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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