如之前章节所说,从广义来说,“三极管”包括了很多种不同类型的晶体管:
1. 双极型晶体管(BJT)。
2. 达林顿管。
3. 晶闸管(可控硅)。
4. 场效应管(FET):MOS场效应管,结型场效应管。
5. 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
我们接下来针对不同种类的“三极管”做简要介绍,其中IGBT和MOS管在本章不做介绍。
1,双极型晶体管(BJT)
双极型晶体管根据不同的维度可以进行不同的分类:
1. 按材料分:硅三极管,锗三极管。
2. 按结构分:PNP型管,NPN型管。
3. 按工作频率分:低频三极管,高频三极管。
4. 按功率分:小功率三极管,中功率三极管,高功率三极管。
5. 按封装材料分:塑料封装三极管,金属封装三极管。
6. 按安装形式分:普通方式三极管(插装),贴片三极管。
6. 按用途分:放大管,开关管,振荡管等。
一般我们所使用的双极型三极管,是以功率和工作频率为主要依据来划分的:
1. 低频小功率三极管:特征频率ƒT < 3MHz,功率<1W;用于小信号放大电路。
2. 高频小功率三极管:特征频率ƒT > 3MHz,功率<1W;用于高频振荡,放大电路。
3. 低频大功率三极管:特征频率ƒT < 3MHz,功率>1W;低频大功率三极管品种很多,主要用于:
1, 电子音频设备的低频功率放大器。
2, 外搭LDO稳压电源的调整管(例:PHY自带LDO)。
4. 高频大功率三极管:特征频率ƒT>3MHz,功率>1W;用于通信设备中功率驱动、放大。
5. 开关三极管:利用饱和区与截止区相互切换工作,响应时间较快,开关特性好。
对于数字硬件工程师来说,开关三极管是接触最多的:高低压电平切换(不同芯片之间电平匹配),逻辑门电路搭建(非门、与门等),高低压区域隔离(风扇等电机电路控制信号的隔离),总线防挂死隔离(UART等)等等。
6. 差分对管:将两只性能一致的三极管封装在一起,构成性能优良的差分放大器。
2,达林顿管
达林顿管又称复合管,1953年由美国电气工程师和发明家Sidney Darlington发明(NPN+NPN, PNP+PNP结构),后来匈牙利人George Clifford Sziklai发明了Sziklai达林顿管(NPN+PNP, PNP+NPN结构),或称为推挽(Push-Pull)配置。
达林顿三极管由两个普通的双极型三极管(BJT)组成,其中一个三极管的发射极连接到另外一个三极管的基极,形成电流增益更大的复合三极管,整体等价成一个三极管。
达林顿管是两个三极管的组合器件,但本质上还是三极管,所以可以用三极管的特性来分析达林顿管:
其电流放大倍数是两个三极管放大倍数的积,在同等大小输入电流情况下,达林顿管可以输出更大的输出电流和功率。
达林顿管具有放大倍数高,驱动能力强,开关速度快,输出功率大等特点;我之前电路设计中使用达林顿管的应用是:驱动继电器。
达林顿内部的三极管有四种接法:NPN+NPN,PNP+PNP,NPN+PNP,PNP+NPN;达林顿管对外极性取决于第一只三极管的极性。
我们可以利用两个三极管来搭建达林顿管,也可以使用集成达林顿管,首先我们以两个NPN三极管复合搭建达林顿管为例来看下自建达林顿管的工作原理和特点:
1. 第一级三极管的工作模式:放大输入电流,提高输入阻抗,使其能被CMOS/TTL电路驱动。
2. 为使两级三极管正常工作,要求输入电压>2*VBE。
3. 由于达林顿管的VCE = VBE2+VCE1,所以达林顿管饱和状态下VCE电压必然大于正常单个三极管饱和状态VCE(0.2V);而且在电流工作状态下VCE电压会更高,这增加了达林顿管的功耗。
