三极管,三极管开关

三极管

三极(ji)管，全称应(ying)为半(ban)(ban)导(dao)体(ti)三极(ji)管，也称双极(ji)型(xing)晶(jing)体(ti)管、晶(jing)体(ti)三极(ji)管，是一(yi)种控制电流的(de)半(ban)(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件。其作用是把微弱信号放大(da)成幅度(du)值较大(da)的(de)电信号，也用作无(wu)触点开关。

三(san)极(ji)管是(shi)半导体基本元器(qi)件之(zhi)一，具有电流(liu)放大作用，是(shi)电子电路(lu)的(de)核心元件。三(san)极(ji)管是(shi)在一块半导体基片上制作两个相(xiang)距很近的(de)PN结(jie)，两个PN结(jie)把整(zheng)块半导体分成三(san)部(bu)分，中间部(bu)分是(shi)基区，两侧部(bu)分是(shi)发(fa)射区和集(ji)电区，排(pai)列方式有PNP和NPN两种(zhong)。

三极管-工作状态

（一）截止状态

当(dang)加在三极(ji)(ji)(ji)管(guan)发射(she)(she)结的(de)电(dian)压小于PN结的(de)导通电(dian)压，基极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)为零(ling)，集(ji)电(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)和(he)发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)都为零(ling)，三极(ji)(ji)(ji)管(guan)这时失去了(le)电(dian)流(liu)(liu)放(fang)大作(zuo)用，集(ji)电(dian)极(ji)(ji)(ji)和(he)发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)之间相(xiang)当(dang)于开关的(de)断开状态(tai)，我们(men)称三极(ji)(ji)(ji)管(guan)处于截止状态(tai)。

（二）放(fang)大状态

当(dang)加在三(san)极(ji)管(guan)(guan)发射结的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压大于PN结的导通电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，并处于某一(yi)恰(qia)当(dang)的值时(shi)，三(san)极(ji)管(guan)(guan)的发射结正(zheng)向(xiang)偏置(zhi)，集电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)结反向(xiang)偏置(zhi)，这(zhei)时(shi)基(ji)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)对集电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)起着控制(zhi)作(zuo)用，使三(san)极(ji)管(guan)(guan)具有电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)放(fang)大作(zuo)用，其(qi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)放(fang)大倍数β=ΔIc/ΔIb，这(zhei)时(shi)三(san)极(ji)管(guan)(guan)处放(fang)大状态。

（三）饱和(he)导通

当(dang)加在三(san)极(ji)管发(fa)射(she)(she)结的电(dian)(dian)(dian)压(ya)大(da)(da)于(yu)PN结的导通电(dian)(dian)(dian)压(ya)，并当(dang)基极(ji)电(dian)(dian)(dian)流增大(da)(da)到一(yi)定程(cheng)度(du)时，集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流不(bu)再随(sui)着基极(ji)电(dian)(dian)(dian)流的增大(da)(da)而增大(da)(da)，而是(shi)处于(yu)某一(yi)定值(zhi)附近不(bu)怎么变(bian)化，这时三(san)极(ji)管失去电(dian)(dian)(dian)流放大(da)(da)作用，集电(dian)(dian)(dian)极(ji)与发(fa)射(she)(she)极(ji)之间的电(dian)(dian)(dian)压(ya)很小，集电(dian)(dian)(dian)极(ji)和发(fa)射(she)(she)极(ji)之间相当(dang)于(yu)开关的导通状(zhuang)态。三(san)极(ji)管的这种状(zhuang)态我们(men)称之为饱和导通状(zhuang)态。

三极管开关电路工作原理解析

下面是(shi)三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)开关(guan)电路工(gong)作原(yuan)理，图一所(suo)示是(shi)NPN三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de) 共射极(ji)(ji)电路，图二所(suo)示是(shi)它(ta)的(de)特性曲线(xian)图，图中它(ta)有3 种工(gong)作区域：截止区(Cutoff Region)、线(xian)性区 (Active Region) 、饱(bao)和(he)区(Saturation Region)。三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)是(shi)以B 极(ji)(ji)电流IB 作为输入(ru)，操控整个(ge)三(san)极(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)工(gong)作状态(tai)。

若(ruo)三(san)极管(guan)是(shi)在截止区，IB 趋(qu)近于0 (VBE 亦趋(qu)近于0)，C 极与E 极间约(yue)呈断路状态，IC=0，VCE=VCC。若(ruo)三(san)极管(guan)是(shi)在线性区，B-E 接面为顺(shun)向(xiang)偏压，B-C 接面为逆向(xiang)偏压，IB 的值(zhi)适中(VBE=0.7V)，  IC=hFEIB呈比(bi)例放大，Vce=Vcc-RcIc=Vcc-Rc  hFE IB可(ke)被IB操控。

