吊打三极管

简 介： 分析了一个简单而奇特的电路，这是利用了三极管B-E反向击穿过程所呈现的复阻抗特性而形成的间歇振荡器。

关键词： 三极管、负阻、简介振荡器

 
  显示看到下面这个LED闪烁电路的彩色动图（GIF）就被它的简洁电路吸引，它的确与常见到的单管震荡电路有很大的区别。

  通常的单管震荡电路，无论是 RC移项震荡电路 ，还是LC组成三点震荡电路，或者通过变压器耦合震荡电路等方式，都需要三极管能够有一个基本的放大偏置工作状态，然后通过正反馈来形成正弦震荡，或者多谐震荡。

  然而下面这个基于 BC547-NPN 震荡演示电路则是太奇怪了！

^{▲ 动画振荡器演示}

  电路中的有源器件BC547并没有进行正常的偏置，它的基极是悬空的。而且NPN三极管也没有按照正常电压配置，集电极电位高于发射极，而是发射极的电位高于集电极。

  看到这个电路，每个人都会问：这个电路真的能够震荡工作吗？！！！

^{▲ 振荡电路}

  如果手边有些相应的元器件，就可以方便在面包板上构建起实验电路。由于所使用的晶体管型号与BC547不同，在稳压电源9V的时候，并没有看到电路震荡。

  当电压提升到12V时，可以观察到电路中LED开始周期闪烁。

^{▲ 搭建在面包板上的实验电路}

  使用示波器观察电路中电解电容C1上的电压信号，LED串联限流电阻R2上的电压信号可以相应的振荡信号。

^{▲ 三极管集电极、发射极信号波形|黄线：发射极(e)信号|青色：集电极(c)信号}

  当电源电压（12V）通过R1（2.7kΩ）给C1（100uF）充电超过10V左右时，晶体三极管开始被击穿。电容电压便通过击穿后的三极管、R2、LED开始放电，从而引起C1电压开始迅速下降。

  随着C1电压减小，放电电流减少一半的时候，三极管重新恢复截止。电路又开始新的一个循环。

^{▲ 三极管集电极发射极信号 黄线：发射极(e)信号 青色：集电极(c)信号}

  在这个振荡电路中，并没有应用三极管的放大功能，而是利用了它的C-E引脚之间，在被击穿之后出现的负阻现象，也就是随着流过的电流增加，C-E两端的电压反而减小的情况。

  在下面表格中，显示了三极管2N2222A的C-E之间的电压与电流的关系。曲线的斜率是负值，显示出等效阻值为负数。

^{▲ 三极管2N2222A C-E之间的电压与流过电流之间的关系}

  对于一个负阻器件，可以通过外部并联一些储能器件（电容、电感）来形成震荡电路。下图则是一个简单的LC正弦震荡电路。

^{▲ 利用2N2222A的C-E之间的负阻建立的正弦振荡器}

  对于半导体中出现的负阻现象，最早是由 Leo Easki研究。他后来因为发现了隧道二极管中的量子隧道效应而获得了1973年的诺贝尔物理奖。

  这种利用器件的负阻现象构成的脉冲振荡器，它的频率主要由外部储能器件参数决定。将前面电路中将C1的容值更换成0.1uF，对应的震荡波形如下，震荡的频率升高到1.773kHz。

^{▲ 振荡电路中的集电极和发射极的信号}

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
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# TEST2.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-11-03
#
# Note:
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from headm import *
from tsmodule.tsstm32       import *
from tsmodule.tsvisa        import *

dp1308open(110)

setv = linspace(9, 24, 100)
gifid = 7

tspgiffirst(gifid)
frqdim = []

for v in setv:
    dp1308p25v(v)
    time.sleep(1)

    tspgifappend(gifid)
    meter = meterval()

    frqdim.append(meter[0])

    tspsave('measure', v=setv, f=frqdim)

    printff(v, meter)

dp1308p25v(5)

plt.plot(setv, frqdim)
plt.xlabel("Voltage(V)")
plt.ylabel("Frequency(Hz)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST2.PY
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  电路的工作电压需要大于三极管C-E反向击穿电压电路才能够开始震荡。随着供电电压增加，当它超过一定电压之后，流过R1的电流就会使得三极管在击穿之后始终保持导通状态，电路也会停止震荡。

