羅玉波

三極管是可以當作電子開關來使用。三極管具有三個工作狀態：1)截止區；2)放大區；3)飽和區。三極管用作電子開關時，工作在截止區和飽和區。下面分別介紹NPN三極管和PNP三極管如何用作電子開關。

1. NPN三極管當作開關使用

NPN三極管當作電子開關的典型電路圖如下圖所示，電阻R218是基極限流電阻，R219是下拉電阻，負載接在集電極上。

當輸入端GPIO出現高電平時，基極會有偏置電流流過，從而導致三極管的CE極導通，使負載處於導通迴路中。

當輸入端GPIO出現低電平時，基極不會出現偏置電流，三極管CE極之間不導通，從而使負載從迴路中斷開。

2. PNP三極管當作開關使用

PNP三極管用作電子開關的典型電路圖如下圖所示，R220是基極電阻，R221是上拉電阻，負載接在集電極上。

當輸入端GPIO為低電平時，基極獲得偏置電流，三極管EC極導通，負載處於導通迴路中；

當輸入端GPIO為高電平時，基極無偏置電流流過，三極管的EC極不導通，從而使負載從迴路中斷開。

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三極管作為電子開關使用時是工作於非線性區域的，此時三極管不是處於飽和導通就是處於截止狀態。當三極管飽和導通時，如同一個閉合的開關；三極管截止時，如同一個斷開的開關。下面我們以一個三極管驅動小燈泡的電路為例來介紹一下三極管是如何實現開關功能的。
▲ 簡單的三極管電子開關電路。

上圖為三極管驅動小燈泡的簡單電路。NPN型三極管VT工作於開關狀態，小燈泡HL為三極管的集電極負載，R為三極管的基極電阻。若將開關K撥至開關的①腳位置，則3V電池通過電阻R給VT基極提供一個足夠大的偏置電流，使VT飽和導通，於是小燈泡HL點亮。在VT導通時，其c-e兩極之間的電阻很小，如同一個閉合的開關（這裡忽略管子的飽和壓降）。

當開關K撥至③腳位置時，電阻R的左端被接地，VT因無基極偏置電流而截止，從而使HL熄滅。在VT截止時，其c-e兩極之間的電阻極大（在數十MΩ以上），如同一個斷開的開關。▲ 金屬殼封裝的NPN型三極管3DG130。

從上述可見，三極管在作為電子開關使用時，只要給其基極加合適的偏置電壓使基極電流足夠大，三極管便會飽和導通（即電子開關閉合）；若三極管的基極電壓為零（或接近於零），三極管便會處於截止狀態（即電子開關斷開）。

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常用的開關功能只有兩個狀態：通與斷。那麼是如何使用三極管來實現開關功能的呢？實際上就是使用三極管來實現“通”與“斷”兩個狀態。

三極管的基本原理

首先，我們來了解一下三極管的基本原理，三極管是由兩個PN結經過特殊的工藝技術處理形成的。下圖以NPN三極管為例。

▲NPN三極管結構

▲NPN三極管電流放大原理

三極管具有截止、放大、飽和三個工作狀態，擊穿區是超過三極管的極限值而使三極管擊穿損壞區域。三極管當開關使用時，一般使用三極管的飽和、截止兩個區域。三極管飽和時內阻最小，電流最大，相當於開關的“通”狀態；三極管截止時內阻非常大，電流很小，相當於開關的“斷”狀態。

三極管飽和------開關“通”

三極管截止------開關“斷”

三極管的應用

三極管當開關時，一般使用NPN三極管當下管（控制負極），PNP三極管當上管（控制正極）

分析：

（1）NPN三極管：當輸入為低電平（0V）時，三極管截止，燈泡不亮；當輸入為高電平（VCC）時，三極管導通（飽和），燈泡點亮。

（2）PNP三極管：當輸入為低電平（0V）時，三極管導通（飽和），燈泡點亮；當輸入為高電平（VCC）時，三極管截止，燈泡不亮。

對於電阻R1、R2、R3、R4的大小，要根據所選三極管的放大倍數β與輸入電壓進行計算，使三極管導通時處於飽和狀態。

以NPN三極管為例，若該三極管的放大倍數β=100，最大工作電流為Ic=500mA，那麼計算使基極電流Ib≈5mA即可，若輸入電壓為5V，R1≈（5V-0.7V）/5mA≈860Ω。R2為下拉電阻，可選擇大一些，減少分流，比如10k~20k。

