咸庆信｜三极管基本电路原理和检修
导读：咸庆信老师常在博客更新以变频器维修为主的原创文章，并著书两册，为工控博客著书第一人。《变频器实用电路图集与原理图说》、《变频器实用电路维修和故障解析》即为咸老师所写。
三极管是三端、电流控制器件。较低的输入阻抗（发射结可等效为一只电阻，需有实实在在的电流流通，三极管才能导通，因而要求信号源有电流输出能力），挑信号源；较高的输出阻抗（挑负载，要求负载阻抗＞＞电路本身输出阻抗，输出电压降才能落实到负载上）。在Ic受控于Ib的受控区内，工作于可变电阻区，为线性放大器（模拟电路）；在Ic不受Ib控制的开关区，为开关电路（数字电路）。
上文中Ic指三极管集电极电流；Ib指三极管基极电流。
1、三极管基本工作原理
三极管是个简称，全称为晶体三体管，早期以锗材料制作的为多，因其热稳定性差漏电流（电磁噪声）大而被淘汰，现在应用的都是硅材料晶体三体管。随着电子技术的进步，由三极管分立元件构成的放大器、逻辑电路已近于绝迹，但做为执行电路的末级驱动器件，如直流继电器线圈和风扇的驱动、IGBT的末级驱动（此处三极管仅仅作为开关来应用，如控制风扇的运转、继电器的动作等）等，大部分电路仍然继续采用三极管器件。所以由三极管构成的线性放大器，已经无须多加关注，仅需关注其开关应用即可以了。其原因为，当一片四运放集成电路的价格与单只小功率三极管的价格相接近时，恐怕已经没有人再愿意用数只甚至更加庞大数量的三极管来搭接线性放大器了，从性价比、电路性能、体积等任何一点考虑，三极管都貌似是永远失掉了它的优势。
2、电路示例1——原理分析
虽然如此，为了更好地理解由三极管为核心构成的放大或开关电路，我带领大家设计一款最基本的三极管偏置电路，由对此简易电路的分析，找到分析三极管电路原理的关键所在。
已知：供电电源电压Vcc=10V；三极管β＝100；
要求：静态Ic＝1mA；静态Vc（三极管集电极电压）＝5V。可知这是一款简易单电源供电的小信号放大器。为了不失真输出信号电压（有较好的动态范围），通常将静态Vc设置为Vcc 的1/2，那么动态输出则是以5V为零点的上、下浮动的变化电压（如图1所示）。
电路设计：由电源电压=10V和Vc＝5V、Ic＝1mA三个条件，得出Rc值。10V-5V/1mA＝5k；由β＝100，第一步得出Ib=10µA；第二步若忽略发射结0.5V左右电压降，则10V/10µA=100 k。即RC决定了Ic，Rb决定了Ib。由两只电阻完成了静态工作点的建立。
1）静态工作点
拣要点，三个明要素：Ib=10µA；Ic＝1mA；Vc＝5V。
一个暗要素：我们将Q1的c、e极之间，看作一个电阻，暂命名其为Rce。此时在静态偏置状态下，Vc即为Rce和Rc的分压值，当然可看出Rce = 5k，此为第四个要素。
在输入信号作用下，其实是Rce的变化导致了输出电压Vc的变化。
需要注意：静态工作点即零信号时的工作偏置状态。此处的零信号并不一定是零电压值。参见图1的曲线图，IN端即Q1的Vb约为0.5V；Vc=5V。
2）当IN输入信号使Ib在静态基础上有所上升时，必然导致Ic的同步上升。我们可以给出一个确定值以便进行定量分析。此时Ib↑=15µA；Ic↑＝1.5mA（Rce↓）；Vc↓＝2.5V（这都是据欧姆定律加减乘除算出来的，Rc两端电压降7.5V，Rce两端当然为2.5V）。
Ic↑的使Rc两端的电压降增大，Vc下降，从暗要素考虑，此时是Rce的变小，导致了Vc分压点的电压降低，那么可见Rce为一只可变电阻，而实际上，在放大区内，三极管工作于可变电阻区，其c、e极之间，确实呈现一只可变电阻的特性！当Vc=2.5V时，可知Rce由静态时的5k变为现在的2k.。因而我在图2干脆画出这只电阻来，并标示出各点电压和电流值。
