三極管與恒流源充放電電路

三極管簡介
三極管是晶體管的一種，三極管的三個極分別是基極（Base）、發(fā)射極（Emitter）、集電極（Collector）。

如下是 NPN 三極管的等效電路，BE 之間就是一個二極管，CE 之間等效為一個可調(diào)電阻，阻值可以從若干歐到無窮大（開路）。

NPN 的特征方程：
Ic=βib，NPN 的 Ib 是從 B 到 E，Ic 是從 C 到 E，β是三極管自身的放大倍數(shù)，可認為是取決于生產(chǎn)工藝的常數(shù)，數(shù)值從幾十到數(shù)百倍之間。

需要注意的是，三極管只能依靠改變 CE 間等效電阻 Rce 來實現(xiàn) Ic=βib

如果 Rce 降到最小值，都實現(xiàn)不了 Ic=βib，稱為“飽和”

如果 Rce 增到最大值，都實現(xiàn)不了 Ic=βib，稱為“截止”

如果三極管實現(xiàn) Ic=βib，稱為三極管工作在放大區(qū)。

NPN 三極管構(gòu)成的恒流源放電電路
如下，給一個充好電的電容接上一個電阻，放電電流為 Ic=Uc/R，由于 Uc 是不斷降低的，所以放電電流不是恒定的。

下圖所示，為電容恒流放電電路，可以計算得到 IC 的值為 1mA，與電容的電壓無關(guān)。

Ve=5-0.7V=4.3V

Ic≈Ie=Ve/Re=4.3/4.3=1mA

其中 Ve=5-0.7V=4.3V 是一定成立的，Ic≈Ie=Ve/Re 等式成立的前提條件是三極管在放大區(qū)，即 Ic=βIb，由于β一般是 100 倍量級的，所以 Ie=Ic+Ib≈Ic 才成立。

求解三極管電路的步驟?
1. 先假定三極管工作在放大區(qū)，滿足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie；

2. 然后再根據(jù)計算結(jié)果，反推 Uce 的取值是否合理，判斷之前的假設(shè)是否合理。

如下圖所示，假設(shè)電容上的電壓為 10V，便可以得到 Uce=10-4.3=5.7V，Rce=5.7V/1mA=5.7K，也就是可以這么理解，三極管把 Rce 調(diào)整為 5.7K，就可使電容的放電維持在 1mA。

同理，假設(shè)電容的電壓為 8V 時，可以得到 Uce=8=4.3=3.7V，Uce 這個電壓也是合理的，Rce=3.7K，也就是可以這么理解，三極管把 Rce 調(diào)整為 3.7K，可使電容的放電維持在 1mA。

當電容上的電壓降低到 3V，會得到 Uce=3-4.3=-1.3V，顯然這是不合理的，也就是說 Rce 降低到 0 歐姆也滿足不了 Ic=βIb

在認為 Uce 可以降低到 0V，可以計算出滿足恒流放電的最低電容電壓 Ucmin=Ve=4.3V

綜上，當電容電壓高于 4.3V，三極管可工作在放大區(qū)，可以恒流的給電容放電，當電容電壓低于 4.3V，三極管則工作在飽和區(qū)。

事實上，作為半導體，CE 間的電阻遠降不到 0Ω，所以一般 Uce 電壓只能降到約 0.2V，稱之為飽和管壓降 Uces。

總結(jié)：先假定三極管工作在放大區(qū)，滿足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie；然后再根據(jù)計算結(jié)果，反推 Uce 的取值是否合理，Uce 合理，原計算不用改動，如果不合理，三極管飽和了，則會多出 Uce=0V 或 Uce=0.2V 這樣的條件（看是否忽略飽和管壓降），同樣可以重新求解電路。

PNP 三極管構(gòu)成的恒流源充電電路
利用 NPN 三極管是無法實現(xiàn)恒流源充電電路的，必須使用 PNP 三極管，如下是 PNP 三極管的等效電路圖。

PNP 的特征方程
電流 Ib 是從 E 到 B，Ic 是從 E 到 C。

PNP 三極管設(shè)計電路原則
不建議直接用 PNP 管直接設(shè)計電路，而是先用 NPN 管設(shè)計電路，然后 PNP 管電路可以通過 NPN 管電路變換得來，變換原則如下：

1. 將 VCC 和 GND 對調(diào)。

2. 將電路中有方向性元件的正負方向?qū)φ{(diào)。

3. N 管換成 P 管。

如下是將 NPN 三極管構(gòu)成的放電恒流源電路，改成 PNP 三極管后，得到的 PNP 三極管充電恒流源電路。

如下為恒流充電電路，負載為 R，IC 自上而下流過電阻 R。可以計算得到 Ic 為 1mA，與負載 R 的阻值無關(guān)，Ure=5=0.7V=4.3V，Ic≈Ie=Ure/Re=1mA。這個公式成立也需要三極管工作在放大區(qū)，負載電阻越大，這個公式越不容易成立。

如下，當負載電阻為 1K，得到 Vc=1V，Ve=15-Ure=15-4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=9.7V，這個 9.7V 電壓正常，所以三極管處在放大區(qū)，1mA 的恒流充電成立。

進一步可以算出 Rec=Vec/1mA=9.7K，也就是說，PNP 三極管將 Rec 維持在 9.7K，Ic 可維持在 1mA。

假設(shè)負載電阻為 20K，可得 Vc=20V，Ve=15-Ure=15=4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=10.7-20=-9.3V，顯然，Uec 不合理，所以三極管處于飽和區(qū)，1mA 不成立。

如果忽略三極管的飽和管壓降 Uces，此時實際電流 Ic=Ve/R=10.7/20=0.5mA。

以上主要講解了 NPN 設(shè)計恒流源放電電路，PNP 設(shè)計恒流源充電電路和三極管電路的計算方法。