  下面显示了工作电流从9V变化到19V，使用万用表测量R1信号的震荡频率。可以得到震荡频率与工作电压之间的关系曲线。

^{▲ 工作电压从9.5V到19V的变化过程}

  可以看出，只有在工作电压处于10.2V到18.5V之间时，电路才能够正常震荡。在这个范围内，震荡频率随着工作电压的增加而增加。

^{▲ 不同工作电压下输出信号的频率}

v=[9.50,9.55,9.60,9.64,9.69,9.74,9.79,9.83,9.88,9.93,9.98,10.03,10.07,10.12,10.17,10.22,10.26,10.31,10.36,10.41,10.45,10.50,10.55,10.60,10.65,10.69,10.74,10.79,10.84,10.88,10.93,10.98,11.03,11.08,11.12,11.17,11.22,11.27,11.31,11.36,11.41,11.46,11.51,11.55,11.60,11.65,11.70,11.74,11.79,11.84,11.89,11.93,11.98,12.03,12.08,12.13,12.17,12.22,12.27,12.32,12.36,12.41,12.46,12.51,12.56,12.60,12.65,12.70,12.75,12.79,12.84,12.89,12.94,12.98,13.03,13.08,13.13,13.18,13.22,13.27,13.32,13.37,13.41,13.46,13.51,13.56,13.61,13.65,13.70,13.75,13.80,13.84,13.89,13.94,13.99,14.04,14.08,14.13,14.18,14.23,14.27,14.32,14.37,14.42,14.46,14.51,14.56,14.61,14.66,14.70,14.75,14.80,14.85,14.89,14.94,14.99,15.04,15.09,15.13,15.18,15.23,15.28,15.32,15.37,15.42,15.47,15.52,15.56,15.61,15.66,15.71,15.75,15.80,15.85,15.90,15.94,15.99,16.04,16.09,16.14,16.18,16.23,16.28,16.33,16.37,16.42,16.47,16.52,16.57,16.61,16.66,16.71,16.76,16.80,16.85,16.90,16.95,16.99,17.04,17.09,17.14,17.19,17.23,17.28,17.33,17.38,17.42,17.47,17.52,17.57,17.62,17.66,17.71,17.76,17.81,17.85,17.90,17.95,18.00,18.05,18.09,18.14,18.19,18.24,18.28,18.33,18.38,18.43,18.47,18.52,18.57,18.62,18.67,18.71,18.76,18.81,18.86,18.90,18.95,19.00]
f=[50.30,50.27,50.39,50.38,50.41,46.42,50.36,43.89,50.36,49.95,50.01,50.37,0.00,0.00,0.00,915.54,1117.30,1277.50,1380.10,1478.30,1582.70,1776.80,1887.20,1978.00,2056.40,2138.10,2220.90,2293.20,2485.40,2577.20,2658.40,2726.70,2803.30,2937.30,3024.80,3109.70,3174.90,3237.80,3311.20,3376.10,3529.20,3608.60,3684.80,3750.30,3810.60,3927.50,4006.60,4080.70,4141.30,4198.70,4263.20,4321.50,4461.30,4537.00,4602.40,4666.60,4721.40,4765.90,4902.60,4975.20,5036.00,5089.80,5149.80,5202.90,5258.40,5393.60,5463.10,5513.40,5546.70,5598.70,5733.40,5799.10,5848.70,5907.30,5957.20,6006.80,6127.70,6190.80,6255.70,6304.50,6338.00,6384.00,6508.50,6569.90,6622.40,6667.10,6717.40,6763.40,6876.70,6935.90,6974.90,7024.80,7069.30,7117.30,7230.80,7289.30,7340.00,7383.70,7426.30,7471.80,7518.30,7630.70,7672.40,7714.90,7763.00,7807.40,7905.30,7960.10,8012.50,8054.60,8094.40,8133.70,8175.20,8277.20,8323.20,8362.20,8400.50,8443.00,8532.50,8583.20,8630.80,8669.70,8706.50,8746.00,8786.40,8876.20,8920.30,8960.60,8996.10,9035.80,9071.60,9158.30,9204.90,9243.60,9278.10,9317.00,9383.80,9428.00,9467.30,9505.10,9536.80,9570.30,9606.40,9685.50,9727.20,9765.50,9798.90,9829.30,9863.40,9929.60,9969.20,10004.00,10037.00,10066.00,10095.00,10128.00,10197.00,10233.00,10267.00,10296.00,10322.00,10349.00,10410.00,10444.00,10469.00,10495.00,10521.00,10549.00,10609.00,10640.00,10670.00,10695.00,10717.00,10765.00,10796.00,10827.00,10852.00,10879.00,10907.00,10935.00,11030.00,11121.00,11384.00,17600.00,23479.00,27942.00,33336.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00]

  为了获得更强的震荡信号，可以将多个半导体三极管串联起来，组成的震荡电路可以输出幅度更大的振荡信号。

^{▲ 使用串联的负阻抗器件提高震荡电路的输出功率}

  原理是原理，但是否能够给我们以美感和震撼，还需要有一颗别具匠心的心灵。下面是在头条号上有人将四个不同的振荡器驱动不同颜色的LED并联在一起形成的流水灯闪烁效果的电路。

^{▲ 直接焊接四个不同颜色的振荡电路}

^{▲ 四个不同颜色的振荡器黑暗中闪烁的情况}

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■ 相关文献链接:

• RC移项震荡电路
• BC547-NPN

● 相关图表链接:

• 动画振荡器演示
• 振荡电路
• 搭建在面包板上的实验电路
• 三极管集电极、发射极信号波形|黄线：发射极(e)信号|青色：集电极©信号
• 三极管集电极发射极信号
  黄线：发射极(e)信号
  青色：集电极©信号
• 三极管2N2222A C-E之间的电压与流过电流之间的关系
• 利用2N2222A的C-E之间的负阻建立的正弦振荡器
• 振荡电路中的集电极和发射极的信号
• 工作电压从9.5V到19V的变化过程
• 不同工作电压下输出信号的频率
• 使用串联的负阻抗器件提高震荡电路的输出功率
• 直接焊接四个不同颜色的振荡电路
• 四个不同颜色的振荡器黑暗中闪烁的情况