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三極體的工作條件及工作狀態的判斷

晶體三極體簡稱為電晶體,它由兩個PN接面有機地結合在一起構成半導體器件,電晶體內部可分為三個區域(NPN型矽管或PNP型鍺管),從三個區域各引出一個電極,稱為發射級(e)、基級(b)和集電極(C),利用電晶體可以放大訊號、高低頻振盪、無觸點開關等。下面來對電晶體工作的條件及工作狀態的判斷作以較深入些的學習與理解,這裡僅扼要把上述兩個問題剖析一下。

一、電晶體工作的條件

1.集電極電阻Rc:

在共發射極電壓放大器中,為了取出電晶體輸出端的被放大訊號電壓Use(動態訊號),需要在集電極串接一隻電阻Rc。這樣一來,當集電極電流Ic通過時,在Re上產生一電壓降IcRc,輸出電壓由電晶體c-e之間取出,即Usc=Uce=Ec-IcRc,所以Use也和IcRc —樣隨輸入電壓Ui的發生而相應地變化。

2.集電極電源Ec(或Vcc):

Ec保證電晶體的集電結處於反向偏置,使管子工作在放大狀態,使弱訊號變為強訊號。能量的來源是靠Ec的維持,而不是電晶體自身。

3.基極電源Eb:

為了使電晶體產生電流放大作用,除了保證集電結處於反向偏置外,還須使發射結處於正向偏置,Eb的作用就是向發射結提供正向偏置電壓,並配合適當的基級電阻Rb,以建立起一定的靜態基極電流Ib。當Vbe很小時,Ib=O,只有當Vbe超過某一值時(矽管約0.5V,鍺管約0.2V,稱為門檻電壓),管子開始導通,出現Ib。隨後,Ib將隨Vbe增大而增大,但是,Vbe和Ib的關係不是線性關係:當Vbe大於0.7V後,Vbe再增加一點點,Ib就會增加很多。電晶體充分導通的Vbe近似等於一常數(矽管約0.5V,鍺管約 0.5V)。

4.基極偏流電阻Rb:

在電源Eb的大小已經確定的條件下,改變Rb的阻值就可以改變電晶體的靜態電流Ib,從而也改變了集電極靜態電流Ic和管壓降Vce,使放大器建立起合適的直流工作狀態。

二、電晶體工作狀態的判斷

晶體三極體工作在放大區時,其發射結(b、e極之間)為正偏,集電結(b、c極之間)為反偏。對於小功率的NPN型矽,呈現為Vbe≈0.7V,Vbc<0V(具體數值視電源電壓Ec與有關元件的數值而定):對於NPN型鍺管,Vbe≈0.2V,Vbc<0V;對於PNP型的晶體三極體,上述電壓值的符號相反,即小功率PNP型矽管Vbe≈-0.7V,Vbc>0V,對於小功率 PNP型鍺管,Vbe≈-0.2V,Vbc>0V。如果我們在檢測電路中發現晶體三極體極間電壓為上述數值,即可判斷該三極體工作在放大區,由該三極體組成的這部分電路為放大電路。

另外,在由電晶體組成的振盪電路中,其三極體也是工作在放大區,但由於三極體的輸出經選頻諧振迴路並同相反饋到其b、C極之間,使電路起振,那麼b、e極之間的電壓Ube,對於矽管來說就小於0.7V 了(一般為0.2V左右)。如果我們檢測出Vbe<0.7V,且用導線短接選頻諧振電路中的電感使電路停振時Vbe0.7V,則可判斷該電路為振盪電路。

2.工作在截止區的判斷:

三極體工作在截止區時,發射結與集電結均為反偏,而在實際的電路中,發射結也可以是零偏置。這樣對於小功率NPN型三極體,呈現為Vbe≤0,Vbc<0V(具體數值主要決定於電源電壓Ec);對於小功率NPN型三極體,呈現為Vbe≥OV,Vbc≥0V,此時的 Vce≈Ec,如果我們檢測出電路中晶體三極體間電壓為上述情況,則可判斷該三極體工作在截止區。

3.工作在飽和區的判斷:

三極體工作在飽和區時,其發射結與集電結均為正偏。對於小功率NPN型矽管,呈現為Vbe多0.7V(略大於工作在放大區時的數值),Vbc>0V (不大於Vbe的值);對於小功率NPN型鍺管,類似地有Vbe≥0.2V(略大於工作在放大區時的值),Vbc>OV (不大於Vbe的值)。對於PNP型的電晶體,上述電壓值的符號相反,即小功率的PNP型矽管,Vbe≥-0.7V,Vb<0V(不小於Vbe的值;小功率PNP型鍺管,Vbe≤-2V,Vbc<0V(不小於Vbe的值)。一般情況下,此時的Vce≈0.3V(矽管)或 Vce≈0.1V(鍺管),如果我們檢測出電路中的晶體三極體極間電壓符合上述情況,則可判斷該三極體工作在飽和區。

需要指出一點的是:在有些電子電路中,如開關電路、數位電路等,三極體工作在截止區與飽和區之間相互轉換,如附圖所示。當A點為0V時,EB通過R1、R2分壓使基極處於負電壓,發射結反偏;同時集電結也是反偏的,那麼三極體T截止;當A點輸入為6V時,R1、R2分壓使三極體發射結正偏,產生足夠大的基極電流使三極體飽和導通,輸出端L約為0.3V,此時集電結也為正偏。我們檢測電路是否正常時,可以分別使A端輸人0V與6V的電壓,並分別測量兩種情況下的三極體極間電壓,看是否符合上述截止與飽和的情況,從而就可以判斷該電路工作是否正常。


三、小結

晶體三極體有三個工作區,即放大區、截止區、飽和區。電路設計時,可根據電路的要求,讓電晶體工作在不同的區域以組成放大電路、振盪電路、開關電路等,如果三極體因某種原因改變了原來的正常工作狀態,就會使電路工作失常;電子產品出現故障,這時就要對故障進行分析,首要的工作就是按前述方法檢查三極體的工作狀態。

為了對電晶體工作在三個區域的情況有一個較明確的認識,附表列出了有關具體情況,供參考理解。對於具體的檢測工作,要注意兩點問題:一是最好使用內阻較大的數字萬用表進行測量,以減少測量誤差,同時避免直接測量時因萬用表的內阻小引起三極體工作狀態的改變;二是最好分別測量晶體三極體各極對地的電壓,然後計算出Ube.Ubc或Uce的值,避免誘發電路故障的可能性。