前言

这段时间在工作中接触到了基于三极管、稳压二极管实现降压稳压的电路。在熟悉电路和阅读文章的时候，发现不少文章对于三极管线性稳压电路的原理介绍得不太详细、不太正确的问题。

本文首先介绍了三极管的输入/输出特性曲线，并在此基础之上利用Multisim搭建了三极管稳压电路，最后对所搭建的稳压电路进行了原理解析。

一、三极管输入/输出特性曲线

1. 输入特性曲线

当三极管共射极连接，集电极与发射极之间的电压UCEU_{CE}UCE维持在不同的电压时，反映UBEU_{BE}UBE与iBi_BiB之间关系的一簇曲线，称为三极管的共射极输入特性曲线。

一般情况下，当UCE≥1VU_{CE} ≥ 1VUCE≥1V时，集电结处于反向偏置状态，此时UCEU_{CE}UCE的增大对iBi_BiB的影响很小，因此UCE≥1VU_{CE} ≥ 1VUCE≥1V以后的共射极输入特性曲线与UCE＝1VU_{CE} ＝ 1VUCE＝1V的特性曲线基本重合。

所以，三极管的器件手册中通常只给出一条UCE≥1VU_{CE} ≥ 1VUCE≥1V时的输入特性曲线，如上图所示。
输入特性曲线的数学表达式为：
iB=f(UBE∣UCE=常数)i_B = f(U_{BE} |_{U_{CE} = 常数})iB=f(UBE∣UCE=常数)
三极管的输入特性曲线与二极管的伏安特性曲线很相似，也存在一段死区；硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。导通后，硅管的UBEU_{BE}UBE约为0.5V，锗管的UBEU_{BE}UBE约为0.3V。

2. 输出特性曲线

1）截止区
截止区为iB=0i_B = 0iB=0的那条特性曲线以下的区域。在截止区，三极管的发射结与集电结均处于反向偏置状态，集电极只有十分微弱的电流ICEOI_{CEO}ICEO通过，此时三极管失去了放大作用。

2）饱和区
当加在三极管发射结的电压大于PNPNPN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再变化，这时三极管失去对电流的放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

在饱和区内，对应不同的iBi_BiB值的特性曲线几乎重合在一起。此时，UCEU_{CE}UCE较小，iCi_CiC虽然增加，但iCi_CiC增加不大，iBi_BiB失去对iCi_CiC的控制能力。饱和时，三极管的发射结和集电结均处于正向偏置状态。三极管集电极和发射极之间的电压称为集-射饱和压降，记为UCESU_{CES}UCES。在中小功率硅管中，通常UCES＜0.5VU_{CES} ＜ 0.5VUCES＜0.5V。

3）放大区
当加在三极管发射结的电压大于PNPNPN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用。

在放大区内，特性曲线近似于一簇平行等距的平行线，iCi_CiC的变化量与iBi_BiB的变化量基本保持线性关系，此时ΔiC=βΔiBΔi_C = βΔi_BΔiC=βΔiB，且ΔiC＞＞ΔiBΔi_C ＞＞Δi_BΔiC＞＞ΔiB，βββ为三极管的电流放大倍数。

同时，在此区域内集电极电压对集电极电流的控制作用很弱，当UCE≥1VU_{CE} ≥ 1VUCE≥1V，UCEU_{CE}UCE的增加很难引起iCi_CiC的增加。此时，若iBi_BiB不变，则三极管可以看作一个恒流源。

二、三极管稳压电路及原理解析

1. 三极管串联稳压电路

本文基于Multisim搭建了由三极管、稳压二极管、电阻、电容等分立元件构成的三极管串联线性稳压电路，实现将12V直流电压通过三极管、稳压二极管等元件降压至5V，为负载供电。为便于观察，选用LED灯（红）作为电路负载，其工作电压为1.66V，电流5mA。其基本电路拓扑如下图所示：

