汽车电工电子技术 第2版 课件 2.7 晶体管

2.6晶体管一、晶体管的作用晶体管在电子电路中扮演着重要的角色,使用晶体管可对模拟信号进行放大,也可利用晶体管的开关特性实现高低电平的转换。二、晶体管的结构及分类1.晶体管分类①按制造材料的不同晶体管可分为硅管和锗管。②按内部结构的不同,晶体管可分为NPN型和PNP型两类。③按工作功率的不同,分为小功率管和大功率管,耗散功率小于1W的为小功率管,耗散功率大于1W的为大功率管。2.晶体管的外形

3．晶体管的结构及电路符号

(1)结构

晶体管是由两个PN结组成的三层半导体器件，中间是一块很薄的掺杂浓度很低的Ｐ型半导体，对应的区域称为基区，两边各为一块Ｎ型半导体，对应的区域分别是集电区和发射区，其中发射区比集电区掺杂浓度高。从三个区域上各自接出三根电极，分别是基极B、发射极E和集电极C。三个区域有两个交界面，分别对应两个PN结，基区与集电区交界处的PN结称为集电结，基区与发射区交界处的PN结称为发射结。3．晶体管的结构及电路符号

(2)符号NPN型晶体管和PNP型晶体管的电路符号如图所示，需要注意的是NPN型管的符号的箭头是朝外的，而PNP型管的箭头是朝里的。1．晶体管的工作状态

(1)截止状态

三极管的集电极和发射极之间接近开路，相当于开关断开，此时三极管处于截止状态。三极管处于截止状态时，其发射结和集电结都是反偏。(2)放大状态

三极管工作在放大状态，具有电流放大能力，即集电极电流和基极电流满足IC=βIB。此时发射结正偏，而集电结反偏。

（3)饱和状态

集电极与发射极之间接近短路，相当于导线，处于接通状态。这一点在对三极管开关电路分析时很重要。三极管饱和的条件是发射结和集电结都处于正偏状态。三、晶体管的工作状态及主要参数2．晶体管主要参数

(1)电流放大倍数

是用来描述晶体管处于放大状态时的集电极电流与基极电流的大小关系。(2)集电极最大允许电流ICM当集电极电流超过某一值时,电流放大倍数β值就要下降,ICM就是β下降到其正常值的2/3时的集电极电流。使用晶体管时,IC超过ICM时晶体管不一定会损坏,但β值会显著下降。

（3)集电极最大允许耗散功率PCM

集电极在工作时会发热升温，为避免管子过热而烧坏，而规定的集电极功耗的最大值。大功率三极管必须加装散热片才能确保它安全。三、晶体管的工作状态及主要参数

晶体管的三个电极构成了两个回路:基极和发射极回路、集电极和发射极回路。发射极是两个回路的公共端,所以该电路称为共射极电路。

在该电路中,电源EB经电阻RB、RP给发射结加上正向偏压,电源EC给集电结加上反向偏压,这是保证晶体管具有电流放大作用的外部条件。四、晶体管的放大原理

三极管工作在放大区时，具有电流放大作用，常用来构成各种放大电路；工作在截止区和饱和区时，相当于开关的断开和接通，具有开关作用，常用于开关控制和数字电路中对电平进行转换。例如，在电子控制的组合仪表中，首先将温度、压力、流量等非电量通过传感器变换为微弱的电信号，通过放大后才能够通过仪表显示出来，或者用来推动执行元件动作以实现自动控制。①晶体管各电极电流分配关系满足发射极电流等于基极电流与集电极电流之和,我们把晶体管看成一个节点,满足基尔霍夫电流定律:流入管子的电流之和等于流出管子的电流之和。②在一定范围内,基极电流IB增大时,集电极电流IC成比例相应增大,IC与IB的比值称为晶体管的直流放大倍数,用字母β表示。③在一定范围内,集电极电流IC因基极电流IB的变化而变化,且集电极电流变化量与基极电流的变化量的比值一定,该比值称为晶体管的交流电流放大倍数,以β表示。3.3.1晶体管基础知识④基极开路时,即IB＝0时,集电极电流很小,约等于零,利用这一特性可将晶体管当作开关使用。⑤当基极电流IB增大到一定数值后,IC保持不变,即IB失去了对IC的控制作用。

