三極體屬於電流型控制元器件,而場效應管屬於電壓控制元器件,首先要熟悉三極體和場效應管的基本原理,只有懂得其基本原理,才知道如何運用它。
1、三極體的基本原理及實例說明
三極體由兩個PN結組成,根據PN結的排列方式不同可分為NPN型和PNP型三極體,其結構和符號如下圖所示。三極體有三個極分別為:基極B、集電極C和發射極E。
三極體有三個工作區間:截止區、放大區和飽和區,其伏安曲線如下圖所示。
截止區:發射結兩端施加電壓不夠,發射結反偏,基極電流為零,集電極-發射極電流也為零,集電極和發射極之間內阻很大,相當於斷路狀態。
放大區:放大區發射結正偏,其電流放大關係滿足公式Ic=βIb,Ie=(β+1)Ib,其中β為三極體的放大倍數,該區域屬於三極體的線性區。
飽和區:當集電極的電流達到最大時,三極體處於飽和狀態,也就是說基極電流繼續增大時,集電極電流不再增大而達到穩定,集電極、發射極之間的內阻最小,此區間發射結正偏,集電結正偏。
實例說明:以NPN三極體為例(假設Ube=0.7V)
如下圖所示,使用NPN三極體控制LED燈,由於三極體屬於電流型控制元件,若基極輸入端為電壓,必須在基極上串聯限流電阻。因為基極與發射極之間為一個PN結(發射結),壓降為0.7V,因此只有輸入電壓Uin>0.7V時,該三極體基極才有電流,三極體才導通。
(1)當Uin<0.7V時,三極體截止,LED燈不亮;
(2)當Uin>0.7V時,三極體CE之間才有電流,根據輸入電壓和電流電阻R1的大小可控制集電極的電流,從而控制負載的電流。其公式為:Ib=(Uin-0.7V)/R1,Ic=βIb,限流電阻的選擇也是非常重要的,不能隨便使用,需要根據實際情況計算。
假設VCC=12V,輸入電壓Uin=5V,該三極體的放大倍數β為50,最大集電極電流Ic=0.5A,若想要三極體工作在飽和區,則根據Ib=Ic/β=0.5A/50=0.01A=10mA,R1=(Uin-0.7V)/Ib=4.3V/10mA=430Ω,因此限流電阻R1必須選擇430Ω左右。
2、場效應管的基本原理及實例說明
場效應管是電壓型控制元件,場效應管也分N溝道場效應管和P溝道場效應管,場效應管也有三個極,分別為:柵極G、漏極D和源極S。
場效應管也有三個工作區間:可變電阻區、飽和區(恆流區)和截止區,對於場效應管而言,柵極與源極之間的電壓Ugs必須滿足一定條件,管子才導通。
對於N溝道的場效應管而言,Ugs≥Uth,對於P溝道的場效應管而言,Ugs≤-Uth,Uth為場效應管的開啟電壓。
實例說明:以N溝道的場效應管為例(假設Uth=4V)
使用N溝道場效應管控制12V的LED燈,由於場效應管是電壓控制元件,輸入阻抗很大,幾乎不走電流,因此柵極上串聯電阻R1起保護作用。
(1)當Uin<4V時,場效應管截止,LED燈不亮;
(2)當Uin>4V時,場效應管才開始導通,但此時內阻很大,LED燈的電流較小。假設該場效應管的飽和驅動電壓為8V,則4V<Uin<8V時,場效應管工作於可變電阻區(非飽和區),驅動電壓Uin越大,其內阻越小;當Uin≥8V時,場效應管達到飽和狀態,此時場效應管的內阻很小,一般幾mΩ~幾十mΩ。
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