3.4 三极管
三极管是一种在几乎所有电路板中都广泛存在的信号传递或电压调制元件。
ATX电源中的三极管有两种：一种是体积较小的用于信号传递的信号三极管（见于控制电路）；另一种是体积稍大或较大（甚至自带散热封装）的电压调制管（开关管）。它们在电路图中的符号如图3-11所示。
图3-11 三极管的符号
3.4.1 三极管的结构和符号
三极管在结构上是一个“三明治”：两层N型半导体中间夹一层P型半导体构成NPN三极管；两层P型半导体中间夹一层N型半导体构成PNP三极管。只有在用万用表测量时，才可将三极管看成两个二极管的简单组合。N型半导体也叫多电子半导体；P型半导体也叫缺电子半导体。它们都是通过在纯净的半导体材料上掺杂不同的杂原子获得的。三极管的双N层或双P层掺杂浓度不同，这决定了三极管的发射极和集电极之间电流的单向性。
如图3-12所示是NPN和PNP三极管的结构图及在电路中的符号。
图3-12 NPN和PNP三极管的结构图及在电路中的符号
3.4.2 三极管CE间的电流方向与工作状态
三极管集电极（C极）和发射极（E极）间的电流具有单向性。当NPN三极管处于放大和饱和状态时，CE间的电流从C极到E极。当PNP三极管处于放大和饱和状态时，EC间的电流从E极到C极。
如图3-13所示为CE间的电流方向。特别强调，在放大和饱和状态时，基极（B极）也有电流流过，但图3-13中未标出基极电流的方向。在此，笔者与读者约定，形状如图3-13中三极管的三脚管的脚位，将基极脚称为“左下脚”，将集电极脚称为“中间脚”，将发射极脚称为“右下脚”。
图3-13 CE间的电流方向
任何三极管都只有三种工作状态：截止、放大和饱和。
所谓截止是指三极管CE间的电阻为无穷大。对于NPN三极管来说，电流无法从C极流向E极；对于PNP三极管来说，电流无法从E极流向C极。这是因为三极管的基极没有可使三极管导通的适当的电压。
所谓放大是指三极管CE之间的电阻已经由无穷大减小为可通过一定的电流。这是因为三极管的基极已经附加有可能使三极管导通的适当电压。对于NPN三极管，电流将从C极流向E极，其基极为附加的正导通电压。对于PNP三极管，电流将从E极流向C极，其基极为附加的负导通电压。
在任意时刻，NPN三极管的IE=IB+IC，并且IC=IB×β；PNP三极管的IE=IB+IC，并且IC=IB×β，β叫放大系数。也就是说当三极管处于放大工作区时，NPN集电极和PNP的发射极电流是基极电流的若干倍。此特点被用于小电流控制大电流（因为NPN基极与集电极或PNP基极与集电极的电流大小间有相对严格的倍数关系）。
所谓饱和是指三极管CE间电阻已经减小到接近0Ω的最小阻值。此时意味着NPN基极所附加的正导通电压已可使三极管完全导通，对于PNP三极管而言，其基极所附加的负导通电压也令三极管完全导通。
在此，本书提出正常工作中三极管各极电压具有“内部一致性”的概念。即若三极管处于截止状态时，NPN三极管的基极电压为低电平且集电极和发射极电压可以不同，PNP三极管的基极电压为高电平且集电极和发射极电压可以不同；若三极管处于饱和导通状态时，NPN三极管的基极电压为高电平且集电极和发射极电压应相同，PNP三极管的基极电压为低电平且集电极和发射极电压应相同。利用三极管的“内部一致性”，可以对工作中的三极管进行有限度的初步盲测。
3.4.3 三极管的开关原理与基极感应电压
通俗地比喻，三极管就像一个水龙头。水龙头分为供水侧（具有一定水压的供水）、用水侧和开关三部分。
