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                            三極管如何實現電子開關的原理及功能詳解-電子技術知識-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2019-11-13 

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                            三極管如何實現電子開關的原理及功能詳解-電子技術知識

                            三極管的基本原理

                            三極管和MOS管都可以作為電子開關使用,三極管屬于電流控制元器件,跟MOS管不同,MOS管屬于電壓控制元器件。


                            三極管有兩種類型,NPN型和PNP型,其結構示意圖如下圖所示??梢钥闯?,三極管是由兩個PN結經過特殊的工藝技術處理形成的。三極管有三個極:基極、集電極和發射極,基極用字母b表示,集電極用字母c表示,發射極用字母e表示。


                            NPN型三極管,電子開關,三極管


                            三極管正常工作時有三個區間:截止區、放大區和飽和區。


                            截止區:Ube<死區電壓,死區電壓一般為。0.3V~0.6V左右,具體跟三極管的特性有關,每個三極管型號都會有自己的死區電壓,具體可查三極管型號的datasheet,會有相應的說明。此區間基極電流Ib=0。


                            放大區:放大區的主要特點是發射結正偏,集電結反偏,Ic=βIb,β為三極管的放大倍數。


                            飽和區:此區間發射結正偏,集電結正偏,注意:和放大區有所不同。Uce<Ube,βib>ic,Uce≈0.3V。


                            NPN型三極管,電子開關,三極管


                            三極管如何實現電子開關的原理

                            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,這里我就以PNP三極管來說明。


                            NPN型三極管,電子開關,三極管


                            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,這里是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(這里是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。


                            NPN型三極管,電子開關,三極管


                            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。


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                            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于等于5V,如下圖所示。


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                            三極管如何實現電子開關功能

                            了解了三極管的基本原理之后,那么,三極管是怎么實現電子開關功能的呢?


                            電子開關主要控制三極管處于兩個工作區間:飽和區和截止區


                            三極管飽和-----實現電子開關的“開”功能


                            三極管截止-----實現電子開關的“關”功能


                            當然,三極管處于非飽和區間的放大區,三極管也處于導通狀態,也可以實現三極管的開狀態,只是此時的電流并未達到三極管的最大電流,內阻比較大,對于負載電流較小時,也可以在此區間實現電子開關的“開”功能。一般我們使用三極管當電子開關時,為了能夠使三極管達到最大輸出電流,一般都會設計將三極管處于飽和區間。舉例說明:


                            下面三極管控制燈泡為例,通過處理器(比如單片機、DSP、ARM、FPGA等)的I/O口控制小燈泡,NPN和PNP三極管的接法有些不同,NPN型三極管當下管使用,控制燈泡的負極;PNP型三極管當上管使用,控制燈泡的正極。具體原理如下圖所示。


                            NPN型三極管,電子開關,三極管


                            NPN型三極管原理實現過程:當I/O口輸入低電平時,由于Ube<死區電壓,Ib=0,三極管處于截止狀態,所以燈泡不亮;當I/O口輸入高電平(3.3V或5V等)時,三極管導通,燈泡燃亮。根據I/O口的高電平狀態,選擇合適的基極電阻R1,使三極管處于飽和狀態,計算方法為:R1≈(U-Ube)*β/Ic,其中U為I/O口輸入電壓,β為三極管放大倍數,Ic為三極管最大集電極電流,Ube為基極與發射極之間的壓差,一般為0.4V~0.6V左右。


                            R2為下拉電阻,阻值選擇大一些,至少應比R1大一個數量級,這樣在計算R1阻值時,可以忽略R2的存在,若R1與R2電阻大小相當時,需要考慮分流情況。此時,R1的電流IR1=Ib+Ube/R2,所以R1=(U-Ube)/IR1=(U-Ube)/(Ib+Ube/R2)。計算較復雜。

                            PNP型三極管原理實現過程與NPN型三極管類似,PNP型三極管控制燈泡的正極,具體過程:當I/O口輸入高電平(VCC)時,UBE無壓差,Ib=0,三極管處于截止狀態,所以燈泡不亮;當I/O口輸入低電平時,三極管處于導通狀態,燈泡燃亮。


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