1.基本电压放大电路组成晶体管共射极接法的基本电压放大电路,其核心元件为NPN型晶体管。其中,ui为输入的交流信号,uo为放大后输出的交流信号。（1）晶体管VT

是放大电路的核心,起电流放大作用,它将微小的基极电流变化量转换成集电极电流较大的变化量,即较大的集电极电流受较小的基极电流的控制。从能量观点来看,输入信号的能量是较小的,而输出信号的能量是较大的。但不能说放大电路把能量放大了,能量依然是守恒的,不能被放大,输出的较大的能量来源是电源EC。也就是能量较小的输入信号通过晶体管去控制电源EC供给的能量,以便在输出端获得能量较大的信号。这种小能量控制大能量的作用是晶体管放大作用的实质。五、晶体管的基本放大原理2.各器件作用(2)集电极电源EC

集电极电源EC有两个作用:一是为较大能量的输出信号提供电能;二是保证晶体管的集电结处在反偏状态,是晶体管工作在放大状态的条件之一。电源EC的电压一般为几伏到几十伏。(3)集电极负载电阻RC

该电阻的作用是将已经放大了的集电极电流的变化转化为电压的变化,以实现电压的放大。RC的阻值一般为几千欧到几十千欧。(4)基极电源EB和基极电阻RB

电源EB的作用是使发射结正偏,使得晶体管工作在放大状态串联电阻RB是为了控制基极电流的大小,使得放大电路工作在输出特性曲线上的合适范围内。RB的阻值一般为几十千欧。(5)耦合电容C1和C2

这两个电容分别接在放大电路的输入端和输出端,利用的是电容通交流隔直流的特性,一方面隔断信号源与输出端、负载与输出端的直流通路,防止放大电路中的直流成分影响信号源和负载;另一方面保证交流信号畅通无阻地通过放大电路,沟通信号源、放大电路和负载三者之间的交流通路。两电容为极性电容,一般取值为5μF到50μF。3.放大原理

当输入电压信号ui增大时，uBE增大，IB和iC也随之增大，uCE减小，即uCE的变化与iC的变化相反，所以最后得到的输出电压信号uo与输入信号ui的相位相反。只要电路参数适当，uo的幅值比ui的幅值大的多，这就实现了电压放大功能。

除了放大作用外,晶体管还可用作开关,微弱的信号通过晶体管开关作用可以控制电路的闭合与断开,从而控制负载的工作。

晶体管集电极与一个小灯泡串联后接在12V的电源上,基极通过一个电阻接到一个单刀双掷开关上,开关左侧分别接5V和0V。当开关拨到0V时,基—射极电压UBE为0V,即发射极两端没有电压,则基极电流IB为0,晶体管处在截止状态,由晶体管输出特性曲线可知集电极电流IC约等于零,这时的晶体管相当于一个断开的开关,整个电路断开,灯泡不亮。当单刀双掷开关拨到5V位置时,有电压UBE加在发射结上,产生基极电流IB,且通过选择阻值大小合适的基极电阻使晶体管这时处于饱和导通状态,即晶体管集—射极电压UCE可忽略不计,这时的晶体管就相当于闭合的开关,灯泡发光,这就是晶体管的开关作用。

在汽车电路中,起开关作用的晶体管应用的地方非常多,比如发动机电控单元(ECU)利用晶体管的开关作用控制点火线圈的通断电,使点火线圈产生瞬间高压,通过晶体管开关作用控制喷油器的通断电和通电时间,控制喷油时刻和喷油量。六、晶体管的开关作用

简单无触点电子闪光器电路图,由电容和起开关作用的晶体管共同构成,利用电容的充放电和晶体管开关原理产生间歇电流,从而使转向灯闪烁。

其工作过程为:当转向灯开关接通后,VT1通过R2得到正向电压而饱和导通,导致VT2的基极电位被拉低,使VT2截止,导致VT3无基极电位而截止,此时只有VT1发射极电流通过转向灯,由于VT1发射极电流很小,故转向灯很暗。同时,电源给电容充电,使VT1基极电位降低,当低于其导通所需正向偏压时,VT1截止。VT1截止后,VT2的基极通过R3获得正向偏压而导通,VT2导通使VT3基极电位下降,VT3发射结获得正向偏压而导通,VT3产生较大的发射极电流通过转向灯