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三極管是如何實現開關功能的？

傳統的機械式開關，其通過機械動作控制電流的導通和斷開。而三極管作為開關應用，而且是無觸點電子開關，其通過輸入電壓信號來控制三極管的導通與斷開，從而使電路被導通或切斷。

三極管的三種工作狀態，截止、放大、飽和。

截止狀態；其基極偏置電壓小於PN結導通電壓。基極電流為零時，其發射極與集電極是沒電流流過，那麼三極管是失去放大能力的，這種工作狀態為截止狀態。

飽和狀態；其基極偏置電壓高於PN結導通電壓，當其基極電流增加到一定值時，集電極電流不在隨著基極電流變化而變化，而是逼近某個恆定值，這種工作狀態為飽和狀態。

題目說的三極管實現開關功能，就是在它的飽和狀態和截止狀態不斷切換，實現電路的接通和斷開。三極管在截止狀態時，當基極偏置電壓小於PN結電壓時，集電極與發射極之間呈斷開狀態。假如是硅材料的三極管，輸入電壓信號不能高於0.6V，鍺材料的三極管，輸入電壓信號不能高於0.3V。由此可知，三極管的集電極和發射極之間相當於開關。相比傳統的機械式開關，三極管的集電極與發射極類似於機械式開關的動觸點與靜觸點，基極類似於線圈。

三極管與我們用的水龍頭其實大同小異，水龍頭的全關相當於三極管的截止，水龍頭的全開相當於三極管的飽和，水龍頭從全關到全開這個過程相當於三極管的放大工作狀態。所以說，要想三極管截止工作狀態理想，其輸入電壓信號接近於零，要想三極管飽和工作狀態理想，其輸入電壓信號高於PN結導導通電壓但輸入電壓信號不能太高。

三極管作為開關應用，相比於傳統機械式開關的優點有哪些？

三極管在斷開與導通時，沒有觸點的磨損以及觸點的侵蝕，導通瞬間沒有感應電動勢引起的弧光，啟閉時間短等優點。正因為其有這些優點，在開關電源電路、脈衝電路、模數轉換電路、輸出電路等得到廣泛的應用。

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三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以作為開關使用。當然了，三極管做開關時，與一般的機械開關在動作原理上不同，三極管做開關具有機械開關所沒有的特點。

三極管開關電路在現在電子設計中非常常見，其主要原理是利用三極管工作在飽和狀態和截止狀態時三極管本身處於導通和斷開狀態。

三極管開關電路安驅動能力可分為小信號開關電路和功率開關電路；按照三極管的連接方式可分為發射極接地（NPN晶體管發射極接電源）和射極跟隨開關電路。

一、發射極接地開關電路

下圖分別畫出了NPN和PNP型三極管基本開關原理圖。該電路的工作原理很容易可以看出來，對於NPN型三極管來說，當IN為低電平時，三極管處於截止狀態，OUT被拉至高電平，當IN為高電平時，三極管導通並處於飽和狀態，OUT被拉到低電平。

這個電路存在一個缺陷：由於三極管基極電荷存儲積累效應，導致三極管從導通到斷開有一個過渡過程，即三極管不能夠立即從導通狀態進入斷開狀態，而是會有一個延遲時間。因此這種開關電路存在關斷時間，不適合在工作於中高頻開關狀態。

二、實用的NPN型和PNP型三極管開關電路

下圖是實用的NPN型和PNP型三極管開關電路，我們可以看出，這個電路實在基本開關電路基礎上增加了一個電容，這個電容一般稱為加速電容，具體原理是：當輸入電流IN突然發生跳變（從零到導通），電容瞬間短路，這樣電流就繞過電阻直接加到三極管的基極，這樣就加快了三極管的導通時間，同樣的，當輸入電流突然沒有（從有電流變為零），電容同樣瞬間短路，為基極電荷的洩放提供一條低阻通道，這就加快了三極管的關斷。

三、利用肖特基二極管的鉗位功能實現的開關電路

見下圖，三極管導通後大部分的基極電流從二極管通過三極管到地，這樣流到三極管基極的電流就很小，累積電荷也就很少，因此三極管關斷時需要洩放的電荷少了，關斷時間就會很快。

