罗玉波

常用的开关功能只有两个状态：通与断。那么是如何使用三极管来实现开关功能的呢？实际上就是使用三极管来实现“通”与“断”两个状态。

三极管的基本原理

首先，我们来了解一下三极管的基本原理，三极管是由两个PN结经过特殊的工艺技术处理形成的。下图以NPN三极管为例。

▲NPN三极管结构

▲NPN三极管电流放大原理

三极管具有截止、放大、饱和三个工作状态，击穿区是超过三极管的极限值而使三极管击穿损坏区域。三极管当开关使用时，一般使用三极管的饱和、截止两个区域。三极管饱和时内阻最小，电流最大，相当于开关的“通”状态；三极管截止时内阻非常大，电流很小，相当于开关的“断”状态。

三极管饱和------开关“通”

三极管截止------开关“断”

三极管的应用

三极管当开关时，一般使用NPN三极管当下管（控制负极），PNP三极管当上管（控制正极）

分析：

（1）NPN三极管：当输入为低电平（0V）时，三极管截止，灯泡不亮；当输入为高电平（VCC）时，三极管导通（饱和），灯泡点亮。

（2）PNP三极管：当输入为低电平（0V）时，三极管导通（饱和），灯泡点亮；当输入为高电平（VCC）时，三极管截止，灯泡不亮。

对于电阻R1、R2、R3、R4的大小，要根据所选三极管的放大倍数β与输入电压进行计算，使三极管导通时处于饱和状态。

以NPN三极管为例，若该三极管的放大倍数β=100，最大工作电流为Ic=500mA，那么计算使基极电流Ib≈5mA即可，若输入电压为5V，R1≈（5V-0.7V）/5mA≈860Ω。R2为下拉电阻，可选择大一些，减少分流，比如10k~20k。

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三极管作为电子开关使用时是工作于非线性区域的，此时三极管不是处于饱和导通就是处于截止状态。当三极管饱和导通时，如同一个闭合的开关；三极管截止时，如同一个断开的开关。下面我们以一个三极管驱动小灯泡的电路为例来介绍一下三极管是如何实现开关功能的。

上图为三极管驱动小灯泡的简单电路。NPN型三极管VT工作于开关状态，小灯泡HL为三极管的集电极负载，R为三极管的基极电阻。若将开关K拨至开关的①脚位置，则3V电池通过电阻R给VT基极提供一个足够大的偏置电流，使VT饱和导通，于是小灯泡HL点亮。在VT导通时，其c-e两极之间的电阻很小，如同一个闭合的开关（这里忽略管子的饱和压降）。

当开关K拨至③脚位置时，电阻R的左端被接地，VT因无基极偏置电流而截止，从而使HL熄灭。

从上述可见，三极管在作为电子开关使用时，只要给其基极加合适的偏置电压使基极电流足够大，三极管便会饱和导通（即电子开关闭合）；若三极管的基极电压为零（或接近于零），三极管便会处于截止状态（即电子开关断开）。

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三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以作为开关使用。当然了，三极管做开关时，与一般的机械开关在动作原理上不同，三极管做开关具有机械开关所没有的特点。

三极管开关电路在现在电子设计中非常常见，其主要原理是利用三极管工作在饱和状态和截止状态时三极管本身处于导通和断开状态。

三极管开关电路安驱动能力可分为小信号开关电路和功率开关电路；按照三极管的连接方式可分为发射极接地（NPN晶体管发射极接电源）和射极跟随开关电路。

一、发射极接地开关电路

下图分别画出了NPN和PNP型三极管基本开关原理图。该电路的工作原理很容易可以看出来，对于NPN型三极管来说，当IN为低电平时，三极管处于截止状态，OUT被拉至高电平，当IN为高电平时，三极管导通并处于饱和状态，OUT被拉到低电平。

这个电路存在一个缺陷：由于三极管基极电荷存储积累效应，导致三极管从导通到断开有一个过渡过程，即三极管不能够立即从导通状态进入断开状态，而是会有一个延迟时间。因此这种开关电路存在关断时间，不适合在工作于中高频开关状态。

二、实用的NPN型和PNP型三极管开关电路

下图是实用的NPN型和PNP型三极管开关电路，我们可以看出，这个电路实在基本开关电路基础上增加了一个电容，这个电容一般称为加速电容，具体原理是：当输入电流IN突然发生跳变（从零到导通），电容瞬间短路，这样电流就绕过电阻直接加到三极管的基极，这样就加快了三极管的导通时间，同样的，当输入电流突然没有（从有电流变为零），电容同样瞬间短路，为基极电荷的泄放提供一条低阻通道，这就加快了三极管的关断。

三、利用肖特基二极管的钳位功能实现的开关电路

见下图，三极管导通后大部分的基极电流从二极管通过三极管到地，这样流到三极管基极的电流就很小，累积电荷也就很少，因此三极管关断时需要泄放的电荷少了，关断时间就会很快。

四、三极管开关与机械开关的比较

（1）三极管开关没有机械触点，因此不必考虑触点的磨损，可以使用无限多次，一般的机械式开关，由于接点磨损，顶多只能使用数百万次左右，而且其接点易受污损而影响工作，因此无法在脏乱的环境下运作。（2）三极管开关的动作速度比机械开关的速度快，一般机械开关的导通和断开时间是以毫秒 (ms)来计算的，三极管开关则以微秒(μs)为单位。（3）三极管开关没有抖动现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。

（4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产生。反之，当机械式开关开启时，由于瞬间切断了电感性负载样 上的电流，因此电感之瞬间感应电压，将在接点上引起弧光，这种电弧非但会侵蚀接点的表面，亦可能造成干扰或危害。

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三极管是如何实现开关功能的？解释如下：

1.三极管的工作状态

三极管有三个工作状态，分别是饱和区、放大区和截止区。如下图所示。

三极管的放大状态则通常用在模拟电路中，起到对小信号的放大作用。而三极管的截止和饱和状态则用在数字电路中，起到开关作用。

• 三极管关断：截止状态；
  

• 三极管导通：饱和状态；

2.三极管的PN结

以NPN为例，2块N型半导体夹着一块P型半导体即构成NPN，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，集电区与基区形成的PN结称为集电结，三个引脚分别称为发射极e （Emitter）、基极b (Base)和集电极c (Collector)。NPN三极管的结构如下图所示：

从图中可以看出，NPN三极管是有两个PN结的。分别是：

• 发射结：发射极e与基极b之间的PN结；

• 集电结：集电极c与基极b之间的PN结；

3. 截止状态

当发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，即为三极管的截止状态。

4. 导通状态

当发射结的电压大于PN结的导通电压，并且当基极的电流增大到一定程度，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，此时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，

以上就是这个问题的回答，更多精彩内容请关注我的头条号：

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三极管有三种工作模式，截止、放大、饱和导通！你说的让它实现开关功能，是让它处在截止和饱和导通两种状态，尽量不要让他处在放大状态，因为会增加损耗也会使波形变坏！这是在调整偏置电压点实现的！有一些专用的开关管，如3DK…系列的……

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