若三(san)极管(guan)在饱和区，IB很大，VBE=0.8V，VCE=0.2V，VBC=0.6V，B-C与(yu)B-E两接面(mian)均(jun)为(wei)正向偏压，C-E间等同于一个带(dai)(dai)有0.2V电位(wei)落差的通(tong)路，可得Ic=( Vcc-0.2)/ Rc，Ic与(yu)IB无关(guan)了，因(yin)(yin)此时(shi)的IB大过线(xian)性放(fang)大区的IB值，Ic<hFE IB是必然的。三(san)极管(guan)在截(jie)止(zhi)态时(shi)C-E间如同断路，在饱和态时(shi)C-E 间如同通(tong)路 (带(dai)(dai)有0.2V电位(wei)降(jiang))，因(yin)(yin)此可以作为(wei)开(kai)关(guan)。控(kong)制此开(kai)关(guan)的是 IB，也可以用VBB作为(wei)控(kong)制的输入讯号。图(tu)三(san)、四分别显示三(san)极管(guan)开(kai)关(guan)的通(tong)路、断路状(zhuang)态，及其对应的等效电路。

图1 NPN 三极(ji)管共射(she)极(ji)电路

图2 共射极电路(lu)输出特性曲

图(tu)3 截止态如同(tong)断路(lu)线图(tu)

图4 饱和态如(ru)同通路

三极管开关的作用

三极管开(kai)关的(de)作(zuo)用(yong)详(xiang)解(jie)，简单(dan)三极管开(kai)关：电(dian)(dian)路如图5，电(dian)(dian)阻RC是LED限流用(yong)电(dian)(dian)阻，以(yi)(yi)防止电(dian)(dian)压过高烧坏LED（发光二极管），将(jiang)输入信号(hao) VIN 从0 调到最大 (等分为(wei)约20 个间隔)，观察并记(ji)录对的(de) VOUT 以(yi)(yi)及(ji)LED 的(de)亮度。当(dang)(dang)三极管开(kai)关为(wei)断路时(shi)，VOUT =VCC =12 V，LED 不亮。当(dang)(dang)三极管开(kai)关通路时(shi)，VOUT  = 0.2V ，LED 会(hui)亮。

改良三极管开关(guan)：因(yin)为三极管由截止区(qu)过(guo)度(du)到饱和区(qu)需经过(guo)线性区(qu)，开关(guan)的(de)(de)效(xiao)果(guo)不(bu)会有明确的(de)(de)界(jie)线。为使三极管开关(guan)的(de)(de)效(xiao)果(guo)明确，可串接两三极管，电路如图(tu)六(liu)。同样将输入(ru)信号 VIN 从0 调到最大 (等分为约20 个(ge)间隔)，观察并记录(lu)对(dui)应(ying)的(de)(de)VOUT 以及LED 的(de)(de)亮度(du)。

图(tu)5 简(jian)单开(kai)关三极(ji)管(guan)电路(lu)图(tu)

图6 改良三极(ji)管开关电路-达林顿(dun)电路图

以(yi)上可(ke)以(yi)看(kan)出几乎(hu)任何(he)一种(zhong)型(xing)号三极管都可(ke)一做为(wei)电子(zi)开关来(lai)(lai)使用，如果条件(jian)允许(xu)也可(ke)用来(lai)(lai)控制(zhi)加(jia)热设(she)备。

三极管开关基本原理图

1.基极(ji)必(bi)须串接电阻，保护基极(ji)，保护CPU的IO口。

2.基极根据PNP或者(zhe)NPN管子加上拉(la)电阻或者(zhe)下拉(la)电阻。

3.集电(dian)(dian)(dian)极电(dian)(dian)(dian)阻(zu)阻(zu)值根据驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)流实际情况调整。同样基(ji)极电(dian)(dian)(dian)阻(zu)也可以根据实际情况调整。

基(ji)极(ji)和发射极(ji)需要串(chuan)接(jie)(jie)电阻(zu)，该电阻(zu)的(de)作用是(shi)在输入(ru)呈(cheng)高阻(zu)态时(shi)使晶体(ti)(ti)管可靠(kao)截止(zhi)，极(ji)小(xiao)值(zhi)是(shi)在前(qian)级(ji)驱(qu)动使晶体(ti)(ti)管饱和时(shi)与基(ji)极(ji)限(xian)流(liu)电阻(zu)分压(ya)后能(neng)够(gou)满(man)足晶体(ti)(ti)管的(de)临界(jie)饱和，实际选(xuan)择(ze)时(shi)会(hui)大(da)大(da)高于这个极(ji)小(xiao)值(zhi)，通常(chang)外接(jie)(jie)干扰越(yue)小(xiao)、负(fu)载越(yue)重(zhong)准(zhun)许的(de)阻(zu)值(zhi)就越(yue)大(da)，通常(chang)采(cai)用10K量级(ji)。

防止三极(ji)管受噪声信(xin)(xin)号(hao)的影(ying)响而产生误动(dong)作，使(shi)晶体管截(jie)止更可(ke)靠。三极(ji)管的基极(ji)不能出现(xian)悬(xuan)空(kong)，当输入(ru)信(xin)(xin)号(hao)不确(que)定时（如(ru)输入(ru)信(xin)(xin)号(hao)为(wei)高阻(zu)态时），加下拉电阻(zu)，就能使(shi)有(you)效接地。

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