPN管電路變換得來(lái)，變換原則如下：
1. 將VCC和GND對(duì)調(diào)。
2. 將電路中有方向性元件的正負(fù)方向?qū)φ{(diào)。
3. N管換成P管。
如下是將NPN三極管構(gòu)成的放電恒流源電路，改成PNP三極管后，得到的PNP三極管充電恒流源電路。

如下為恒流充電電路，負(fù)載為R，IC自上而下流過(guò)電阻R。可以計(jì)算得到Ic為1mA，與負(fù)載R的阻值無(wú)關(guān)，Ure=5=0.7V=4.3V，Ic≈Ie=Ure/Re=1mA。這個(gè)公式成立也需要三極管工作在放大區(qū)，負(fù)載電阻越大，這個(gè)公式越不容易成立。

如下，當(dāng)負(fù)載電阻為1K，得到Vc=1V，Ve=15-Ure=15-4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=9.7V，這個(gè)9.7V電壓正常，所以三極管處在放大區(qū)，1mA的恒流充電成立。
進(jìn)一步可以算出Rec=Vec/1mA=9.7K，也就是說(shuō)，PNP三極管將Rec維持在9.7K，Ic可維持在1mA。

假設(shè)負(fù)載電阻為20K，可得Vc=20V，Ve=15-Ure=15=4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=10.7-20=-9.3V，顯然，Uec不合理，所以三極管處于飽和區(qū)，1mA不成立。
如果忽略三極管的飽和管壓降Uces，此時(shí)實(shí)際電流Ic=Ve/R=10.7/20=0.5mA。

以上主要講解了NPN設(shè)計(jì)恒流源放電電路，PNP設(shè)計(jì)恒流源充電電路和三極管電路的計(jì)算方法。
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