三极管是如何实现电子开关的原理的?

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三极管作为电子开关使用时工作于开关状态,此时只要控制三极管的基极电流,即可使三极管导通或截止,从而控制负载的通断。下面我们以两个简单的开关电路为例,来介绍一下三极管是如何作为电子开关使用的。




NPN型三极管构成的电子开关。

上图是采用NPN型三极管构成的电子开关,LED是三极管的集电极负载(这里未画出LED的限流电阻),三极管在这里作为电子开关使用,控制着LED的亮与灭。三极管的基极为控制端,R为基极限流电阻。想通过三极管控制LED的亮与灭,只要在Vin端接入合适的控制信号即可。

假设想让LED点亮,我们只要将Vin端与+5V电源连接即可,此时三极管的基极获得足够大的基极电流而导通,导通后三极管的发射极和集电极之间的等效电阻很小(数Ω以下),如同一个闭合的开关,故此时LED可以点亮。若将电路的Vin端接GND,三极管因无基极电流而截止,三极管截止后,其发射极与集电极之间等效电阻极大(在数十MΩ以上),如同一个断开的开关,此时LED将无法点亮。


PNP型三极管构成的电子开关。

PNP型三极管作为电子开关使用时,工作原理与上述的NPN型三极管构成的电子开关一样,所不同的是,Vin端接GND时,管子导通,Vin端接+5V电源时,管子截止。

从上面电路可以看出,三极管作为电子开关时,只要在管子的基极接一个阻值合适的限流电阻,通过控制基极电流即可控制其集电极负载的通断。


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三极管是最基本的电子元器件之一,其用途广泛。想要知道三极管是怎么实现电子开关的功能,首先要了解三极管的基本原理。

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。

▲三极管的结构图

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。

▲三极管曲线图

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?在本人另一回答当中有详细说明)

具体原理如下图所示。

▲三极管控制灯泡原理

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。

以上是本人的观点,希望本人的回答能够帮助提问者和头条的初学者们,大家可以举一反三,思考一下,使用N沟道和P沟道MOS管怎么实现电子开关的功能。若有不明白的地方可以评论区下方留言,记得点赞哦,谢谢支持!


技术闲聊


三极管是一种控制电流的半导体器件。

三极管是半导体基本元器件之一,基本结构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区。

三极管作为电子开关使用时,只要选取阻值合适的基极限流电阻,使管子工作于截止区和饱和区,即可实现开关功能。下面以一个简单的三极管开关电路为例,

图中的三极管VT工作于开关状态,电阻R47为VT基极的限流电阻,R48为VT的集电极负载。

当Vin为高电平(这里假定高电平为6V,实际这个电路中高电平只要≥0.8V即可)时,VT的基极获得足够大的偏置电流而导通。此时VT的集电极-发射极之间的电阻变得很小,如同一个闭合的开关,故R48得电工作,若R48为一个指示灯,此时即可点亮。

当Vin为低电平(这里假定低电平为0V,实际只要低电平≤0.5V即可)时,VT的基极失去偏置电流而截止。此时VT集电极-发射极之间的电阻变得甚大,如同一个断开的开关,故此时R48失电停止工作,若R48为指示灯,此时将无法点亮。






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