NPN三极管的集电极等价于水龙头的供水侧，发射极等价于水龙头的出水侧，PNP三极管的发射极等价于水龙头的供水侧，集电极等价于水龙头的出水侧，无论是NPN三极管还是PNP三极管的基极都等价于水龙头的开关。
如果开关关闭了，水龙头就处于截止状态，那么水就无法从供水侧流到用水侧；如果开关打开了，水龙头就处于放大或饱和状态，那么水就可以从供水侧流向出水侧。
同理，对于三极管而言，如果在NPN三极管的基极上附加一个合适的正导通电压，就等于打开了NPN三极管CE间的开关，此时电流就会从NPN三极管的集电极流向发射极；如果在PNP三极管的基极上附加一个合适的负导通电压，就等于打开了PNP三极管EC间的开关，此时电流就会从PNP的发射极流向集电极。
这就是为什么我们常说NPN三极管是正电压导通，而PNP三极管是负电压导通的原因。此表述不完整，反而为读者理解三极管的导通原理带来了极大的负面影响。这是因为在讨论三极管的开关原理时，往往忽视其导通前NPN三极管由集电极到发射极和PNP三极管由发射极到集电极的电压。换句话说，只有首先意识到三极管截止时CE间存在供电（等价于水龙头供水侧的具有一定水压的供水），才能找到理解三极管开关原理的金钥匙。
我们用下面的两个实验来明确三极管截止时其基极的电压情况，提出三极管在截止时基极具有“基极感应电压”的概念，作为我们理解三极管开关原理的帮手。只有首先明确了NPN和PNP三极管截止时其基极上的感应电压的具体数值，我们才能够真正完整且正确地理解NPN三极管为什么是高电平导通，而PNP三极管为什么是低电平导通。
取一个直插式的PNP三极管，将电池（笔者使用的是从台式计算机主板上拆下的CMOS电池槽及CR2030电池）正极接PNP三极管的发射极，电池负极接PNP三极管的集电极（遵从从发射极到集电极的电流方向）。将万用表置于直流电压挡，红表笔接PNP三极管的基极，黑表笔接电池的负极，测量三极管的基极是否有电压，是何种电压。
如图3-14和图3-15所示为验证PNP三极管具有正感应电压的实验装置图。
图3-14 验证PNP三极管具有正感应电压的实验装置1
图3-15 验证PNP三极管具有正感应电压的实验装置2
如图3-14和图3-15所示，万用表显示有电压，而且是正电压，它就是PNP三极管的“基极感应电压”。
此时的PNP三极管是截止的，若要使其导通，就需要在PNP三极管的基极上附加一个负导通电压。负电压可通过由地或电池的负极经电阻后引去基极获得。这就是PNP三极管低电平导通的本质。引入负电压的结果，是使PNP三极管的基极电压被拉低，而当基极电压被拉低到低于其导通时的门槛电压时，PNP三极管开始导通。因此，PNP三极管低电平导通的完整含义是其基极上的电压低于其截止时的感应电压后才有可能导通，如果基极电压被拉低到一定程度（低于门槛电压即可，无须拉低到0V），PNP三极管就已经完全导通了。
将PNP三极管换下，使用NPN三极管重复完成这个实验。此时，需要用电池正极接NPN三极管的集电极，电池负极接NPN三极管的发射极（遵从从发射极到集电极的电流方向）。将万用表置于直流电压挡，红表笔接NPN三极管的基极，黑表笔接电池的负极，测量三极管的基极是否有电压，是何种电压。观察万用表的显示，它应该不变，还是万用表初始的0V，它就是NPN三极管的“基极感应电压”。此时，NPN三极管是截止的，若要使其导通，就需要在NPN三极管的基极上附加一个正导通电压。正导通电压可通过由电池或供电的正极经电阻后引去基极获得。这就是NPN三极管高电平导通的本质。引入正电压的结果是使NPN三极管的基极电压高于其截止时的感应电压0V，此时，NPN三极管才有可能导通。因此，NPN三极管高电平导通的完整含义是其基极上的电压高于其截止时的感应电压0V后才有可能导通，如果基极电压被拉高到一定程度（高于门槛电压，即为0.6～0.7V，有的是3V，与具体型号密切相关，应查数据表），NPN三极管就已经完全导通了。