四、三極管開關與機械開關的比較

（1）三極管開關沒有機械觸點，因此不必考慮觸點的磨損，可以使用無限多次，一般的機械式開關，由於接點磨損，頂多只能使用數百萬次左右，而且其接點易受汙損而影響工作，因此無法在髒亂的環境下運作。（2）三極管開關的動作速度比機械開關的速度快，一般機械開關的導通和斷開時間是以毫秒 (ms)來計算的，三極管開關則以微秒(μs)為單位。（3）三極管開關沒有抖動現象。一般的機械式開關在導通的瞬間會有快速的連續啟閉動作，然後才能逐漸達到穩定狀態。

（4）利用三極管開關來驅動電感性負載時，在開關開啟的瞬間，不致有火花產生。反之，當機械式開關開啟時，由於瞬間切斷了電感性負載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應電壓，將在接點上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點的表面，亦可能造成干擾或危害。

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三極管實現電子開關的原理本質上還是對基極電流的放大。

三極管開關功能——閉合

三極管工作在放大區時，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。也就是說，當基極電流一定時，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，這裡我就以PNP三極管來說明。

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

上圖我將負載電阻該為0.5K，三極管集電極電流還是2.84mA。

下面我將負載電阻改大，比如到10K，假如集電極電流還是2.84mA的話電阻上壓降達到28.4V。但發射極電壓最大也就只有5V，就算三極管發射極-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，三極管發射極-集電極壓降接近0V，就好像發射極與集電極之間有一開關閉合了，下面是仿真圖。

三極管開關功能——斷開

有了上面的說明，三極管實現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於等於5V，如下圖所示。

口口木的筆記 2019-4-30

口口木的筆記

通過控制三極管工作在飽和導通區和截止區就可以實現開關功能的

所謂的三極管開關功能是電子式的開關，與機械開關有一定差異的。比如用三極管控制小燈炮的點亮和熄滅，雖然沒有物理性的開關切斷，但我們也可以認為燈炮有開和關的過程。

三極管開關功能實現方法

當三極管基極（b）電流達到一定大小，三極管的B-E極為正偏（Vb>Ve）;B-C極也為正偏（Vb>=Vc），三極管將會工作在飽和區，此時三極管的集電極（C）電流Ic將不受基極（b）電流控制，可以以較大的電流工作。

三極管驅動小燈炮電路分析

• 三極管的基極(B)為低電平時，三極管處於截止區，小燈泡熄滅

• 三極管的基極(B)為高電平，並Ib達到一定大小時，三極管就會飽和導通，小燈炮點亮

• 小燈炮的點亮和熄滅過程我們就可以認為是小燈炮的開和關了。
  

三極管輸出高電平信號分析

• 當三極管截止時，Out輸出的是高電平
• 當三極管飽和導通時，三極管的Vce<0.7V，所以可以認為Out為低電平
• 高、低電平的變化，我們就可以認為是“開關的閉合和斷開”了
  

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三極管特性本身就包含開關功能（實際就是三極管工作在截止區和飽和區，相當於電路的切斷和導通），被廣泛應用於各種開關電路中。基礎三極管開關電路原理如圖。

負載電阻RLD被直接跨接於三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的迴路上，輸入電壓Vin則控制三極管開關的開啟與閉合動作，當三極管呈開啟狀態時，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態時，電流便可以流通。

當Vin為低電壓時，由於基極沒有電流，三極管工作在截止區，集電極無電流，連接於集電極端的負載沒有電流，而相當於開關的斷開狀態，。

當Vin為高電壓時，由於有基極電流，三極管工作在飽和區，集電極流過更大的放大電流，因此負載迴路便被導通，而相當於開關的閉合狀態。

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三極管是如何實現開關功能的?

答：根據三極管的工作輸出特性曲線圖。見下圖所示。

要想三極管工作在具有開關功能狀態，是利用它的“截止區”和“飽和區”，而放大區在簡單的控制電路中也使用。

晶體三極管為三端器件，見下圖所示。

在電路中要構成四端網絡，它的每對端子均有兩個變量（端口電壓和電流），因此要在平面座標上表示三極管的伏安特性，就必須採用兩組曲線簇，最常用的是輸入曲線和輸出特性曲線簇。

