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1.4 晶体三极管
1.4.1 三极管的特性
1.三极管的电路符号
图1.18 三极管电路符号
(a)NPN型 (b)PNP型
顾名思义，晶体三极管有3个电极，分别是：基极b、集电极c和发射极e，如图1.18所示为三极管的电路符号。有2种类型的三极管，图(a)为NPN型，图(b)为PNP型。和二极管一样，图中箭头所指方向为电流容易过的方向，因此，NPN型三极管是由管子流向发射极，而PNP型三极管是由发射极流向管子。若我们给三极管加反向偏压，比如给NPN三极管的发射极e接正电压，而基极或集电极按负电压，则三极管将无电流流过，因而也不会有什么作为。因此要使三极管正常工作，必须使电流的流向与符号中箭头所指的方向一致。实际上三极管的基极和发射极之间相当于一个二极管的2个电极，对NPN管来说，基极为阳极，发射极为阴极，对于PNP来说则相反。它的导通电压也为0.7V。
2．三极管的实验电路及分析
如图1.19所示为晶体三极管实验电路原理图，图中有两个回路：基极回路和集电极回路。基极回路由基极电源Eb、电阻Rb和三极管BE组成。因三极管的BE相当于一个二极管，故导通时Vbe=0.7V，基极电流Ib可通过欧姆定律得到：
图1.19 晶体三极管实验电路
因此通过改变基极电源Eb就可改变基极电流的大小。
集电极回路由集电极电源Ec、集电极电阻Rc和三极管CE组成，则回路方程为：
由于两个回路的电流都要流过发射极，因此发射电流Ie应是基极电流Ib和集电极电流Ic之和，即：
Ie = Ib + Ic
3．仿真实验
使用Protel对如图1.19所示的三极管电路进行仿真，仿真类型选择“DC Sweep”，扫描主电源为Eb，从电源为Ec，重点观察Ib、Ic和Vce的波形。
4．实验结论
(1) 即使加有集电极电压，但在基极无电流流过时，集电极和发射极也无电流流过。这样的状态称为三极管的“截止状态”，此时集—射电压Vce等于电源电压。
(2) 若基极电流有微量的电流流过，则在集电极可以获得较大的电流，且因集电极回路电源电压的变化所引起的集电极电流的变化不大，因此可以说集电极电流仅受控于基极电流。这样的状态被称为三极管的“放大状态”，集电极电流与基极电流之比被称为三极管的直流放大倍数：
在放大状态下，随着基极电流的上升，集—射电压Vce逐渐降低。
(3) 当基极电流增加到一定值时，集电极电流将保持在一个{zd0}值Ics而不再增加，此时集电极电流与基极电流的比值将小于放大状态时的直流放大倍数（即有）这个时候是因为Ib还在增加,或增加到一定值的过程,而Ic已经不再增加了,所以至少(βIb=Ics)，大于更可靠。这样的状态被称为三极管的“饱和状态”，在饱和状态下，集—射电压Vce约等于0.2V～0.3V(管子饱和压降)。实际上三极管在饱和时的集电极电流（即上面提到的{zd0}值）就是集电极回路能够提供{zd0}电流。
小结：三极管是一个电流控制器件，即用基极电流去控制集电极电流。若基极电流为零，则集电极电流也为零，此时三极管处于截止状态；若基极有微小电流流过，则集电极中可得到较大的电流，此时三极管处于放大状态，集电极电流与基极电流的比值被定义为三极管的放大倍数；当基极电流较大，使集—射电压约等于0.2V～0.3V时，三极管处于饱和状态，此时集电极电流为集电极回路能提供的{zd0}电流。
1.4.2 三极管的重要参数
本节以S8050为例介绍几项三极管的重要参数及意义，这对于三极管的选型非常重要。
1. 集电极—发射极{zd0}耐压Vceo
基极开路时集电极和发射极之间的{zd0}电压，若超过此值则三极管将被击穿。在选择晶体管时，Vceo大约为所用电源电压的两倍。S8050的Vceo为25V。
2. {zd0}集电极电流Icm
Icm是能够流过三极管集电极的{zd0}电流。在选择晶体管时，Icm大约为三极管正常工作时流过集电极{zd0}电流的两倍。S8050的Icm为0.5A。
3. {zd0}集电极功耗Pcm
Pc是集电极—发射极间的消耗的功率，为集电极电流Ic与集—射间电压Vce的乘积，即：
Pc = Ic X Vce
Pc在三极管内部转换为热，可导致三极管内部温度上升。Pcm则是可消耗的功率的{zd0}值。S8050的Pcm为0.625W。
当三极管处于截止状态时，虽然集—射电压Vce{zd0}，但集电极电流Ic最小，因此功耗较小；当三极管处于饱和状态时，虽然集电极电流Ic{zd0}，但集—射电压Vce最小，因此功耗也较小；当三极管处于放大状态时，集电极电流Ic和集—射电压Vce都较大，因此功耗{zd0}。
1.4.3 三极管的使用
