三極管如何實現(xiàn)電子開關(guān)的原理及功能詳解-電子技術(shù)知識

三極管的基本原理

三極管和MOS管都可以作為電子開關(guān)使用，三極管屬于電流控制元器件，跟MOS管不同，MOS管屬于電壓控制元器件。

三極管有兩種類型，NPN型和PNP型，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。可以看出，三極管是由兩個PN結(jié)經(jīng)過特殊的工藝技術(shù)處理形成的。三極管有三個極：基極、集電極和發(fā)射極，基極用字母b表示，集電極用字母c表示，發(fā)射極用字母e表示。

三極管正常工作時有三個區(qū)間：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

截止區(qū)：Ube＜死區(qū)電壓，死區(qū)電壓一般為。0.3V~0.6V左右，具體跟三極管的特性有關(guān)，每個三極管型號都會有自己的死區(qū)電壓，具體可查三極管型號的datasheet，會有相應(yīng)的說明。此區(qū)間基極電流Ib=0。

放大區(qū)：放大區(qū)的主要特點是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，Ic=βIb，β為三極管的放大倍數(shù)。

飽和區(qū)：此區(qū)間發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，注意：和放大區(qū)有所不同。Uce＜Ube，βib＞ic，Uce≈0.3V。

三極管如何實現(xiàn)電子開關(guān)的原理

三極管開關(guān)功能——閉合

三極管工作在放大區(qū)時，集電極電流正比與基極電流，兩者的比值是該三極管的電流放大倍數(shù)。也就是說，當(dāng)基極電流一定時，該三極管的最大集電極電流就是放大倍數(shù)乘基極電流。

下面通過電路仿真來直觀的說明，我以前對NPN型三極管有過類似的介紹，這里我就以PNP三極管來說明。

上圖中輸入電壓時2.5V，三極管發(fā)射極電壓5V，一般基極有電流時，發(fā)射極與基極間壓降是0.7V左右，這里是0.75V。所以基極電流為175uA-147uA=28uA，三極管的電流放大倍數(shù)是100，所以集電極電流為2.8mA左右（這里是2.84mA），該電流在1K負(fù)載電阻上產(chǎn)生2.84V壓降，即三極管發(fā)射極-集電極間壓降為2.16V，三極管工作在放大區(qū)。

上圖我將負(fù)載電阻該為0.5K，三極管集電極電流還是2.84mA。

下面我將負(fù)載電阻改大，比如到10K，假如集電極電流還是2.84mA的話電阻上壓降達(dá)到28.4V。但發(fā)射極電壓最大也就只有5V，就算三極管發(fā)射極-集電極電壓降是0V的話，集電極電流也只有0.5mA，事實上的確是這樣，集電極電流接近0.5mA，三極管發(fā)射極-集電極壓降接近0V，就好像發(fā)射極與集電極之間有一開關(guān)閉合了，下面是仿真圖。

三極管開關(guān)功能——斷開

有了上面的說明，三極管實現(xiàn)斷開的功能就更容易理解了，只要使集電極電流為0A，那我們只要使輸入電壓大于等于5V，如下圖所示。

三極管如何實現(xiàn)電子開關(guān)功能

了解了三極管的基本原理之后，那么，三極管是怎么實現(xiàn)電子開關(guān)功能的呢？

電子開關(guān)主要控制三極管處于兩個工作區(qū)間：飽和區(qū)和截止區(qū)

三極管飽和-----實現(xiàn)電子開關(guān)的“開”功能

三極管截止-----實現(xiàn)電子開關(guān)的“關(guān)”功能

當(dāng)然，三極管處于非飽和區(qū)間的放大區(qū)，三極管也處于導(dǎo)通狀態(tài)，也可以實現(xiàn)三極管的開狀態(tài)，只是此時的電流并未達(dá)到三極管的最大電流，內(nèi)阻比較大，對于負(fù)載電流較小時，也可以在此區(qū)間實現(xiàn)電子開關(guān)的“開”功能。一般我們使用三極管當(dāng)電子開關(guān)時，為了能夠使三極管達(dá)到最大輸出電流，一般都會設(shè)計將三極管處于飽和區(qū)間。舉例說明:

下面三極管控制燈泡為例，通過處理器（比如單片機、DSP、ARM、FPGA等）的I/O口控制小燈泡，NPN和PNP三極管的接法有些不同，NPN型三極管當(dāng)下管使用，控制燈泡的負(fù)極；PNP型三極管當(dāng)上管使用，控制燈泡的正極。具體原理如下圖所示。

NPN型三極管原理實現(xiàn)過程：當(dāng)I/O口輸入低電平時，由于Ube＜死區(qū)電壓，Ib=0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以燈泡不亮；當(dāng)I/O口輸入高電平（3.3V或5V等）時，三極管導(dǎo)通，燈泡燃亮。根據(jù)I/O口的高電平狀態(tài)，選擇合適的基極電阻R1，使三極管處于飽和狀態(tài)，計算方法為：R1≈（U-Ube）*β/Ic，其中U為I/O口輸入電壓，β為三極管放大倍數(shù)，Ic為三極管最大集電極電流，Ube為基極與發(fā)射極之間的壓差，一般為0.4V~0.6V左右。

R2為下拉電阻，阻值選擇大一些，至少應(yīng)比R1大一個數(shù)量級，這樣在計算R1阻值時，可以忽略R2的存在，若R1與R2電阻大小相當(dāng)時，需要考慮分流情況。此時，R1的電流IR1=Ib+Ube/R2，所以R1=（U-Ube）/IR1=（U-Ube）/（Ib+Ube/R2）。計算較復(fù)雜。

PNP型三極管原理實現(xiàn)過程與NPN型三極管類似，PNP型三極管控制燈泡的正極，具體過程：當(dāng)I/O口輸入高電平（VCC）時，UBE無壓差，Ib=0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以燈泡不亮；當(dāng)I/O口輸入低電平時，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，燈泡燃亮。

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