三极管如何实现电子开关的原理及功能详解-电子技术知识

三极管的基本原理

三(san)(san)极管(guan)和MOS管(guan)都可以作为电子开关使用(yong)，三(san)(san)极管(guan)属于(yu)电流控制(zhi)(zhi)元(yuan)器(qi)件，跟MOS管(guan)不同，MOS管(guan)属于(yu)电压控制(zhi)(zhi)元(yuan)器(qi)件。

三(san)极(ji)(ji)管有两种(zhong)类型，NPN型和PNP型，其结(jie)构示(shi)意图如下(xia)图所示(shi)。可以看出(chu)，三(san)极(ji)(ji)管是(shi)由两个PN结(jie)经过特殊的(de)工艺技术处(chu)理形成的(de)。三(san)极(ji)(ji)管有三(san)个极(ji)(ji)：基极(ji)(ji)、集电(dian)极(ji)(ji)和发射极(ji)(ji)，基极(ji)(ji)用字(zi)母b表示(shi)，集电(dian)极(ji)(ji)用字(zi)母c表示(shi)，发射极(ji)(ji)用字(zi)母e表示(shi)。

三极管(guan)正常工作时有三个区(qu)间：截(jie)止区(qu)、放(fang)大区(qu)和饱和区(qu)。

截止区：Ube＜死(si)区电(dian)压(ya)，死(si)区电(dian)压(ya)一般为。0.3V~0.6V左右(you)，具(ju)体跟(gen)三(san)极管(guan)的(de)(de)特(te)性(xing)有(you)(you)关(guan)，每(mei)个三(san)极管(guan)型(xing)号都会有(you)(you)自己(ji)的(de)(de)死(si)区电(dian)压(ya)，具(ju)体可(ke)查三(san)极管(guan)型(xing)号的(de)(de)datasheet，会有(you)(you)相应的(de)(de)说明。此区间基极电(dian)流Ib=0。

放(fang)大区(qu)：放(fang)大区(qu)的主(zhu)要特(te)点是(shi)发(fa)射结正偏(pian)(pian)，集电结反(fan)偏(pian)(pian)，Ic=βIb，β为三极管的放(fang)大倍数。

饱和区(qu)：此区(qu)间发射结正偏，集电结正偏，注(zhu)意(yi)：和放大区(qu)有所不同。Uce＜Ube，βib＞ic，Uce≈0.3V。

三极管如何实现电子开关的原理

三极管开关功能——闭合

三极(ji)管(guan)工作在放大(da)区(qu)时(shi)，集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)正比与基(ji)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)，两者的(de)比值是(shi)该(gai)三极(ji)管(guan)的(de)电(dian)(dian)流(liu)放大(da)倍数。也就是(shi)说，当(dang)基(ji)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)一(yi)定时(shi)，该(gai)三极(ji)管(guan)的(de)最大(da)集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)就是(shi)放大(da)倍数乘基(ji)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)。

下面(mian)通过电路(lu)仿真来直观(guan)的(de)说(shuo)明，我(wo)以(yi)前对NPN型(xing)三极(ji)管有过类似的(de)介绍，这里我(wo)就以(yi)PNP三极(ji)管来说(shuo)明。

上图中输(shu)入电(dian)压(ya)时(shi)2.5V，三(san)(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)电(dian)压(ya)5V，一般基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)有(you)电(dian)流(liu)时(shi)，发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)与基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)间压(ya)降是0.7V左右(you)，这里是0.75V。所以(yi)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)为175uA-147uA=28uA，三(san)(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的电(dian)流(liu)放(fang)大(da)倍数是100，所以(yi)集电(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)为2.8mA左右(you)（这里是2.84mA），该电(dian)流(liu)在1K负载(zai)电(dian)阻上产生2.84V压(ya)降，即三(san)(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)发(fa)射(she)极(ji)(ji)(ji)-集电(dian)极(ji)(ji)(ji)间压(ya)降为2.16V，三(san)(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)工作在放(fang)大(da)区(qu)。

上图我将负载(zai)电阻该为0.5K，三极(ji)管集电极(ji)电流还是2.84mA。

下面我(wo)将负载电(dian)(dian)(dian)阻(zu)改大，比如(ru)到10K，假如(ru)集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)还(hai)是2.84mA的(de)话电(dian)(dian)(dian)阻(zu)上压降达到28.4V。但发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压最大也就只有(you)5V，就算三极(ji)(ji)(ji)管发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)-集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压降是0V的(de)话，集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)也只有(you)0.5mA，事实上的(de)确(que)是这样，集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)接近0.5mA，三极(ji)(ji)(ji)管发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)-集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)压降接近0V，就好像(xiang)发射(she)(she)极(ji)(ji)(ji)与集(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)之间有(you)一开关闭合了，下面是仿真(zhen)图。