因本教材是为计算机逻辑电路打下硬件基础的，故本节只讨论三极管的“截止”和“饱和”两个状态。至于“放大”状态则比较复杂，将来在<<电子技术基础（模拟部分）>>课程中还将详细学习。
1．开关应用
图1.20 三极管的开关应用
(a)三极管开关电路图 (b)三极管开关等效电路 (c)三极管开关输入输出波形
如图1.20(a)所示为三极管开关电路图。当输入Vi在0V左右时，三极管截止（关），输出Vo被R3拉为高电平；当输入Vi在+VCC左右时，三极管饱和（开），输出Vo接近0V。为了保证三极管工作在开（饱和）关（截止）状态，输入Vi必须不是较高电平就是较低电平，如若输入Vi为某个中间值2.3V（设VCC=5V），则三极管将进入放大状态，这是开关电路所不允许的。若输入在较高电平和较低电平之间变化，则必须迅速通过放大区。这样以来，图1.20(a)就等效为图1.20(b)所示的开关电路，即三极管等效为一个受控开关。
图1.20(c)为开关电路的输入输出波形图，图中输入Vi和输出Vo的取值仅为0V和VCC两者之一，且输入为0V输出就为VCC，输入为VCC输出就为0V，相当于一个反相器。
2．驱动继电器
继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。
图1.21所示为用NPN型三极管驱动继电器的电路图，图中阴影部分为继电器电路，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。当输入为0V时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器释放（OFF）；相反，当输入为+VCC时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合（ON）。
图1.21 用NPN三极管驱动继电器电路图
当输入电压由变+VCC为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器电感线圈中的电流突然失去了流通通路，若无续流二极管D将在线圈两端产生较大的反向电动势，极性为下正上负，电压值可达一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足以损坏三极管。故续流二极管D的作用是将这个反向电动势通过图中箭头所指方向放电，使三极管集电极对地的电压{zg}不超过+VCC +0.7V。
图1.21中电阻R1和R2的取值必须使当输入为+VCC时的三极管可靠地饱和，即有(βIb>Ics)。
例如，在图1.21中假设Vcc = 5V，(Ics=50mA)，，则有。
而 总电流的一部分;Ib=(Vcc-Vbe)/R1-Vbe/R2
则 (5V-0.7V)/R1-(0.7V/R2)>0.5mA
若取(R2=4.7k)，则(R1<6.63k)。为了使三极管有一定的饱和深度和兼顾三极管电流放大倍数的离散性，一般取(R1=3.6k)左右即可。
若取，当集成电路控制端为+VCC时，应能至少提供1.2mA的驱动电流（流过R1的电流）给本驱动电路，而许多集成电路（例如标准8051单片机）输出的高电平不能达到这个要求，但它的低电平驱动能力则比较强（例如标准8051单片机I/O口输出低电平能提供20mA的驱动电流），则应该用如图1.22所示的电路来驱动继电器。
图1.22 用PNP三极管驱动继电器电路图
与图1.21比较NPN三极管变为PNP三极管，电流方向、电压极性和继电器逻辑都应有所变化。当输入为0V时，三极管饱和，从而使继电器线圈有相当的电流流过，继电器吸合；相反，当输入为+VCC时，三极管截止，继电器释放。
题4：继电器驱动电路，回答下列问题(12分) ：
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(1) 完整地画出用一个PNP三极管驱动一个5V继电器的电路，说明各个元器件的作用；
(2) 若继电器的内阻为100欧姆，三极管的放大倍数为100倍，试计算出在满足什么样的条件下，继电器
能可靠地吸合？
答：电路如图1所示，三极管Q为PNP驱动三极管，工作在开关状态；二极管D为继电器线圈在由吸合变为断开时提供续流，以免产生高压，从而保护三极管Q。
图1 继电器驱动电路
当Vdrv=0V时，Rb取值计算如下：
Ic=Vcc/Rj=5/100=50 (mA)
Ib=Ic/β=50/100=0.5 (mA)
Rb=(Vcc—Vbe)/Ib=(5—0.7)/0.5=8.6 (K)
当Rb<=8.6K时，继电器能可靠吸合。(备注：此计算的8.6K为在Ic=Vcc/Rj=5/100=50 (mA)时的最小要求，根据Ib=Ic/β，算出Ib的最小值，所以要可靠的话，Rb要更小更可靠！)
