三极管基本电路原理和检修详解

　　三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。本文首先介绍了三极管基本工作原理，其次阐述了三极管基本电路原理，最后介绍了三极管电路检修，具体的跟随小编一起来了解一下。

　　一、三极管基本工作原理

　　三极管工作原理

　　

　　三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

　　一、电流放大

　　下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

　　二、偏置电路

　　三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

　　三、开关作用

　　下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大 时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为 一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很 大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。

　　四、工作状态

　　如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管 的放大倍数 β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。

　　

　　二、三极管基本电路原理和检修

　　1、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《》

　　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。