4. 如下使用两个8050搭建达林顿管的实测结果:使用100KHz,4V电压驱动电路,得到导通状态下Vce为0.67V,开关延时为2uS。
集成达林顿管的两个三极管集成在器件内部,两个三极管一致性更好,寄生电感、电容等更小;同时芯片内部根据三极管的特性做了匹配,可以达到更快响应速度;如下为集成达林顿管的特点:
1. 电流增益相对单个三极管大很多,离散性大,随温度、Ic电流变化影响很大。
三极管本身电流增益是一条曲线,而且有较大的离散性;达林顿管的电流增益曲线是单个三极管的乘积,所以变化会更大。
2. 输入阻抗高,驱动电流需求小,可以直接由TTL或CMOS电平驱动。
集成达林顿管内部已经做了输入阻抗的匹配,不需要外部进行计算。
3. 输入基极电阻做了优化匹配,三极管响应速度得到提升,延时减小很多。
如下图所示集成达林顿管响应时间为:0.25us;而自建达林顿管为2us;这取决于很多因素,有设计本身(如下图电阻设计),还有自搭电路更大的寄生电感、电容等影响。
4. 内部集成反向续流二极管(COM、E),输出驱动感性负载节省续流二极管。
这非常重要,达林顿管很多应用场景会驱动感性负载(继电器、电机、逆变电源等),感性负载电流不能突变,达林顿管一旦输出断开,但电流还会继续输出,如果没有续流二极管续流,输出管脚电压会被拉至非常低的负电压,将会损坏器件。
5. 输出可承受较高冲击电压(ex:50V),吸收较大电流(ex:100mA)。
总结,达林顿管主要应用于大功率、大电流驱动的电路:
1. 应用于大功率开关电路、电机调速、逆变电路。
2. 驱动小型继电器。
3. 驱动LED智能显示屏。
4. 加热电路。
3,晶闸管
1957年美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品,并于1958年商业化;晶体闸流管(Thyristor)又称作可控硅整流器,简称可控硅,其耐压以及导通电流非常大,主要应用于大功率(几十千瓦级别)强电电源。
如下图所示,晶闸管的结构主要由PNPN四层半导体组成,等效为两个三极管串联;同时对外呈现三个极:阳极,阴极和门极。
晶闸管工作原理如下:
1. 阳极A和阴极K与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路。
2. 门极G和阴极K与控制晶闸管的控制器连接,组成晶闸管的控制电路。
3. 门极的作用是使晶闸管触发导通,而一旦晶闸管导通后,门极就失去了控制作用。
4. 当阳极电流减少到小于某一数值时,晶闸管就不能维持正反馈过程而变为关断,此时称为正向阻断。
5. 如果在阳极和阴极之间加反向电压时,晶闸管亦不可导通,称为反向阻断。
从晶闸管工作原理来看,并不能实现完全的通断控制,维持晶闸管导通的必要条件是:
1,在阳极和阴极间加正向电压。
2,在门极和阴极间加正向触发电压。
3,阳极电流不小于维持电流。
如下为图所示,为晶闸管的伏安特性曲线,一旦正向电流上升跨越转折电压之后,进入正向导通状态,此时电流随电压呈指数级别上升;同理,正向电流下降到临界值后,晶闸管将恢复正向阻断状态:
1. 正向特性: 当U>0时对应的曲线称为正向特性;
2. 反向特性: 当U<0时对应的曲线称为反向特性。
晶闸管主要应用于高压、大电流的电路:
1. 可控整流:将交流电变换为大小可调的直流电输出。
举个栗子:直流电动机调压、调速。
2. 有源逆变:将直流电变换为与电网同频率的交流电,并返送给交流电源。
举个栗子:特高压输电工程,先将三相电变为高压直流电进行远距离传输,到目的地后,通过有源逆变技术变成交流电供给用户。
3. 交流调压:将不变的交流电压变换成大小可调的交流电压。
举个栗子:灯光控制,温度控制等。
4. 变频器:把某一频率交流电变换成另一频率的交流电。