三極管的工作狀態有三個，截止區，放大區，飽和區。那麼三極管工作在什麼工作狀態是由什麼決定的呢?它是由基極電流(Ib)來決定的，與電路的組成有關係。

常用的三極管放大電路有下面三種組成。

如上圖所示，它有共發射極、共集電極、共基極，簡單來說在電子電路中將發射極直接接GND的，稱為共發，將集電極直接接GND稱為共集，將基極直接接GND稱為共基。

三極管的輸出特性是描述三極管各端電流與兩個PN結外加電壓之間的關係的一種形式，其特點是能直觀地反快晶體管的電氣性能的外部特性。

晶體管的輸出特性曲線一般用實驗方法描繪或專用儀器（如晶體管圖示儀或雙蹤示波器）測量得到。

下面簡單分析一下三極管的三個區域的條件。

①截止狀態：工作條件，發射結反偏，三極管斷開。當加在三極管發射結的電壓小於PN 結的導通電壓，基極電流為零，集電極電流和發射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發射極之間相當於開關的斷開狀態，我們稱三極管處於截止狀態。一般將ＩＢ≤０的區域稱為截止區, 在圖中為ＩＢ＝０的一條曲線的以下部分。此時ＩＣ也近似為零。由於各極電流都基本上等於零, 因而此時三極管沒有放大作用。 　　 其實ＩＢ＝０時, ＩＣ並不等於零, 而是等於穿透電流ICEO。

一般硅三極管的穿透電流小於１μA, 在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。 　

當發射結反向偏置時, 發射區不再向基區注入電子, 則三極管處於截止狀態。所以, 在截止區, 三極管的兩個結均處於反向偏置狀態。對ＮＰＮ三極管, ＵＢＥ＜０, ＵBC＜０。

②放大狀態：工作條件，發射結正偏，起放大作用。當加在三極管發射結的電壓大於PN 結的導通電壓，並處於某一恰當的值時，三極管的發射結正向偏置，集電結反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數β＝ΔIc/ΔIb，這時三極管處放大狀態。此時發射結正向運用, 集電結反向運用。 在曲線上是比較平坦的部分, 表示當ＩＢ一定時, ＩＣ的值基本上不隨ＵCE而變化。在這個區域內,當基極電流發生微小的變化量ΔＩＢ時, 相應的集電極電流將產生較大的變化量ΔＩＣ, 此時二者的關係為ΔＩＣ＝βΔＩＢ

③飽和狀態：工作條件，發射結正偏，集電結正偏，三極管導通。當Ube過大，Ic也很大，這樣就導致集電極反向偏置電壓很小，於是PN結不再具備能將電子從基區拉到集電極的能力了，此時PN有可能出現正偏現象，如果再提高Vcc的大小，Ic也會隨著提高。

下圖為一最簡單的利用三極管的火災報警電路。

圖中VU、VT2、VT3組成警笛

發生器，能產生緊迫的警笛一樣的聲音，給人造成緊張的

感覺。VU(BT33)構成三角波發生器，其輸出的三角波加到VT2、VT3等組成的音頻振盪器的輸入端，使輸出的音頻像警笛一樣慢慢上升和下降，這等於音頻振盪器受到三角波的調製。

圖中兩個平行金屬板A、B為檢測火焰的兩個電極，沒有火焰時，兩個電極間絕緣。此時, 場效應晶體管VF的柵極經 20MQ的電阻接地，而漏極電流在源極電阻R2上產生的電壓作為場效應晶體管的柵偏壓(負柵壓)加在柵極，這時ⅤF工作在負柵壓狀態，漏極電流很小，因此穩壓管VS不導通，VT1截止，繼電器線圈K不吸合，VU、VT2、VT3組成的警笛音響發生器斷電，沒有報警聲音。

當有火熔時，兩個電極間的氣體在高溫下被電離，極板之間導電。場效應管VF的漏極電流增大，R2上的電壓降增大，穩壓管擊穿導體，VT1也導體，繼電器線圈K吸合，它的動合觸點閉合，接通了音響發聲，發出報警聲音。

以上為個人觀點，僅供提問者和頭條的閱讀者們參考。

知足常樂2019.5.1日於上海

知足常樂0724

開關管就是三極管，因工作在飽和與截止兩個狀態，飽和時如開關導通，截止時如開關斷開，俗稱開關管！硅管的BE極電壓0.5--0.7伏，CE極電壓低於0.7伏即進入飽和狀態，BE極電壓小於0.3伏CE極電壓等於電源電壓即進入截止狀態。

關鍵字: 電子 三極管 開關