从点到面，详解三极管与恒流源充放电电路工作原理

电路

三极管简介

三极管是晶体管的一种，三极管的三个极分别是基极（Base）、发射极（Emitter）、集电极（Collector）。

如下是 NPN 三极管的等效电路，BE 之间就是一个二极管，CE 之间等效为一个可调电阻，阻值可以从若干欧到无穷大（开路）。

NPN 的特征方程：
Ic=βib，NPN 的 Ib 是从 B 到 E，Ic 是从 C 到 E，β是三极管自身的放大倍数，可认为是取决于生产工艺的常数，数值从几十到数百倍之间。

需要注意的是，三极管只能依靠改变 CE 间等效电阻 Rce 来实现 Ic=βib

如果 Rce 降到最小值，都实现不了 Ic=βib，称为“饱和”

如果 Rce 增到最大值，都实现不了 Ic=βib，称为“截止”

如果三极管实现 Ic=βib，称为三极管工作在放大区。

NPN 三极管构成的恒流源放电电路
如下，给一个充好电的电容接上一个电阻，放电电流为 Ic=Uc/R，由于 Uc 是不断降低的，所以放电电流不是恒定的。

下图所示，为电容恒流放电电路，可以计算得到 IC 的值为 1mA，与电容的电压无关。

Ve=5-0.7V=4.3V

Ic≈Ie=Ve/Re=4.3/4.3=1mA

其中 Ve=5-0.7V=4.3V 是一定成立的，Ic≈Ie=Ve/Re 等式成立的前提条件是三极管在放大区，即 Ic=βIb，由于β一般是 100 倍量级的，所以 Ie=Ic+Ib≈Ic 才成立。

求解三极管电路的步骤
1. 先假定三极管工作在放大区，满足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie；

2. 然后再根据计算结果，反推 Uce 的取值是否合理，判断之前的假设是否合理。

如下图所示，假设电容上的电压为 10V，便可以得到 Uce=10-4.3=5.7V，Rce=5.7V/1mA=5.7K，也就是可以这么理解，三极管把 Rce 调整为 5.7K，就可使电容的放电维持在 1mA。

同理，假设电容的电压为 8V 时，可以得到 Uce=8=4.3=3.7V，Uce 这个电压也是合理的，Rce=3.7K，也就是可以这么理解，三极管把 Rce 调整为 3.7K，可使电容的放电维持在 1mA。

当电容上的电压降低到 3V，会得到 Uce=3-4.3=-1.3V，显然这是不合理的，也就是说 Rce 降低到 0 欧姆也满足不了 Ic=βIb

在认为 Uce 可以降低到 0V，可以计算出满足恒流放电的最低电容电压 Ucmin=Ve=4.3V

综上，当电容电压高于 4.3V，三极管可工作在放大区，可以恒流的给电容放电，当电容电压低于 4.3V，三极管则工作在饱和区。

事实上，作为半导体，CE 间的电阻远降不到 0Ω，所以一般 Uce 电压只能降到约 0.2V，称之为饱和管压降 Uces。

总结：先假定三极管工作在放大区，满足 Ic=βIb 和 Ic≈Ie；然后再根据计算结果，反推 Uce 的取值是否合理，Uce 合理，原计算不用改动，如果不合理，三极管饱和了，则会多出 Uce=0V 或 Uce=0.2V 这样的条件（看是否忽略饱和管压降），同样可以重新求解电路。

PNP 三极管构成的恒流源充电电路
利用 NPN 三极管是无法实现恒流源充电电路的，必须使用 PNP 三极管，如下是 PNP 三极管的等效电路图。

PNP 的特征方程
电流 Ib 是从 E 到 B，Ic 是从 E 到 C。

PNP 三极管设计电路原则
不建议直接用 PNP 管直接设计电路，而是先用 NPN 管设计电路，然后 PNP 管电路可以通过 NPN 管电路变换得来，变换原则如下：

1. 将 VCC 和 GND 对调。

2. 将电路中有方向性元件的正负方向对调。

3. N 管换成 P 管。

如下是将 NPN 三极管构成的放电恒流源电路，改成 PNP 三极管后，得到的 PNP 三极管充电恒流源电路。

如下为恒流充电电路，负载为 R，IC 自上而下流过电阻 R。可以计算得到 Ic 为 1mA，与负载 R 的阻值无关，Ure=5=0.7V=4.3V，Ic≈Ie=Ure/Re=1mA。这个公式成立也需要三极管工作在放大区，负载电阻越大，这个公式越不容易成立。

如下，当负载电阻为 1K，得到 Vc=1V，Ve=15-Ure=15-4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=9.7V，这个 9.7V 电压正常，所以三极管处在放大区，1mA 的恒流充电成立。

进一步可以算出 Rec=Vec/1mA=9.7K，也就是说，PNP 三极管将 Rec 维持在 9.7K，Ic 可维持在 1mA。

假设负载电阻为 20K，可得 Vc=20V，Ve=15-Ure=15=4.3=10.7V，Uec=Ve-Vc=10.7-20=-9.3V，显然，Uec 不合理，所以三极管处于饱和区，1mA 不成立。

如果忽略三极管的饱和管压降 Uces，此时实际电流 Ic=Ve/R=10.7/20=0.5mA。

以上主要讲解了 NPN 设计恒流源放电电路，PNP 设计恒流源充电电路和三极管电路的计算方法。