如果在原有实验装置的基础上增加一个发光二极管和若干个电阻，我们可以方便地用电阻从电池正极取高电平加至NPN的基极，或者从电池负极取低电平加至PNP的基极控制发光二极管的亮灭，以加深对三极管开关原理的理解。
可通过如图3-16所示的实验电路去摸索三极管的具体导通电压，笔者强烈建议读者实测。
图3-16 实验电路
R1为限流电阻，R2为隔离电阻，R3对电容C延时充电/放电（先闭合开关SW1，再断开SW1、闭合开关SW2），当电压达到三极管的基极导通门槛电压后，三接管导通，发光二极管亮。可通过恰当选择电阻R3的阻值及电容C的容量，调节控制从加电到LED亮的时间，使用万用表可方便地测量出三极管基极的具体导通电压。
如图3-17所示是使用S9013组装的实测电路，此NPN三极管的导通电压门槛值经实测约为0.7142V（可调正3.3V）。某厂家的官方数据表中的门槛值数据为0.65～0.95V（低于0.65V一定不导通，高于0.95V一定导通）。
图3-17 使用S9013组装的实测电路
在PNP的导通电压实验中，笔者使用的是直插式的S8550，测得其导通电压门槛值约为1.7V（可调正5V），实物图不再拍照，读者可参考图3-16组装实测即可。另测得其基极感应电压为4.12V，即至少要将基极电压拉低4.12-1.7=2.42V，此PNP三极管才可导通。
3.4.4 三极管传递信号的原理及作用
三极管能够用于信号的传递。在信号传递的同时，也起到了将上级驱动电路与下级工作电路隔离的作用。
传递本身意味着三极管首先要从上级驱动电路接收控制信号，然后再通过自身“由截止到导通”或“由导通到截止”的状态变化转发给下级工作电路。因此，三极管的基极（左下脚）往往连接到芯片的引脚或BGA触点以接收这些芯片发出的控制信号。而集电极或发射极则在下级电路中作为控制信号的输入点或输入线。
接下来的问题是三极管如何将基极发来的控制信号通过集电极和发射极传递到下级工作电路。
这里，我们再次强调三极管的三个电极分处于前文所说的两个不同电路（上级驱动电路、下级工作电路）中，并且其基极一定属于上级驱动电路，而集电极和发射极则有两种具体情况（两者并无本质区别）。
（1）第一种情况。
在笔记本电脑主板中，经常发现这样的NPN三极管，它的发射极接地，也经常发现这样的PNP三极管，它的发射极接某一上拉供电（上述NPN三极管一定用于控制信号的传递，上述PNP三极管在排除了供电用途后，也几乎一定用于控制信号的传递）。
这样的NPN三极管的集电极属于下级工作电路，发射极接地，可认为其既不属于上级驱动电路，也不属于下级工作电路。
这样的PNP三极管的集电极属于下级工作电路，发射极接某一上拉供电，可认为其既不属于上级驱动电路，也不属于下级工作电路。
要理解三极管集电极（NPN）或发射极（PNP）传递信号的过程，首先要有一个从“三极管导通前EC间无电流到导通后EC间有电流”到“三极管导通前发射极或集电极电平为‘某一电平’到三极管导通后E极或C极电平为‘某一电平’的反向电平”的认识转换。在数字电路中，PNP三极管EC间或NPN三极管CE间的电流并不总是重要的（它当然很重要），更重要的是EC和CE之间的开关状态会导致发射极或集电极电平的高低转换。
