硬件基础：三极管的实践应用详解
硬件基础：三极管的实践应用详解
三极管是电子工程中最基础的元件之一，广泛应用于放大器、开关电路等场景。本文将详细介绍三极管在放大器和开关电路中的具体应用，并通过具体的电路计算和实例，帮助读者深入理解三极管的工作原理和使用方法。
1. 放大器
三极管可以用来构建放大电路，但实际项目中很少采用，因为晶体管的放大系数（增益）不稳定，受温度影响较大。应用电路通常需要确定的放大倍数且不受环境影响，需要引入反馈放大器环路，输入部分的抗干扰能力要求也高，在实际应用中集成运放满足这个要求。
放大器能够将微弱的输入信号放大成较大的输出信号。常见的放大器包括：
- 音频放大器：用于音频设备中，如音响系统、广播设备等。
- 射频放大器：在无线通信中，尤其是广播、电视、移动通信中，用于增强信号的强度。
- 运算放大器：广泛应用于信号处理、滤波、调理等电路中。
2. 开关电路
三极管也能作为开关元件，用于控制电流的流通与切断。常见的应用包括：
信号开关
（1）实际应用时，晶体管常用作开关使用，放大电路使用集成运放
（2）当晶体管用作开关时，晶体管工作在截止区和饱和区
（3）截止区：Ic ≈ 0，功率 P = Ic * Uce非常小
（4）饱和区：Uce ≈ 0，电压非常小，功率 P = Ic * Uce非常小
（5）所以当三极管工作在饱和区，Uce这条电路相当于是导线
NPN三极管控制LED
计算电路中 R11、R7 的阻值：
第一步：确定Ic
Ic的大小直接影响LED灯的亮度，LED灯最大的功耗为1.62.1V，20mA，在实际应用中实际给到LED灯的电流一般为38mA即可，太大容易损坏LED灯，同时延长使用寿命。
Ic的大小即为LED的工作电流，此处按照经验值3~8mA来设计。
第二步：计算R7的值
计算R7
Uce（供电电压） 电阻
3.3V （3.3-1.6）/ 3 = 577Ω
电路中选取 R7 为 570 Ω，则此时 Ic = 3.3 mA。
第三步：计算R11的值
根据元器件手册可得：S0805三极管的β系数（增益）为50，最大 Ic 电流为 500 mA，BE 的压降为0.6V。
计算 R11
截止状态（三极管断开，Uce断开） V_busy＜0.6V 时，三极管截止，Ib无电流，CE之间的内阻很大，Ic 几乎为零，可认为是开路状态，LED指示灯不亮
放大状态（三极管导通，Uce导通） V_busy＞0.6V 时，基极-发射极之间的PN结导通，PN结的压降为0.6V，此时基极有电流，根据欧姆定律：基极电流 Ib =（V_busy-0.6）/ R11
若三极管处于放大区，满足公式 Ic = β * Ib， Ic 最大电流为 3.3 mA，可得Ib = Ic / β = 0.066 mA，也就是当基极电流 Ib = 0.066 mA时，三极管处于饱和临界点状态，若 Ib > 0.066 mA，将进入饱和区。
由 Ib =（V_busy-0.6）/ R11 可知，改变限流电阻R11的值可以使三极管工作在饱和区。
若输入电压 V_busy 为 5 V，怎么使三极管处于饱和区呢？Ib =（V_busy-0.6）/ R11 得 R11 =（V_busy-0.6）/ Ib，上面推出三极管饱和时所需的控制电流 Ib 值的最小值为 0.066mA，代入公式得 R11=（5V-0.6V）/ 0.066mA = 66.7K。也就是说R11＞ 66.7K 时，三极管工作于放大区，当R1 ≤ 66.7K 时，三极管处于饱和区，饱和区时，R11 的值最好在临界值附近，不要太小否则基极电流过大而烧毁三极管。这里R11 = 2K，Ib =（V_busy-0.6）/ R11 = 2.2mA，可以使得三极管进入饱和区。
继电器控制
三极管可以用来控制继电器的开关动作，从而间接控制高电流负载。
NPN三极管控制继电器
（1）参看继电器手册，可得继电器驱动电压为12V，线圈负载电阻为160Ω，计算可得继电器驱动电流为75mA，为了使得继电器驱动电路的保持稳定，将驱动电流 Ic 电流设置为75mA*2 = 150mA，则 Ic = 150 mA
（2）因为继电器中的线圈是感性材料，继电器属于感性器件，要考虑到电感的续流问题，电流不可以突变，所以增加了续流二极管 D2
（3）D3 和 R5 是发光二极管和限流电阻
（4）对于三极管 S8050 ，增益为 50 ~ 120，为确保三极管在开关状态时可以进入饱和区，所以在进行电路设计的时候选择低增益进行计算，则 β = 50。
（5）需要注意 S8050 Ic 电流最大为 500mA，所以在设计电路的时候注意限流，不要超过500mA，以免损坏三极管
计算电路中的 R6、R7
当Relays_CTR = 0V，三极管工作在截至区，继电器线圈不导通，继电器不工作
当Relays_CTR = 3.3V，三极管工作在饱和区的条件是Ic < β * Ib，所以当β = 50的时候，Ib > 3mA，所以需要设计Ib > 3mA，才可以使得三极管工作在放大区，但是Ib也不能太大，容易烧坏三极管【Ic 是由 Vce 产生，受 Ib 控制，可以理解成 Ib 就是水龙头开关，控制水流 Ic 的大小，当Ib * β 远大于 Vce 产生的 Ic的时候，也就是水龙头完全打开，但是只留出一点水的时候，此时三极管进入了饱和区】
计算R6：
当三极管导通的时候：
Vce = 0.7V，则 V_R7 = 0.7V，则V_R6 = 3.3V - V_R7 = 2.6V；
这里设置R6=510Ω，则I_R6 = 2.6 / 510 = 5mA；
设置 R7 为 510Ω，则 I_R7 = 0.7 / 510 = 1.3mA；
Ib = I_R6 - I_R7 = 5 - 1.3 mA = 3.7mA，可以保证 Ic < β * Ib；
此时三极管工作在饱和区
3.其他应用
上面三极管作为开关在电路中发挥作用，同时三极管还具有很多应用，如控制蜂鸣器（控制有源和无源）、结合 MOS 管组成电源开关、PWM调速电路（图腾柱驱动电路）、光耦、信号反相等等应用，后续会对这些应用进行讲解。