01.17 三極管參數及功率計算

三極管

三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號， 也用作無觸點開關。晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區，排列方式有PNP和NPN兩種。

晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N是負極的意思（代表英文中Negative），N型半導體在高純度硅中加入磷取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而P是正極的意思（PosiTIve）是加入硼取代硅，產生大量空穴利於導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的。

三極管參數及功率計算

三極管主要參數

一、電流放大係數

1．共發射極電流放大係數

（1）共發射極直流電流放大係數

，它表示三極管在共射極連接時，某工作點處直流電流IC與IB的比值，當忽略ICBO時

（2）共發射極交流電流放大係數β它表示三極管共射極連接、且UCE恆定時，集電極電流變化量ΔIC與基極電流變化量ΔIB之比，即

管子的β值大小時，放大作用差；β值太大時，工作性能不穩定。因此，一般選用β為30～80的管子。

2．共基極電流放大係數

共基極直流電流放大係數它表示三極管在共基極連接時，某工作點處IC 與 IE的比值。在忽略ICBO的情況下

（2）共基極交流電流放大係數α，它表示三極管作共基極連接時，在UCB 恆定的情況下，IC和IE的變化量之比，即：

通常在ICBO很小時，

與β，

與α相差很小，因此，實際使用中經常混用而不加區別。

二、極間反向電流

1．集-基反向飽和電流ICBO

ICBO是指發射極開路，在集電極與基極之間加上一定的反向電壓時，所對應的反向電流。它是少子的漂移電流。在一定溫度下，ICBO 是一個常量。隨著溫度的升高ICBO將增大，它是三極管工作不穩定的主要因素。在相同環境溫度下，硅管的ICBO比鍺管的ICBO小得多。

2．穿透電流ICEO

ICEO是指基極開路，集電極與發射極之間加一定反向電壓時的集電極電流。ICEO與ICBO的關係為：

ICEO = ICBO＋

ICBO＝（1＋

）ICBO GS0125

該電流好象從集電極直通發射極一樣，故稱為穿透電流。ICEO和ICBO一樣，也是衡量三極管熱穩定性的重要參數。

三、頻率參數

頻率參數是反映三極管電流放大能力與工作頻率關係的參數，表徵三極管的頻率適用範圍。

1．共射極截止頻率fβ

三極管的β值是頻率的函數，中頻段β=βo幾乎與頻率無關，但是隨著頻率的增高，β值下降。當β值下降到中頻段βO1／

倍時，所對應的頻率，稱為共射極截止頻率，用fβ表示。

2．特徵頻率fT

當三極管的β值下降到β＝1時所對應的頻率，稱為特徵頻率。在fβ～fT的範圍內，β值與f幾乎成線性關係，f越高，β越小，當工作頻率f＞fT，時，三極管便失去了放大能力。

四、極限參數

1．最大允許集電極耗散功率PCM

PCM 是指三極管集電結受熱而引起晶體管參數的變化不超過所規定的允許值時，集電極耗散的最大功率。當實際功耗Pc大於PCM時，不僅使管子的參數發生變化，甚至還會燒壞管子。PCM可由下式計算：

PCM ＝ICUCE GS0126

當已知管子的PCM 時，利用上式可以在輸出特性曲線上畫出PCM 曲線。

2．最大允許集電極電流ICM

當IC很大時，β值逐漸下降。一般規定在β值下降到額定值的2／3（或1／2）時所對應的集電極電流為ICM當IC＞ICM時，β值已減小到不實用的程度，且有燒燬管子的可能。

3．反向擊穿電壓BVCEO與BVCEO

BVCEO是指基極開路時，集電極與發射極間的反向擊穿電壓。

BVCBO是指發射極開路時，集電極與基極間的反向擊穿電壓。一般情況下同一管子的

BVCEO（0.5～0.8）BVCBO 。三極管的反向工作電壓應小於擊穿電壓的（1／2～1／3），以保證管子安全可靠地工作。

三極管的3個極限參數PCM 、ICM、BVCEO和前面講的臨界飽和線 、截止線所包圍的區域，便是三極管安全工作的線性放大區。一般作放大用的三極管，均須工作於此區。

三極管的功率計算

晶體管耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM，是指晶體管參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率。耗散功率與晶體管的最高允許結溫和集電極最大電流有密切關係。硅管的結溫允許值大約為150°C，鍺管的結溫允許值為85°C左右。要保證管子結溫不超過允許值,就必須將產生的熱散發出去.晶體管在使用時，其實際功耗不允許超過PCM值，否則會造成晶體管因過載而損壞。 通常將耗散功率PCM小於1W的晶體管稱為小功率晶體管，PCM等於或大於1W、小於5W的晶體管被稱為中功率晶體管，將PCM等於或大於5W的晶體管稱為大功率晶體管

使用任何器件，都要準確地瞭解的定義（真正意思）不可顧名思義。Pcm的物理意義是：給出管子的熱承受極限能力，由於管子的熱損耗主要集中在集電極上，因此專門對它做了規定。這裡的Pc是集電極損耗（功耗）的平均值。例如在乙類推輓功放中，單個管子在信號（360度）週期內的功耗平均值。

Pc = Ic × Vc 是基本關係式，給出的只是所謂瞬時功率。而管子資料中給出的極限參數Pcm給出的是平均值。因此關鍵不在於公式本身，而在於管子的工作狀態。對小信號甲類放大而言，仍然用這個關係計算，得到的結論便是就是偏置的量值乘積，此時類似於上述關係（Pc=Ic0 x Vc0）；但對於其它狀態就要具體的分析了，例如開關狀態下，管子（飽和）導通（所謂的0狀態）的時候電流很大，但電壓很低；反之，截止狀態（邏輯1）時集電極電壓比較高，但電流卻很小，這樣管子上的功率消耗取值就是很低的（兩個狀態下的功耗的平均值）。一定要注意：電流瞬時值與電壓瞬時值乘積（功率）的平均值 可不一定等於 電流平均值與電壓平均值的乘積。