三极管开关功能——断开

有了上面(mian)的(de)说明，三(san)极(ji)管(guan)实现(xian)断(duan)开的(de)功能(neng)就(jiu)更(geng)容易理解了，只要使集电极(ji)电流为0A，那我们只要使输入(ru)电压大于(yu)等于(yu)5V，如下图所示。

三极管如何实现电子开关功能

了(le)解了(le)三极管的基本原(yuan)理之后，那么(me)，三极管是(shi)怎么(me)实现电子开关功能的呢？

电子(zi)开关主要控制三极管处于两个工作区(qu)间：饱和区(qu)和截(jie)止区(qu)

三极管(guan)饱(bao)和-----实(shi)现电子开关的“开”功能

三(san)极管(guan)截(jie)止-----实现电子开关的“关”功能

当然，三(san)极(ji)管(guan)(guan)处于(yu)非饱(bao)和区间的放(fang)大区，三(san)极(ji)管(guan)(guan)也处于(yu)导通(tong)状态，也可(ke)以实(shi)(shi)现(xian)三(san)极(ji)管(guan)(guan)的开状态，只是此时(shi)的电(dian)流并未达到(dao)三(san)极(ji)管(guan)(guan)的最(zui)大电(dian)流，内阻(zu)比较(jiao)大，对于(yu)负载(zai)电(dian)流较(jiao)小时(shi)，也可(ke)以在此区间实(shi)(shi)现(xian)电(dian)子开关的“开”功能。一(yi)般我(wo)们使(shi)用三(san)极(ji)管(guan)(guan)当电(dian)子开关时(shi)，为了(le)能够(gou)使(shi)三(san)极(ji)管(guan)(guan)达到(dao)最(zui)大输出电(dian)流，一(yi)般都会设计将三(san)极(ji)管(guan)(guan)处于(yu)饱(bao)和区间。举例说(shuo)明:

下(xia)面(mian)三(san)(san)极管控制灯泡(pao)为例，通(tong)过(guo)处理器（比如(ru)单(dan)片机、DSP、ARM、FPGA等）的I/O口(kou)控制小灯泡(pao)，NPN和PNP三(san)(san)极管的接法有些不同，NPN型(xing)三(san)(san)极管当下(xia)管使用，控制灯泡(pao)的负极；PNP型(xing)三(san)(san)极管当上管使用，控制灯泡(pao)的正(zheng)极。具体原理如(ru)下(xia)图(tu)所示。

NPN型三极(ji)(ji)管(guan)(guan)原理实现(xian)过(guo)程：当I/O口(kou)输入(ru)低电(dian)(dian)平(ping)时，由于(yu)Ube＜死区电(dian)(dian)压，Ib=0，三极(ji)(ji)管(guan)(guan)处(chu)于(yu)截止状态，所以灯泡(pao)不亮(liang)；当I/O口(kou)输入(ru)高电(dian)(dian)平(ping)（3.3V或5V等）时，三极(ji)(ji)管(guan)(guan)导通，灯泡(pao)燃亮(liang)。根(gen)据I/O口(kou)的高电(dian)(dian)平(ping)状态，选择合适的基(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)阻R1，使(shi)三极(ji)(ji)管(guan)(guan)处(chu)于(yu)饱和状态，计算(suan)方(fang)法为(wei)：R1≈（U-Ube）*β/Ic，其中U为(wei)I/O口(kou)输入(ru)电(dian)(dian)压，β为(wei)三极(ji)(ji)管(guan)(guan)放大倍(bei)数(shu)，Ic为(wei)三极(ji)(ji)管(guan)(guan)最大集电(dian)(dian)极(ji)(ji)电(dian)(dian)流，Ube为(wei)基(ji)极(ji)(ji)与发射极(ji)(ji)之间的压差，一般(ban)为(wei)0.4V~0.6V左右。

R2为下拉电(dian)(dian)阻，阻值(zhi)选择大(da)一(yi)些，至少应比(bi)R1大(da)一(yi)个数量(liang)级，这样在计(ji)算R1阻值(zhi)时，可以忽略(lve)R2的存在，若(ruo)R1与R2电(dian)(dian)阻大(da)小相当时，需要考虑分流(liu)情况。此时，R1的电(dian)(dian)流(liu)IR1=Ib+Ube/R2，所以R1=（U-Ube）/IR1=（U-Ube）/（Ib+Ube/R2）。计(ji)算较复(fu)杂。

PNP型(xing)三(san)极管(guan)原理实现过程与(yu)NPN型(xing)三(san)极管(guan)类似，PNP型(xing)三(san)极管(guan)控制灯泡(pao)的正极，具体过程：当(dang)I/O口(kou)输(shu)入(ru)高电(dian)平（VCC）时，UBE无压差(cha)，Ib=0，三(san)极管(guan)处(chu)于截止状态，所(suo)以灯泡(pao)不亮(liang)；当(dang)I/O口(kou)输(shu)入(ru)低电(dian)平时，三(san)极管(guan)处(chu)于导通状态，灯泡(pao)燃亮(liang)。

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