电阻R1和稳压二极管D1组成基本稳压电路，通过稳压二极管将电压稳定在5.6V；稳压二极管与三极管基极连接，发射极输出，形成一个简单的三极管射极跟随器；此时，发射极电压跟随着基极电压变化，即UE=UB−UBEU_E = U_B - U_{BE}UE=UB−UBE，其中UBEU_{BE}UBE为基极与发射极之间的管压降。根据跟随器原理我们就可以产生需要的电压，图中仿真电路的输出电压理论上为5V。

Multisim仿真结果，如下图所示：

从仿真结果可以看出该电路中稳压二极管将电压稳在5.602V，电路的最终输出电压为4.889V（5.602V - UBEU_{BE}UBE，硅管0.6V~0.7V），且输出电压波形稳定，电路的功能基本实现。

2. 稳压原理解析

下面针对电源变化以及负载变化情况，详细分析三极管串联线性稳压电路的输出电压调整过程。

1）负载不变，输入电压UinU_{in}Uin减小
当负载不变，输入电压UinU_{in}Uin减小时，输出电压UoutU_{out}Uout有下降趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压UBEU_{BE}UBE增大。由输入特性曲线可知，iBi_BiB随着UBEU_{BE}UBE的增大而增大。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有ΔiC=βΔiBΔi_C = βΔi_BΔiC=βΔiB，即iCi_CiC增加。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，Uout=iC∗RloadU_{out} = i_C*R_{load}Uout=iC∗Rload，UoutU_{out}Uout增加。

2）负载不变，输入电压UinU_{in}Uin增大
当负载不变，输入电压UinU_{in}Uin增加时，输出电压UoutU_{out}Uout有增加趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压UBEU_{BE}UBE减小。由输入特性曲线可知，iBi_BiB随着UBEU_{BE}UBE的减小而减小。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有ΔiC=βΔiBΔi_C = βΔi_BΔiC=βΔiB，即iCi_CiC减小。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，Uout=iC∗RloadU_{out} = i_C*R_{load}Uout=iC∗Rload，UoutU_{out}Uout减小。

3）输入电压UinU_{in}Uin不变，负载减小
输入电压UinU_{in}Uin不变，负载减小时，输出电压UoutU_{out}Uout有下降趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压UBEU_{BE}UBE增大。由输入特性曲线可知，iBi_BiB随着UBEU_{BE}UBE的增大而增大。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有ΔiC=βΔiBΔi_C = βΔi_BΔiC=βΔiB，即iCi_CiC增加。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，Uout=iC∗RloadU_{out} = i_C*R_{load}Uout=iC∗Rload，UoutU_{out}Uout增加。

4）输入电压UinU_{in}Uin不变，负载增大
当输入电压UinU_{in}Uin不变，负载增大时，输出电压UoutU_{out}Uout有增大趋势。由于稳压二极管的存在，三极管基极电压维持不变。此时，基极-发射极电压UBEU_{BE}UBE减小。由输入特性曲线可知，iBi_BiB随着UBEU_{BE}UBE的减小而减小。三极管发射结正向偏置，集电结反向偏置，处于放大区，有ΔiC=βΔiBΔi_C = βΔi_BΔiC=βΔiB，即iCi_CiC减小。又因为电路为三极管串联稳压电路，回路电流相同，Uout=iC∗RloadU_{out} = i_C*R_{load}Uout=iC∗Rload，UoutU_{out}Uout减小。

总结

1）介绍了三极管的输入/输出特性曲线；
2）基于Multisim搭建了三极管串联线性稳压电路；
3）详细阐述了三极管串联线性稳压电路的输出电压调整过程；

以上便是本文的全部内容，希望本文能对大家理解和运用三极管串联线性稳压电路有所帮助。
当然，本文内容如有错误或不严谨之处，也恳请大家及时指出，谢谢！

参考

三极管串联稳压电路 - 稳压电源 - 电子发烧友网；
三极管稳压线性电源 - CSDN博客；
三极管的特性曲线型图解;

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