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  • 三极管如何实现电子开关的原理与功能详解-电子技术知识
    • 发布时间:2020-06-02 16:55:46
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    三极管如何实现电子开关的原理与功能详解-电子技术知识
    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。
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    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。
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    三极管如何实现电子开关的原理
    三极管开关功能——闭合
    三极管工作在放大区时,集电极电流正比与基极电流,两者的比值是该三极管的电流放大倍数。也就是说,当基极电流一定时,该三极管的最大集电极电流就是放大倍数乘基极电流。
    下面通过电路仿真来直观的说明,我以前对NPN型三极管有过类似的介绍,这里我就以PNP三极管来说明。
    NPN型三极管,电子开关,三极管
    上图中输入电压时2.5V,三极管发射极电压5V,一般基极有电流时,发射极与基极间压降是0.7V左右,这里是0.75V。所以基极电流为175uA-147uA=28uA,三极管的电流放大倍数是100,所以集电极电流为2.8mA左右(这里是2.84mA),该电流在1K负载电阻上产生2.84V压降,即三极管发射极-集电极间压降为2.16V,三极管工作在放大区。
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    上图我将负载电阻该为0.5K,三极管集电极电流还是2.84mA。
    下面我将负载电阻改大,比如到10K,假如集电极电流还是2.84mA的话电阻上压降达到28.4V。但发射极电压最大也就只有5V,就算三极管发射极-集电极电压降是0V的话,集电极电流也只有0.5mA,事实上的确是这样,集电极电流接近0.5mA,三极管发射极-集电极压降接近0V,就好像发射极与集电极之间有一开关闭合了,下面是仿真图。
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    三极管开关功能——断开
    有了上面的说明,三极管实现断开的功能就更容易理解了,只要使集电极电流为0A,那我们只要使输入电压大于等于5V,如下图所示。
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    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。具体原理如下图所示。
    NPN型三极管,电子开关,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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