三极管与恒流源充放电电路

strongerHuang 2020-10-21 00:00

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转自：记得诚电子设计

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。

有兴趣的小伙伴可以去TI官网找视频观看，网址如下：

http://edu.21dianyuan.com/index/course_video/vcid/983

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strongerHuang 作者黄工，高级嵌入式软件工程师，分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。

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