三极管状态特性实验设计

    杨晓慧 张宏辉

    

    

    

    摘 ?要 以光控路灯模型为研究对象，设计三极管状态特性的系列实验。借助DISLab、Multisim等软件对三极管状态特性进行实验研究，实验显示，DISLab、Multisim采集的数据能够较好地呈现三极管特性，加深学生对三极管的理解。此外，Multisim的使用，扩充了实验时间、空间和内容，适合学生开展电路创新设计。

    关键词 三极管;光控路灯模型;DISLab;Multisim

    中图分类号：G633.7 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）17-0125-03

    1 前言

    晶体三极管是电子电路中的核心器件之一，是集成电路中的基础器件。理解三极管的工作原理和学会正确判断三极管的三种状态是日常教学中的重难点，也是浙江省技术选考中的重要内容。本文通過光控路灯模型的实验探究，借助朗威DISLab、Multisim等软件研究三极管状态特性。

    2 三极管状态特性理论初探

    根据三极管特性，三极管由发射区、基区和集电区组成，三个区之间形成两个结（发射结、集电结），存在放大、饱和和截止区三种工作状态[1]，如图1所示。在实验教学中，可以设计以下三个方向的话题进行探讨，引导学生从理论层面探究三极管的工作原理，加深理解三个区的特性、三种状态，促进他们进行深度学习。

    1）明确三极管三个区的特点：发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低;集电区的面积最大;基区最薄。

    2）明确发射区的多数载流子即电子穿过发射结的条件：发射结加正偏电压。

    3）明确多数载流子即电子到达基区后如何穿过集电结。这个知识点是理解三极管工作原理的难点。首先，学生得明白此时在基区的是发射区过来的电子，而非原本P区里的空穴。其次，电子过集电结无须加外电场，若加与集电结相同的电场即加反偏电压，电子更易到集电区;若加与集电结相反的电场，即正偏电压，只要电场不是太大，电子也能顺利到达集电区。只需破解为什么加反偏电压电荷能过PN结即可。最后形成一个知识点：导通与否由发射区的偏置电压决定，而在集电结所加的电压却是正偏和反偏均可以。

    3 三极管状态特性的电路定性分析

    针对三极管放大、饱和、截止三种工作状态，搭建两个电路学生实验[本实验选用的三极管为NPN型（S8050），Vcc为6 V电池组，R1为110 Ω，Rp为5.1 kΩ，小灯泡（6 V，

    0.5 A），下同]。

    学生实验一：改变光敏电阻的阻值，观察发光二极管亮与灭。

    学生实验二：调整Rp大小，观察灯泡的亮度变化。

    实验电路图如图2所示，路灯模型实物图如图3所示。引发学生思考下面两个问题。

    1）为何发光二极管随光线的变化会有亮或灭两种状态？（设计意图：引导学生对三极管通断的判断。）

    2）Rp的大小发生变化时，观察灯泡的亮度变化。（设计意图：引导学生感受三极管的三种工作状态。）

    4 三极管状态特性的DISLab定量测定

    本文探究实验借助朗威DISLab数据采集平台，选用的定量采集器为多量程（20 mA、200 mA、2 A三个档位）的电流传感器、多量程（0.2 V、2 V、20 V三个档位）的电压传感器等。

    探究Ib与Ic的关系 ?根据三极管的伏安特性曲线，三极管三种状态最直观关系是Ic随Ib变化。搭建演示实验，如图4、图5所示，基极接20 mA量程的电流传感器，集电极接2 A量程的传感器。改变Rp大小，采集Ic、Ib的数据，绘制Ic（纵轴）随Ib（横轴）变化的图，如图6所示。

    实验数据分析：当Rp较小时，Ib=0，此时Ic=0，三极管处于截止状态;增大Rp的过程中，Ic与Ib成正比，Ic=βIb，β为放大系数，此时三极管处于放大状态;当Rp继续增大时，Ic达到最大值，Ic不受Ib控制，此时三极管处于饱和状态[2]。

    探究Ube、Uce特性曲线 ?搭建图7所示的演示实验，Ube接2 V量程的电压传感器，Uce接20 V量程的电压传感器，U灯接20 V量程的电压传感器。改变Rp大小，采集Ube、Uce、U灯的数据，如图8所示;导出相应的数据，如表1所示。

    实验数据分析：三极管处于导通状态时，Ube的变化范围在0.6～0.9 V之间，平常视作为导通电压为0.7 V;随电泡变亮后，Uce降到0.7 V以下，三极管进入饱和;进一步增大Ib后，Uce降到0.2 V左右，此时三极管进入深度饱和[2]。结合理论分析，进一步明确Uce大于0.7 V则集电结反偏，处于放大状态;Uce小于0.7 V则集电结正偏，处于饱和状态。另外，其中Uce和U灯的和随电流增大而减小，是因为电池组内的内阻不可忽略;若使用发光二极管加保护电阻，则电池内阻的影响会小很多，但发光二极管在演示三个状态时不如小灯泡明显。

    5 三极管状态特性的Multisim仿真分析

    通过朗威DISLab数据验证三极管状态特性后，本文采用Multisim仿真软件来进一步探究三极管特性实验，验证仿真实验的数据与真实的采集实验数据具有统一性。在Multisim平台上搭建仿真电路图，如图9、图10、图11所示。运行仿真功能，调整Rp的大小，获取相应的数据，如表2、表3所示。

    根据表2数据，绘制Ic随Ib变化的关系图，如图12所示。对比图5，可以得到同样的规律。此外，通过分析仿真数据，更容易验证这个结论：不管三极管处于何种状态，Ie=Ib+Ic。

    实验数据分析：对比表1与表3，同样可以得出三极管三种不同状态时Ube、Uce的特点。但由于仿真软件采用了理想的元器件，实验数据与理论值更加接近;而在真实的电路实验中，因各个元器件的标称值存在误差，在一定的误差范围内，实验数据与理论值相符合。

    6 结语

    本文通过对三极管三种工作状态的电路研究，以光控路灯模型为实验对象，设计了三极管状态特性的系列实验。借助DISLab、Multisim等软件，对三极管三种工作状态进行实验研究。通过实验的对比分析，DISLab、Multisim采集的数据能够较好地呈现三极管特性状态，加深学生对三极管工作原理的理解。此外，Multisim仿真软件的使用，扩充了实验时间、空间和内容，适合学生开展电路创新设计。Multisim仿真软件不仅可以培养学生的学习兴趣、巩固理论知识，更能让学生在实验环境中运用理论知识，即从课堂学习过渡到动手实践，使教学更富有成效。

    参考文献

    [1]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，

    2006：102-103.

    [2]博伊斯坦.模拟电子技术[M].北京：电子工业出版社，

    2016：122-129.