正如前文所述，主板上很多NPN三极管的发射极都接地，而集电极都是经电阻上拉到高电平的，一旦NPN三极管响应了某个高电平的导通控制信号后，其直接结果是令集电极和发射极间导通，间接结果则会令集电极经上拉电阻获得的高电平被拉低到地，而当这个高电平的导通信号变为低电平后，又会令此NPN三极管的集电极由地的电平恢复为上拉电阻提供的高电平。
换句话说，NPN三极管的基极在控制信号的控制下可在其集电极上输出或高或低的电平，PNP三极管的基极在控制信号的控制下可在其发射极上输出或高或低的电平。而此或高或低的输出电平才是真正被三极管传递到下级电路的信号，并最终引起下级工作电路工作状态的变化。
（2）第二种情况。
三极管的集电极和发射极都属于下级工作电路。
在ATX电源中，用于主开关管的三极管是此种情况的典型案例。这是因为主开关管的集电极和发射极实际上是串联在回路中的，从集电极流向发射极的电流才是电路赖以工作的因素。
3.4.5 三极管的测量
1．普通信号三极管（无内置电阻）的测量
通常使用万用表的二极管挡区分三极管的管型、极性及好坏。测量时最好先将三极管从主板上吹下。
如果我们选万用表的任意一个表笔先固定接三极管的一个引脚，然后再用另一个表笔接三极管的剩余两个引脚，可进行两次测量。按此法循环3次，即可得到6次测量结果，完成全部测量工作。
我们首先分析这6次测量的可能结果。
通过对三极管开关原理的学习，我们已经知道当三极管的基极上无导通电压时，无论是NPN的CE间还是PNP的EC间的阻值都为无穷大。因此，用万用表开路测量正常NPN的CE两引脚或正常PNP的EC两引脚之间的压降都应该是无穷大1。也就是说，这两次的测量结果为1。
通过对三极管结构的学习，我们已经知道NPN三极管的BE之间相当于一个二极管（B极正、E极负）、BC之间也相当于一个二极管（B极正、C极负），而PNP三极管的BE之间相当于一个二极管（B极负、E极正）、BC之间也相当于一个二极管（B极负、C极正）。当万用表的表笔顺序恰好符合二极管的方向时，应能够测到一个650mV左右的数值，当万用表的表笔顺序不符合二极管的方向时，应测到无穷大1。也就是说，当表笔恰好测量到上述两个二极管的正负极时，应有两次的结果为1，两次的结果为650mV左右。
而当表笔恰好测量到C极和E极之间的压降时，均应不通：万用表的两次示数为1。
综上所述，全部6次的测量工作应该得到表3-3所示的测量结果。
表3-3 测量结果
在两次有读数的测量中，我们发现：有一个表笔及其所接触的极是固定的。这个表笔所接触的固定的极就是三极管的基极。如果这个表笔是红的，那么三极管就是NPN型的；如果这个表笔是黑的，那么三极管就是PNP型的。
判断出基极后，还应根据两次测量数值的大小来判断其他极。数值稍大的为发射极，数值稍小的为集电极。需要注意的是这个差别较小（往往只有0.01V），质量差的万用表会测到两次相等的示数，此时需要更换精度更高的万用表。
当因万用表的精度不够高造成无法区分集电极和发射极时，如果此三极管是长引脚的直插三极管，则可以用润湿法来进一步判断。尽管笔记本电脑实际使用的三极管封装尺寸过小（贴片SOT23），难以用润湿法方便地判断，但读者仍应掌握此方法以更好地理解三极管的导通原理。
润湿法是专门用于在判断出基极后继续判断直插式三极管集电极和发射极的方法。其原理是模拟三极管导通。对于NPN而言，用表笔接触除基极以外的两引脚，此时万用表的读数应该是1。用吐沫先润湿手指，然后用手指同时触碰基极和红表笔所接的电极。如果有读数，且读数比较规律地减小，那么红表笔所接就是NPN的集电极。