需要说明一下，三极管的控制特性为电流控制器件，此处在输入回路关注的是输入电流的变化而Vb值。这是因为：三极管的发射（PN结）结导通电压是一个相对稳态的值（称门坎电压如0.6V左右），而在此相对变化极小的Vb电压范围以内，其流通电流值Ib却有较大范围以内的变化。因而此时只关注Ib对Ic的影响。而从根本上来说，三极管是个电流控制器件或者为电流放大器，而电压放大，是个间接的结果——接入负载电阻Rc的目的，即是将Ic变化转化为Vc的变化。
可见，IN信号电压上升使Ib在静态基础上往正方向变化时，Vc呈现反方向变化，从IN和OUT的关系看，为反相关系，由此可确定该放大器为反相放大器。
3）当IN输入信号使Ib在静态基础上有所下降时，必然导致Ic的同比例下降。我们也可以给出一个确定值以便进行定量分析。此时Ib↓=5µA；Ic↓＝0.5mA（Rce↑）；Vc↑＝7.5V。
Ic↓的使Rc两端的电压降减小，Vc上升。从暗要素考虑，此时是Rce的变大，导致了Vc分压点的电压上升。当Vc=7.5V时，可知Rce由静态时的5k变为现在的15k。
综合以上2)、3）来看，输入信号电流的变化范围±5µA；放大100倍后，Ic变化范围±0.5mA；其实是Rce由此产生了2k~15k的变化量，导致了输出Vc变化范围±2.5V。
若假定IN±0.1V的变化量，导致了Vc±2.5V的变化量，则可认为该级放大器是25倍的电压放大器，100倍的电流放大器。
或再掐头去尾，在输入信号作用下，Ib的变化导致Rce产生了约1.7k~45k的变化，从而Vc产生了1~9V（即±4V）的输出变化。
在此区域内，Ib的线性变化控制着Rce（Ic）的线性变化，使输入、输出电压呈现反相的比例关系，三极管工作于可变电阻区，可称之为线性放大器，即通常所说的模拟电路。
若使三极管出离受控区或线性放大区，进入至开关区后，有以下两种情况。
4）进入饱合区的工作状态
IN输入信号电压的上升，使Ib↑≥20µA；Ic↑＝2mA；Vc↓＝0V。此时因为Rc=5k，电源电压=10V，Ib在20µA以上继续增大至哪怕至毫安级，Rc流过的最大电流也只能是2mA，其两端最大电压降也只能10V，此时的Ic ＝2mA被称为饱和电流。三极管工作于饱和状态。
此时的Rce<<Rc已经不再具有可变电阻的特性，更适宜于用SW1的闭合来等效了。Q1已经出离了放大区，进入了开、关区之一的饱和区。若忽略微小的饱和压降，则Vc可看作0V。
5）进入截止区的工作状态
IN输入信号电压的下降（Vb为0.3V以下至0V），使Ib↓＝0µA；Ic＝0mA；Vc↑＝10V。此时因Ic＝0mA，Rc两端电压降为0V，Q1等效于SW1断开。三极管工作于截止状态。
此时的Rce>>Rc已经不再具有可变电阻的特性，更适宜于用SW1的断开来等效了。Q1已经出离了放大区，进入了开、关区之二的截止区。若忽略集电极微弱漏电流的影响，则Vc也看作10V。
需要说明：
1）该电路定义为小信号电压放大器，做为一个中间放大器，是和前级电路的输出信号幅度、后级负载电路的输入阻抗密切结合的。须有适宜的输入信号电压幅度和适宜的负载阻抗，才能满足其电压放大条件。
作为放大器应用时，首先输入信号是在合理的线性范围内才行。输入信号电压幅度应在百毫伏级以内，输入信号电流应在±10µA左右。若输入信号导致Ib=0，或导致Ib≥20µA时，此为非法信号！做为放大器应用时，应避免非法信号的出现，换句话说，非法信号的进入，说明前级电路已为故障状态。
