三极管是如何实现电子开关功能的?

屈育成 2019-08-14 12335

电子说

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描述

　　三极管的基本原理

　　三极管和MOS管都可以作为电子开关使用，三极管属于电流控制元器件，跟MOS管不同，MOS管属于电压控制元器件。

　　三极管有两种类型，NPN型和PNP型，其结构示意图如下图所示。可以看出，三极管是由两个PN结经过特殊的工艺技术处理形成的。三极管有三个极：基极、集电极和发射极，基极用字母b表示，集电极用字母c表示，发射极用字母e表示。

NPN型三极管

　　三极管正常工作时有三个区间：截止区、放大区和饱和区。

　　截止区：Ube＜死区电压，死区电压一般为。0.3V~0.6V左右，具体跟三极管的特性有关，每个三极管型号都会有自己的死区电压，具体可查三极管型号的datasheet，会有相应的说明。此区间基极电流Ib=0。

　　放大区：放大区的主要特点是发射结正偏，集电结反偏，Ic=βIb，β为三极管的放大倍数。

　　饱和区：此区间发射结正偏，集电结正偏，注意：和放大区有所不同。Uce＜Ube，βib＞ic，Uce≈0.3V。

NPN型三极管

　　三极管如何实现电子开关功能

　　了解了三极管的基本原理之后，那么，三极管是怎么实现电子开关功能的呢？

　　电子开关主要控制三极管处于两个工作区间：饱和区和截止区，

　　三极管饱和-----实现电子开关的“开”功能

　　三极管截止-----实现电子开关的“关”功能

　　当然，三极管处于非饱和区间的放大区，三极管也处于导通状态，也可以实现三极管的开状态，只是此时的电流并未达到三极管的最大电流，内阻比较大，对于负载电流较小时，也可以在此区间实现电子开关的“开”功能。一般我们使用三极管当电子开关时，为了能够使三极管达到最大输出电流，一般都会设计将三极管处于饱和区间。

　　举例说明:

　　下面三极管控制灯泡为例，通过处理器（比如单片机、DSP、ARM、FPGA等）的I/O口控制小灯泡，NPN和PNP三极管的接法有些不同，NPN型三极管当下管使用，控制灯泡的负极；PNP型三极管当上管使用，控制灯泡的正极。（为什么NPN型三极管当下管使用，而PNP型三极管当上管使用？在本人另一篇文章当中当中有详细说明）

　　具体原理如下图所示。

NPN型三极管

　　NPN型三极管原理实现过程：当I/O口输入低电平时，由于Ube＜死区电压，Ib=0，三极管处于截止状态，所以灯泡不亮；当I/O口输入高电平（3.3V或5V等）时，三极管导通，灯泡燃亮。根据I/O口的高电平状态，选择合适的基极电阻R1，使三极管处于饱和状态，计算方法为：R1≈（U-Ube）*β/Ic，其中U为I/O口输入电压，β为三极管放大倍数，Ic为三极管最大集电极电流，Ube为基极与发射极之间的压差，一般为0.4V~0.6V左右。

　　R2为下拉电阻，阻值选择大一些，至少应比R1大一个数量级，这样在计算R1阻值时，可以忽略R2的存在，若R1与R2电阻大小相当时，需要考虑分流情况。此时，R1的电流IR1=Ib+Ube/R2，所以R1=（U-Ube）/IR1=（U-Ube）/（Ib+Ube/R2）。计算较复杂。

　　PNP型三极管原理实现过程与NPN型三极管类似，PNP型三极管控制灯泡的正极，具体过程：当I/O口输入高电平（VCC）时，UBE无压差，Ib=0，三极管处于截止状态，所以灯泡不亮；当I/O口输入低电平时，三极管处于导通状态，灯泡燃亮。

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