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2023-06-22
晶体管的基本电路和保护电路
【摘要】：为了使晶体管更好地截止，应采用Ice0较小的管子。在切断这些电感负载时会产生感应过电压，因而可能击穿三极管，为此需采取保护措施。采用二极管和电容保护的电路。1）当输入信号较强时，采用单管电路，其保护电路如图1-43所示。
1.晶体管三种工作状态及三种基本电路
晶体管作为放大用应工作在其特性曲线的放大区；晶体管作为开关用应工作在特性曲线的饱和区和截止区。晶体管的放大区、饱和区和截止区如图1-41所示。
图1-41 晶体管的放大区、饱和区和截止区
（1）截止状态。
条件：对PNP型管，Ub≥Ue；对NPN型管，Ub≤Ue。截止时的特点是两个PN结均为反向偏置。
特点：Ib≈0，Ie≈0，Uce≈Ec（Ec为电源电压）。
为了使晶体管更好地截止，应采用Ice0较小的管子。
（2）放大状态。
条件：发射结加正向电压，Ub＞Ue；集电结反向，Uc＞Ub。
特点：ΔIc＝βΔIb满足放大规律，Ic与Rc、Ec基本上无关。
（3）饱和（导通）状态。
特点：发射结、集电结都处于正向，Ib增加，Ic不再增加，Ic＝Ec/Rc由Rc、Ec决定，饱和压降Uces≈0，这时可以把晶体管的三个电极看作是接通的。
晶体管三种工作状态和数量关系见表1-15。
表1-15 晶体管三种工作状态和数量关系
续表
晶体管三种接法的比较见表1-16。
表1-16 晶体管三种接法的比较
注PNP型三种接法的电源极性相反。
2.交流放大器的设计要点
（1）需要考虑放大器工作点的稳定性和放大器的电压放大倍数这两项指标。
通常应满足以下条件
Ib——三极管基极电流；
Ub——三极管基极电压（对地）；
Ube——三极管基-射极电压。
对于硅管电路，基极分压电阻Rb1、Rb2可选得很大，这样可以减小它们对信号的分流作用。
设计时，一般可先选定管子的工作电流（集电极电流）Ic（或Ie）和管电压（集-射极电压）Uce，并且要满足以上两式所提出的工作点稳定的条件，由这些条件出发来计算电路的元件参数，可使计算过程大大简化。
在设计晶闸管励磁装置时，必须注意合适的灵敏度。灵敏度过高，频率很难稳定在50Hz左右。往往上升时就高于55Hz，下降时就低于45Hz，频率表上已无法读出真正的读数。为了降低灵敏度，测量桥输出的第一级放大管（一般为3DG6），其放大倍数不宜过大，一般以β＝30左右为宜。另外，也可以增大接在发射极的电流负反馈电阻（或灵敏度电位器），来降低灵敏度。但也不能盲目地降低灵敏度来满足过分的稳定性。原则是，在满足稳定性的前提下，尽量使灵敏度高一些。
在励磁装置的移相脉冲环节电路中，尽量不要采用3AX型三极管，因为这类PNP型管热稳定性差，容易使发电机电压升高无法控制，而应采用3CG型三极管，这类PNP型管热稳定性好，穿透电流很小，工作点稳定。
3.功率放大器的保护电路
在控制电路中，末级的功率放大器往往要推动接触器、继电器、电磁阀门等电感性负载。在切断这些电感负载时会产生感应过电压，因而可能击穿三极管，为此需采取保护措施。常用的保护元件有二极管和电容，还有稳压管、电阻等。
（1）采用二极管和电容保护的电路。对于图1-42（a），其二极管VD可按以下要求选择：二极管额定电流应大于三极管集电极电流的2倍，即2Ic；二极管耐压应大于电源电压的2倍，即2Ec。
图1-42 采用二极管或电容的保护电路
对于图1-42（b），其电容C的选择应满足：电源合闸瞬间（电容相当于短路），充电电流应小于三极管集电极最大允许电流ICM。若不能满足，可串接一个限流电阻。同时还要考虑防止电容电感可能产生自激振荡。
（2）功率放大器连接白炽灯泡时的保护电路。白炽灯泡灯丝的冷态电阻要比燃亮后的热态电阻大8～10倍，因而放大器接通灯泡的瞬间，其电流要比热态电流大8～10倍。如果根据灯泡的标称功率（热态功率）计算出的热态电流来选择三极管的工作电流，则在接通灯泡的瞬间，可能会损坏三极管，这时需采取限流措施。
1）当输入信号较强时，采用单管电路，其保护电路如图1-43所示。混合式效果更好。
限流电阻R的计算如下：
对于图1-43（a）：方法一，灯泡采用比电源电压Ec低一级的电压，其差值则由R降压；方法二，串联电阻压降按0.1Ec来选择，其电阻R能降低灯泡的工作电压。该方法可提高灯泡的使用寿命。
对于图1-43（b）：当三极管VT截止时，R与灯泡串联，使灯泡上的电压降约为（0.1～0.2）Ec，灯泡中流过少量预热电流但又不燃亮。
对于图1-43（c）：具有图1-42（a）和（b）的优点，所以效果更好。
图1-43 单管电路限制灯泡冷态电流的方法
（a）串联电阻；（b）预热灯丝；（c）混合式
图1-44 保护电路计算例
例：电路如图1-44所示，电源电压Ec为6V，三极管采用3DD1C，灯泡为3.6V、150mA。
解：通常取流过泄放电阻R4的电流为灯泡额定电流的1/5，所以
限流电阻R3用以限制点灯时的负载电流，使之不超过三极管VT的最大集电极电流ICM，其值为
R2的作用是当输入电压为零时，使之产生一反向基极电流Icb0，以保证VT可靠截止，所以
其中ICM和Icb0可由器件手册中查得。
R1用于限制基极电流，若三极管VT的β≥25，则
若输入最高电压为2.7V，则
2）当输入信号较弱时，采用复合管电路，其保护电路如图1-45所示。
图1-45 复合管电路限制灯泡冷态电流的方法
（a）串联电阻；（b）预热灯丝；（c）混合式
选择限流电阻的方法与单管电路类似。对于电源电压为6V，三极管采用3AG71和3AX81时，其电阻数值如图所示。
对于图1-45（a），由于灯泡燃亮后灯丝电阻约为40Ω（对6V150mA灯泡），因此R1串入后灯泡电压稍降低一些，但对亮度影响不大；对于图1-45（b），当三极管截止时，灯泡中流过的电流近似等于Ec/R2＝6/200＝30（mA），这样大小的电流是不会使灯丝发光的。
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