2）做为开关电路应用时，应避免小幅度渐变信号在输入端的出现，此亦为非法信号！开关电路若进入放大区，麻烦就来了，如驱动继电器时，会出现继电器振动不能吸合，工作电流过大而烧毁等状况。理想开关电路的输入信号，即高、低电平。如Ib应为60µA以上，以使三极管进入深度饱和，或Ib应为0µA或负的截止电流，使三极管进入可靠截止状态，以保障电路的开、关特性。
3）上文5)种状态，仅是信号电流角度来描述对三极管工作状态的影响。以饱和状态为例，三极管的饱和，其实还和多种因素相关。
a、和信号幅度相关，已述；
b、电路本身相关，如Rc取小时，若进入饱和状态，就需要更大的输入电流信号；取大时，会令饱和状态提前；
c、后级电路的影响，负载阻抗过低，会提前进入饱和区；负载短路，则直接进入“假饱和区”。
因而检修故障时，当该级放大器异常，仅仅着眼于该级电路是不够的，先确定信号和负载电路无问题，才对该电路下手，是正确的方法。
2、在线电压法确电定路的工作状态
三极管的工作在放大区、饱和区和截止区等三个区域内进行转换。放大器在工作中力争避开饱和区和截止区；工作于饱和区和截止区的开关电路，在由截止到饱和或由饱和到截止的过程中，不可避免地在进入一个短时的放大区（当然进入该区域的时间是越短越好），这都由相关的技术手段来保证。此不赘述。开关电路进入了放大区或放大器进入了开关区，都是电路出离了应该有的“常态” 而进入了“故障态”。这可由静态对发射结电压值和集电极、发射极之间的电压值这两项检测，来确定之。
放大区：Vbe约为0.5V左右，Vce约为二分之一的供电电源电压；
饱和区：Vbe约为0.5V~0.7V左右，Vce约为0V；
截止区：Vbe约为0.4V~0V左右或0V以下的负压（很少采用了），Vce约为电源电压。
电路处于什么状态，搭搭表笔（搭两下）就可以知道了。
3、电路示例2——故障检修
3.1电路检修基本要点和次序：
先电源；后信号；电路本身。
3.2而对于采用MCU或DSP构成的电路系统，通常应首先考虑到软件或数据的问题，然后才落实到硬件电路本身。如上电风扇不转。
3.2.1 查看参数设置，风扇运行一般有三种模式，1）上电运转；2）启动后运转；3）检测模块温度至一定值后运转。 若设置处于第3）项，当然风扇不转，与硬件电路没有一毛钱的关系。修改相关参数即能运行了。
3.2.2查找硬件电路的故障
具体到该电路（见图6）。可用“短路法”实现快速、准确的故障判断。
1) 用金属镊子短接Q1的c、e极，此动作意义：确定供电电源和风扇好坏。若风扇运行正常，说明供电电源和风扇均正常。反之，检查电源和风扇好坏，对于风扇可单独施加24V直流电源验其好坏。检测故障，不见得全盘依赖万用表啊。
2) 测量Q1的Vbe电压，确定电路本身或信号异常与否。可能会出现以下几种测量结果：
a）Vbe等于R1、R2的分压值，约为1.7V左右。结论是Q1的发射结开路（发射结为二极管特性，导通电压约0.6V左右）。
b）Vbe＝0.7V，控制信号正常，结论是Q1的集电结开路。
c）Vbe＝0V，有以下三种可能：
(1) 测R1左端也为0V，信号未到来，故障无关乎本电路，查前级信号传送电路；
(2) 测R1左端为5V。基极电阻R1断路，可用电阻测量法确定；
(3) 测R1左端为5V。Q1的发射结短路，可用电阻测量法确定。
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