一文讀懂三極管的開關(guān)工作原理

在電子設(shè)計(jì)電路中，我們經(jīng)常會(huì)看到三極管的出現(xiàn)。三極管是經(jīng)常應(yīng)用的一個(gè)電子元器件，在模擬電路中經(jīng)常利用其工作在線性區(qū)來做信號(hào)處理電流放大等，在數(shù)字電路中又會(huì)利用其工作在飽和區(qū)截止區(qū)來作為開關(guān)控制。作為開關(guān)使用，除了在數(shù)字電路中應(yīng)用以外，還多用于電力電子中用作功率處理，常見有開關(guān)電源、逆變器等。然而我們很多工程師對(duì)三極管的理解不是那么到位，所以本文就簡述一下三極管作為開關(guān)使用的工作原理。

 
三極管有三個(gè)工作狀態(tài)；截止、放大、飽和；放大狀態(tài)很有學(xué)問也很復(fù)雜，多用于集成芯片，比如運(yùn)放，現(xiàn)在不討論；其實(shí)對(duì)信號(hào)的放大我們通常用運(yùn)放處理。三極管更多的是當(dāng)作一個(gè)開關(guān)管來使用，且只有截止、飽和兩個(gè)狀態(tài)；截止?fàn)顟B(tài)看作是“關(guān)”，飽和狀態(tài)看作是“開”；Ib≥1mA時(shí)，完全可以保證三極管工作在飽和狀態(tài)，對(duì)于小功率的三極管此時(shí)Ic為幾十到幾百mA，驅(qū)動(dòng)繼電器、蜂鳴器等功率器件綽綽有余。

1、    把三極管箭頭理解成一個(gè)開關(guān)，如圖1為NPN型三極管，按下開關(guān)S1，約1mA的Ib流過箭頭，箭尾比箭頭電壓高0.6V~0.7V（鉗位電壓），三極管工作在飽和狀態(tài)，c極到e極完全導(dǎo)通，c極電平接近0V（GND）；負(fù)載RL兩端壓降接近5V；Ib與Ic電流都流入e極，根據(jù)電流方向，e極為低電平，應(yīng)接地，c極接負(fù)載和電源。                      

圖1：NPN三極管

2、    如圖2為PNP型三極管，按下開關(guān)S2，約1mA的Ib流過箭頭，箭尾比箭頭電壓高0.6V~0.7V（鉗位電壓），三極管工作在飽和狀態(tài)，e極到c極完全導(dǎo)通，c極電平接近5V；負(fù)載RL兩端壓降接近5V；Ib與Ic電流都流出e極，根據(jù)電流方向，e極為高電平，應(yīng)接電源，c極接負(fù)載和地。                      

圖2：PNP三極管

3、    如圖3，對(duì)于NPN三極管，更應(yīng)該在b極加一個(gè)下拉電阻（2~10k），一是為了保證b、e極間電容加速放電，加快三極管截止；二是為了保證給三極管b極一個(gè)已知邏輯狀態(tài)，防止控制輸入端懸空或高阻態(tài)時(shí)對(duì)三極管工作狀態(tài)的不確定。                  

圖3：NPN三極管加下拉電阻

4、    如圖4，對(duì)于PNP三極管，更應(yīng)該在b極加一個(gè)上拉電阻（2~10k），原理同上。                  

圖4：PNP三極管加上拉電阻

5、    如圖5，對(duì)于感性負(fù)載，必須在負(fù)載兩端并一個(gè)反向的續(xù)流二極管；三極管在關(guān)斷時(shí)，線圈會(huì)自感產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢，而續(xù)流二極管提供的續(xù)流通路，同時(shí)鉗位反向電動(dòng)勢。防止擊穿三極管；續(xù)流二極管的選型必須是快恢復(fù)二極管或肖特基二極管，兩者響應(yīng)速度快。                    

圖5：NPN三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器

6、    如圖6，對(duì)于某些控制信號(hào)為低電平時(shí)，可能并不是真正的0V，一般在1V以內(nèi)，為保證三極管完全截止，不得不在三極管b極加一個(gè)反向穩(wěn)壓管或正向二極管，以提高三極管導(dǎo)通的閾值電壓（或鉗位電壓）；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，推挽輸出的數(shù)字信號(hào)不用加；OC輸出、二極管輸出以及延時(shí)控制有必要加；通常穩(wěn)壓管正常的工作電流≥1mA。                  

圖6：NPN三極管驅(qū)動(dòng)繼電器

要點(diǎn)：對(duì)于NPN三極管，在不考慮三極管的情況下，b極電阻與下拉電阻的分壓必須大于0.7V（箭頭兩端壓降），PNP同理；b極電流必須≥1mA可保證三極管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)Ic滿足三極管最大的驅(qū)動(dòng)能力。另外，對(duì)于三極管的放大倍數(shù)β，指的是輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力放大了β，比如100倍，并不是把輸出電流真正的放大了100倍；切記。