選用三極管時應注意的參數性能

一、三極管的類型及材料 

初學者首先必須清楚三極管的類型及材料。常用三極管的類型有NPN型與PNP型兩種。由於這兩類三極管工作時對電壓的極性要求不同，所以它們是不能相互代換的。

三極管的材料有鍺材料和硅材料。它們之間最大的差異就是起始電壓不一樣。鍺管PN結的導通電壓為0.2V左右，而硅管PN結的導通電壓為0.6～0.7V。在放大電路中如果用同類型的鍺管代換同類型的硅管，或用同類型的硅管代換同類型的鍺管一般是可以的，但都要在基極偏置電壓上進行必要的調整，因為它們的起始電壓不一樣。但在脈衝電路和開關電路中不同材料的三極管是否能互換必須具體分析，不能盲目代換。

二、三極管的主要參數 

選用三極管需要了解三極管的主要參數。若手中有一本晶體管特性手冊最好。三極管的參數很多，根據實踐經驗，我認為主要了解三極管的四個極限參數：ICM、BVCEO、PCM及fT即可滿足95%以上的使用需要。

1. ICM是集電極最大允許電流。三極管工作時當它的集電極電流超過一定數值時，它的電流放大係數β將下降。為此規定三極管的電流放大係數β變化不超過允許值時的集電極最大電流稱為ICM。所以在使用中當集電極電流IC超過ICM時不至於損壞三極管，但會使β值減小，影響電路的工作性能。

2. BVCEO是三極管基極開路時，集電極-發射極反向擊穿電壓。如果在使用中加在集電極與發射極之間的電壓超過這個數值時，將可能使三極管產生很大的集電極電流，這種現象叫擊穿。三極管擊穿後會造成永久性損壞或性能下降。

3. PCM是集電極最大允許耗散功率。三極管在工作時，集電極電流在集電結上會產生熱量而使三極管發熱。若耗散功率過大，三極管將燒壞。在使用中如果三極管在大於PCM下長時間工作，將會損壞三極管。需要注意的是大功率三極管給出的最大允許耗散功率都是在加有一定規格散熱器情況下的參數。使用中一定要注意這一點。

4. 特徵頻率fT。隨著工作頻率的升高，三極管的放大能力將會下降，對應於β=1時的頻率fT叫作三極管的特徵頻率。

三、一般小功率三極管的選用 

小功率三極管在電子電路中的應用最多。主要用作小信號的放大、控制或振盪器。選用三極管時首先要搞清楚電子電路的工作頻率大概是多少。如中波收音機振盪器的最高頻率是2MHz左右；而調頻收音機的最高振盪頻率為120MHz左右；電視機中VHF頻段的最高振盪頻率為250MHz左右；UHF頻段的最高振盪頻率接近1000MHz左右。工程設計中一般要求三極管的fT大於3倍的實際工作頻率。所以可按照此要求來選擇三極管的特徵頻率fT。由於硅材料高頻三極管的fT一般不低於50MHz，所以在音頻電子電路中使用這類管子可不考慮fT這個參數。

小功率三極管BVCEO的選擇可以根據電路的電源電壓來決定，一般情況下只要三極管的BVCEO大於電路中電源的最高電壓即可。當三極管的負載是感性負載時，如變壓器、線圈等時BVCEO數值的選擇要慎重，感性負載上的感應電壓可能達到電源電壓的2～8倍(如節能燈中的升壓三極管)。一般小功率三極管的BVCEO都不低於15V，所以在無電感元件的低電壓電路中也不用考慮這個參數。

一般小功率三極管的ICM在30～50mA之間，對於小信號電路一般可以不予考慮。但對於驅動繼電器及推動大功率音箱的管子要認真計算一下。當然首先要了解繼電器的吸合電流是多少毫安，以此來確定三極管的ICM。

當我們估算了電路中三極管的工作電流(即集電極電流)，又知道了三極管集電極到發射極之間的電壓後，就可根據P=U×I來計算三極管的集電極最大允許耗散功率PCM。 國產及國外生產的小功率三極管的型號極多，它們的參數有一部分是相同的，有一部分是不同的。只要你根據以上分析的使用條件，本著“大能代小”的原則(即BVCEO高的三極管可以代替BVCEO低的三極管；ICM大的三極管可以代替ICM小的三極管等），就可對三極管應用自如了。

對於大功率三極管，只要不是高頻發射電路，我們都不必考慮三極管的特徵頻率fT。對於三極管的集電極-發射極反向擊穿電壓BVCEO這個極限參數的考慮與小功率三極管是一樣的。對於集電極最大允許電流ICM的選擇主要也是根據三極管所帶的負載情況而計算的。三極管的集電極最大允許耗散功率PCM是大功率三極管重點考慮的問題，需要注意的是大功率三極管必須有良好的散熱器。即使是一隻四五十瓦的大功率三極管，在沒有散熱器時，也只能經受兩三瓦的功率耗散。大功率三極管的選擇還應留有充分的餘量。另外在選擇大功率三極管時還要考慮它的安裝條件，以決定選擇塑封管還是金屬封裝的管子。 如果你拿到一隻三極管又無法查到它的參數，可以根據它的外形來推測一下它的參數。目前小功率三極管最多見的是TO-92封裝的塑封管，也有部分是金屬殼封裝。它們的PCM一般在100～500mW之間，最大的不超過1W。它們的ICM一般在50～500mA之間，最大的不超過1.5A。而其它參數是不好判斷的。