图说晶体三极管的工作原理及三个状态

三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。

三极管是一个以b(基极)电流Ib 来驱动流过CE 的电流Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

图1

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1 千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100 时，当Ib(基极电流)为1mA 时，就允许100mA 的电流通过Ice。

有了这个形象的解释之后，我们再来看一个单片机里常用的电路。

图2

分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压不计。基极电流就是10V&pide;10K=1mA，集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三极管的C、E 极上了。好!现在我们假如让Rb 为1K，那么基极电流就是10V&pide;1K=10mA，这样按照放大倍数100 算，Ic 就是不是就为1000mA 也就是1A 了呢?假如真的为1安，那么Rc 上的电压为1A×50Ω=50V。啊?50V!都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图：

图3

用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA 时使主水管上的阀开大到能流过1A 的电流，但是不是就能有1A 的电流流过呢?不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V&pide;50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib 增大到2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

上面讲的三极管是工作在放大状态，要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中，我们从Q 的基极注入电流IB，那么将会有电流流入集电极，大小关系为：IC=βIB 。而至于BJT 发射结电压VBE，我们说这个并不重要，因为只要IB 存在且为正值时，这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我们所讲的发射结正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基极驱动信号为电压信号时，就必须在基极串联一个限流电阻，如图4。此时，基极电流为IB=(Ui-UBE)/RB。一般情况省略RB 是不允许的，因为这样的话IB 将会变得很大，造成前级电路或者是BJT 的损坏。

图4

接下来进入我们最关心的问题：RB 如何选取。前面说到过IC=βIB，为了使晶体管进入饱和，我们必须增加IB，从而使IC 增大，RC 上的压降随之增大，直到RC 上几乎承受了所有的电源电压。此时，UCE 变得很小，约0.2～0.3V(对于大功率BJT，这个值可能达到2～3V)，也就是我们所说的饱和压降UCE(sat)。如果达到饱和时，我们忽略UCE(sat)，那么就有ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保证IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)时，晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据：Vcc=5V，β=200，RL=100Ω。那么要求IB≥5/(200×100)A=0.25mA。如果Ui=5V，那么取RB≤(Ui-UBE)/IB≈(5-0.7)/0.25kΩ=17.2kΩ就能满足要求了。但是，实际上，对于这种情况，如果取一个10kΩ以上的电阻都可能导致BJT 无法进入饱和状态。这是为什么呢?