三极管的工作原理和设计案例

工作原理

1.1 原理总结

首先说明下，之前学校的教材讲得很精辟，非常好，但实际应用中，如果再从这种很理论的基础去分析，多数载流子怎么流，少数载流子怎么流，让人很头痛！抛开上学教程材对三极管原理的分析，我们把它当成公理，直接拿出来用，总结如下：

1）三极管有三个极，发射极、基极、集电极，分别对应三个区：发射区、基区、集区。

三个区的功能：

发射区发射电子

集区收集发射区的电子

基区控制发射区发送到集区的电子的多少

因此，三极管是电流控制电流器件，即，通过基极电流控制集极的电流。

2）三极管有两二个PN结，发射结和集电结，这两个PN结的不同偏向状态，致使三极有四种不同工作模式：

发射结正偏，集电结正偏: 饱和状态

发射结反偏，集电结反偏：截止状态

发射结正偏，集电结反偏：放大状态

发射结反偏，集电结正偏：倒置状态

说明：发射结正偏，集电结正偏: 饱和 （基电极电压不能高于集极电压，电流会从基极流向集极）

是不是不好记？

正正，饱和

反反，截止

正反，放大（发射正偏，集电结反偏）

第四种就不管了，因为很少用到，如果需要了解的，后面再专门对倒置进行说明下。

放大状态时，电流之前的关系：

2）Ic=β*Ib，特别说明，这个β值，不是个固定的值！

设计案例

1.2 设计案例

以上是对教材里的总结，那么实际应用中，怎么理解呢？比如要设计一个电路LED驱动电路，LED点亮时，需要让三极管处于饱和状态，LED关闭时处于截止状态，如何设计相关参数呢？

图（1）

要分析原理，得了解下主要元件的规格参数。

1.2.1主要元件参数：

三极管型号：2N3904:主要参数有β，即hfe,从规格书中可以看出，这个值在VCE=1时，随IC的值不同而不同。

LED型号为：NCD0603R2，主要参数截图如下：

主要参数有，IF的极限值，VF的典型值，IF的最小电流（从伏安特性曲线中得到）

先说说各元件的作用：

R1是基极的限流电阻，在实际应用中左侧的3V电源是MCU来驱动的，为保证三极管基极有一个稳定的状态，R3下的拉到GND,保证基极在MCU的IO口无驱动时，基极有一个稳定的状态。R2为限流电阻。

那么怎么知道LED点灯时，三极管就处于饱和状态呢？普通的0603的红色LED,点亮电流只需要大于2mA（方便计算）,电压大于2V就可以了，

再对各参数进行计算：

先确定IC,

要保证LED灯点亮，IC要大于1.5Ma,为方便计算，取2Ma,LED导通电压取2V,三极饱和导通时，VCE为0.3V,当R3的电阻确定，则IC的饱和电流是直接可以算出来了：

IC(sat)=(5-2-0.3)V/100R=0.027A=27mA

显然27mA超过了规格书极限参数了，那么R3需要加大，改为150R

IC(sat)=(5-2-0.3)V/15R=0.018A=18mA

再确定IB

当IC<β*Ib时，三极管就进入饱和状态了，β对应规格书中的hfe,从规格书中可以看出这个放大倍数β是个变的值，是不是颠覆了大家对这个β的认识，至于为什么是变的，得出分析三极管的特性曲线，这里也不多说明！

临界时，当IC＝18mA,对应hef,从曲线图中得出，大概是190

Ib=IC/190=0.0947Ma=94.7mA

R1=（3－0.7）/94.7=24.28K

也就是说电阻R1小于这个阻值就可以了！

仿真图：

实际仿真时，发现R1要小于8K才能饱和，可能是Multisim中的2N3904的参数与网上找的2N3904不一样，网上2N3904的型号有很多！

所以基极电阻一般选用一个1K的肯定能满足要求了，仿真如下图：

当三极管作电平转换时，如果基极电压高于集电压，如下图（截起友方N58的电平转换电路，其实是有问题的），出现三极管倒置情况。使用时要避免此种情况。

总结：

三极管电路设计步骤：

1. 根据实际需求确认三极管的工作状态（实际应用99%当开关用，或间接作开关用）
2. 确定集电极电流IC，以便确定集电极的限流电阻等其它参数
3. 假定三极管处于饱和和放大的临界状态，此时VCE=0.3V ,计算出IC
4. 根据电流IC,查找对应的hfe
5. 计算IB，通过IB计算基极限流电限的最大值
6. 为方便起见，基极电阻选计算值的1/3。