2．数字三极管的测量
内置电阻的数字三极管与普通信号三极管的测量过程不同。因为其内置电阻的存在，在使用万用表测量三极管的发射结[红表笔接基极（左下脚），黑表笔接发射极（右下脚）]和集电结[红表笔接基极（左下脚），黑表笔接发射极（中间脚）]时往往测不到其PN结的压降，万用表读数为无穷大。
因此，不能采用前文中的方法测出数字三极管的好坏，此时应使用辅助“偏置电源”。
3．使用辅助偏置电源测量信号三极管及数字三极管
可使用辅助偏置电源模拟三极管的导通过程来测量普通信号三极管及内置电阻数字三极管，也可用于在板侧大致判断其好坏（偏置电源的制作及与万用表的组装请参考3.5.8节）。
当使用辅助偏置电源在板侧令三极管导通后（特别注意，万用表读数由较大值变为较小值的过程即是数字三极管由截止变为导通的过程），可从万用表上看到其CE间或EC间的压降（这意味着三极管已导通）。
对于普通NPN信号三极管而言，万用表测得的CE间的压降（红表笔接中间脚、黑表笔接右下脚）约为0.500V而不是0V。对于普通PNP信号三极管而言，万用表测得的EC间的压降（黑表笔接中间脚、红表笔接右下脚）约为1.500V而不是0V。对于数字NPN三极管而言，万用表测得的CE间的压降（红表笔接中间脚、黑表笔接右下脚）应小于0.060V而不是0V。对于数字PNP三极管而言，万用表测得的EC间的压降（黑表笔接中间脚、红表笔接右下脚）应是1.3～0.7V而不是0V。读者应通过实测来掌握使用偏置电源普通信号三极管和数字二极管在测量时的区别，而不是记忆笔者所列举的具体数据，因为这些数据因具体的管子会有所不同。
这些实测数据也说明了数字三极管的性能远优于普通信号三极管。
3.4.6 三极管与门的关系
事实上，利用三极管及电阻可以非常方便地在主板上组成逻辑门电路。
如图3-18所示为笔记本电脑主板及台式计算机主板上常见的由两个三极管构成的跟随门。
图3-18 跟随门
a点和b点之间为一个跟随门。
当a点为高电平时，NPN三极管Q1的CE间导通，R上拉1电阻的2脚经过Q1的CE后对地短路。这令c点的电平变为接近于地的低电平，即Q2的基极电压变为低电平，Q2截止，在Q2的集电极（R上拉2电阻的2脚）输出V2，即b点为高电平。
当a点为低电平时，NPN三极管Q1截止，Q1的集电极输出V1（R上拉1电阻的2脚），这令c点的电平变为接近于V1的高电平，即Q2的基极电压变为高电平，NPN三极管Q2的CE间导通，R上拉2电阻的2脚经过Q2的CE后对地短路，这令b点的电平变为接近于地的低电平。
上述跟随门经常用于信号的传递隔离，同时也可实现电平的转换（从a点输入的高电平在经过门后，被转化为V2的高电平）。
为了加深读者对由三极管构成的门的理解，笔者再介绍一个某苹果笔记本电脑使用的一个简单门芯片，如图3-19（清晰大图见资料包第3章/图3-19）所示。
图3-19 简单门芯片
Q7950实现了一个与门的功能。6脚经R7956上拉到3.3V供电，5、7、1脚是这个与门的三路输入，只有这三路输入同时为高后，内部集成的N沟道场管Q1的S极才能够获得从6脚输入的高电平（历经Q2、Q3、Q4的3个C极到E极），并在Q1导通后输出。
不严格地说，独立的门芯片实际上就是一堆三极管和场管。TTL中的第一个T，就是指三极管。
3.4.7 ATX电源的主开关管
在双管半桥拓扑的ATX电源中，主电源回路中有两个开关管。最常见的型号为13007或13009，它们均为NPN开关管。
主开关管是ATX电源的易损件，应原值代换或以更高值代换。