PNP型三極管基礎(chǔ)知識解析
PNP型三極管,是由2塊P型半導(dǎo)體中間夾著1塊N型半導(dǎo)體所組成的三極管,所以稱為PNP型三極管。也可以描述成,電流從發(fā)射極E流入的三極管。
PNP型三極管發(fā)射極電位最高,集電極電位最低,UBE<0.
三極管按結(jié)構(gòu)分,可分為NPN型三極管和PNP型三極管。
下圖PNP型三極管。
三極管導(dǎo)通時IE=(放大倍數(shù)+1)*IB和ICB沒有關(guān)系,ICB=0 ICB>0時,可能三極管就有問題,所以三極管在正常工作時,不管是工作在放大區(qū)還是飽和區(qū)ICB=0
當UEB>0.7V(硅)(鍺0.2V),RC/RB<放大倍數(shù)時,三極管工作在飽和區(qū),反之就工作在放大區(qū)。
PNP型三極管與NPN型三極管區(qū)別2個PN結(jié)的方向不一致。
PNP是共陰極,即兩個PN結(jié)的N結(jié)相連做為基極,另兩個P結(jié)分別做集電極和發(fā)射極;電路圖里標示為箭頭朝內(nèi)的三極管。
NPN則相反
工作原理:
晶體三極管按材料分有兩種:鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管,兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。
對于NPN管,它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。
當b點電位高于e點電位零點幾伏時,發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而C點電位高于b點電位幾伏時,集電結(jié)處于反偏狀態(tài),集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。
在制造三極管時,有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時基區(qū)做得很薄,而且,要嚴格控制雜質(zhì)含量,這樣,一旦接通電源后,由于發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)基極區(qū)的多數(shù)載流子(空穴)很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。
由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏,注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合,被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給,從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得:
Ie=Ib+Ic
這就是說,在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β1--稱為直流放大倍數(shù),
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為:
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數(shù),由于低頻時β1和β的數(shù)值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴格區(qū)分,β值約為幾十至一百多。
同理,PNP三極管則主要是形成空穴電流,其余原理基本相近。
三極管是一種電流放大器件,但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用,通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>pnp型的三極管使用方法
三極管在我們數(shù)字電路和模擬電路中都有大量的應(yīng)用,在我們開發(fā)板上也用了多個三極管。在我們板子上的 LED 小燈部分,就有這個三極管的應(yīng)用了,圖 3-5 的 LED 電路中的 Q16就是一個 PNP 型的三極管。
圖 3-5 LED 電路
三極管的初步認識三極管是一種很常用的控制和驅(qū)動器件,常用的三極管根據(jù)材料分有硅管和鍺管兩種,原理相同,壓降略有不同,硅管用的較普遍,而鍺管應(yīng)用較少,本課程就用硅管的參數(shù)來進行講解。三極管有 2 種類型,分別是 PNP 型和 NPN 型。先來認識一下,如圖 3-6。
圖 3-6 三極管示意圖
三極管一共有 3 個極,從圖 3-6 來看,橫向左側(cè)的引腳叫做基極(base),中間有一個箭頭,一頭連接基極,另外一頭連接的是發(fā)射極 e(emitter),那剩下的一個引腳就是集電極 c(collector)了。這是必須要記住的內(nèi)容,死記硬背即可,后邊慢慢用的多了,每次死記硬背一次,多次以后就會深入腦海了。
三極管的原理三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。放大狀態(tài)主要應(yīng)用于模擬電路中,且用法和計算方法也比較復(fù)雜,我們暫時用不到。而數(shù)字電路主要使用的是三極管的開關(guān)特性,只用到了截止與飽和兩種狀態(tài),所以我們也只來講解這兩種用法。三極管的類型和用法我給大家總結(jié)了一句口訣,大家要把這句口訣記牢了:箭頭朝內(nèi) PNP,導(dǎo)通電壓順箭頭過,電壓導(dǎo)通,電流控制。下面我們一句一句來解析口訣。大家可以看圖 3-6,三極管有 2 種類型,箭頭朝內(nèi)就是PNP,那箭頭朝外的自然就是 NPN 了,在實際應(yīng)用中,要根據(jù)實際電路的需求來選擇到底用哪種類型,大家多用幾次也就會了,很簡單。三極管的用法特點,關(guān)鍵點在于 b 極(基極)和 e 級(發(fā)射極)之間的電壓情況,對于PNP 而言,e 極電壓只要高于 b 級 0.7V 以上,這個三極管 e 級和 c 級之間就可以順利導(dǎo)通。也就是說,控制端在 b 和 e 之間,被控制端是 e 和 c 之間。同理,NPN 型三極管的導(dǎo)通電壓是 b 極比 e 極高 0.7V,總之是箭頭的始端比末端高 0.7V 就可以導(dǎo)通三極管的 e 極和 c 極。這就是關(guān)于“導(dǎo)通電壓順箭頭過,電壓導(dǎo)通”的解釋,我們來看圖 3-7。
圖 3-7 三極管的用法
我們以圖 3-7 為例介紹一下。三極管基極通過一個 10K 的電阻接到了單片機的一個 IO口上,假定是 P1.0,發(fā)射極直接接到 5V 的電源上,集電極接了一個 LED 小燈,并且串聯(lián)了一個 1K 的限流電阻最終接到了電源負極 GND 上。如果 P1.0 由我們的程序給一個高電平 1,那么基極 b 和發(fā)射極 e 都是 5V,也就是說 e到 b 不會產(chǎn)生一個 0.7V 的壓降,這個時候,發(fā)射極和集電極也就不會導(dǎo)通,那么豎著看這個電路在三極管處是斷開的,沒有電流通過,LED2 小燈也就不會亮。如果程序給 P1.0 一個低電平 0,這時 e 極還是 5V,于是 e 和 b 之間產(chǎn)生了壓差,三極管 e 和 b 之間也就導(dǎo)通了,三極管 e 和 b 之間大概有 0.7V 的壓降,那還有(5-0.7)V 的電壓會在電阻 R47 上。
這個時候,e 和 c 之間也會導(dǎo)通了,那么 LED 小燈本身有 2V 的壓降,三極管本身 e 和 c 之間大概有 0.2V的壓降,我們忽略不計。那么在 R41 上就會有大概 3V 的壓降,可以計算出來,這條支路的電流大概是 3mA,可以成功點亮 LED。最后一個概念,電流控制。前邊講過,三極管有截止,放大,飽和三個狀態(tài),截止就不用說了,只要 e 和 b 之間不導(dǎo)通即可。我們要讓這個三極管處于飽和狀態(tài),就是我們所謂的開關(guān)特性,必須要滿足一個條件。三極管都有一個放大倍數(shù)β,要想處于飽和狀態(tài),b 極電流就必須大于 e 和 c 之間電流值除以β。這個β,對于常用的三極管大概可以認為是 100。
那么上邊的 R47 的阻值我們必須要來計算一下了。剛才我們算過了,e 和 c 之間的電流是 3mA,那么 b 極電流最小就是 3mA 除以 100 等于30uA,大概有 4.3V 電壓會落在基極電阻上,那么基極電阻最大值就是 4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個值小就可以,當然也不能太小,太小會導(dǎo)致單片機的 IO 口電流過大燒壞三極管或者單片機,STC89C52 的 IO 口輸入電流最大理論值是 25mA,我推薦不要超過 6mA,我們用電壓和電流算一下,就可以算出來最小電阻值,我們圖 3-7 取的是經(jīng)驗值。
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