三极管原理，开关电路设计原则，NPN、PNP区别及常用三极管参数
一、三極管的工作原理
? ? ? ? ?三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。
電流放大
? ? ? ?下面的分析僅對于NPN型硅三極管。
? ? ? ? 如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。
? ? ? ? 三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。
偏置電路
? ? ? ? 三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。
? ? ? ? 如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當(dāng)一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當(dāng)輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。
開關(guān)作用
? ? ? ? 下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大 時，三極管就進入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態(tài)之后， 煩人三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)基極電流很 大，以至于三極管飽和時，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。
工作狀態(tài)
? ? ? ? 如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當(dāng)基極電流為0時，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數(shù) β），三極管就飽和，相當(dāng)于開關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。
? ? ? ? 對于PNP型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發(fā)射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了。
二、三極管作開關(guān)用
三極管作開關(guān)原理
圖1 基本的三極管開關(guān)
? ? ? ? 輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細(xì)的說，當(dāng)Vin為低電壓時，由于基極沒有電流，因此集 電極亦無電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟，此時三極管乃勝作于截止(cut off)區(qū)。
同理，當(dāng)Vin為高電壓時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時三極管乃工作于飽和區(qū) (saturation)。
三極管開關(guān)電路設(shè)計
選用集電極限流電阻RLD
? ? ? ? 根據(jù)要控制的負(fù)載合理選用集電極限流電阻RLD(若負(fù)載內(nèi)阻夠大，Vcc合適也可不用RLD)，使三極管飽和導(dǎo)通時的電流大于或等于負(fù)載正常工作電流，但注意不要超出三極管最大集電極電流。
那如何保證三極管工作在開關(guān)（飽和或關(guān)斷）狀態(tài)呢？
? ? ? ? 對硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特（對鍺管來說，約為0.3V）。
? ? ? ? 因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計時，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。
? ? ? ? 欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集 電極與射極必須短路，就像機械開關(guān)的閉合動作一樣。欲如此就必須使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動三極管使其進入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時，集電 極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負(fù)載電阻上，如此則VcE便接近于0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律 三極管呈飽和時，其集電極電流應(yīng)該為﹕
因此，基極電流最少應(yīng)為：
? (式1)
? ? ? ?上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對某些三極管 而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于(式1) 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解﹕
?(式2)
? ? ? ? 一旦基極電壓超過或等于(式2) 式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開關(guān)的閉合動作。
? ? ? ? 總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和 一只與負(fù)載相串聯(lián)的機械式開關(guān)一樣，而其啟閉開關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機械式開關(guān)所常用的機械引動 (mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或電 驛電樞(relay armature)等控制方式。
例題1、用三極管做為燈泡開關(guān)
圖2 用三極管做為燈泡開關(guān)
試解釋出在圖2的開關(guān)電路中，欲使開關(guān)閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何﹖并解釋出此時之負(fù)載電流與基極電流值﹖
? ? ? ? 解﹕由2式可知，在飽和狀態(tài) 下，所有的供電電壓完全跨降于負(fù)載電阻上，因此
? ? ? ? 由方程式(1) 可知
? ? ? ? 因此輸入電壓可由下式求得﹕
? ? ? ? 由例題1-1得知，欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A 的負(fù)載電流之啟閉動作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當(dāng)負(fù)載電流流過時，三極管呈飽和狀 態(tài)，其VCE趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。
例題2、用三極管控制繼電器通斷
給定一繼電器和單片機，設(shè)計三極管電路驅(qū)動繼電器通斷？
? ? ? ? 主要工作：１、根據(jù)所給電源選取合適三極管與集電極限流電阻，使三極管飽和導(dǎo)通時電流足以驅(qū)動繼電器且不超過最大集電極電流2、根據(jù)單片機IO電壓，選擇合適的基極偏置電阻使三極管工作在飽和態(tài)。
圖3 用三極管做為繼電器開關(guān)
圖4 繼電器參數(shù)
圖5.三極管參數(shù)
? ? ? ? 如圖4紅框內(nèi)，繼電器工作電壓DC24V，線圈電阻1280歐，額定線圈電流18.7MA。那么我們需要三極管飽和導(dǎo)通時電流大于等于18.7MA。如圖三我們給繼電器供電24V，則無需加集電極限流電阻（若電源大于24，需加限流電阻），使用9013做開關(guān)管。
? ? ? ? 為使單片機輸出+5V時三極管飽和導(dǎo)通，假設(shè)9013放大倍數(shù)為80（圖5），則飽和導(dǎo)通時基極電流需滿足?，即R18需<20K.
? ? ? ? 在圖3中，我們選用R18為512（5.1K歐），單片機輸出＋５Ｖ時足以使三極管飽和導(dǎo)通。
例題3、用三極管控制10個LED亮滅（并聯(lián)）
圖6.三極管參數(shù)
分析：
? ? ? ? 藍(lán)色LED導(dǎo)通壓降3V，工作電流取5MA，因給定電壓為5V，那我們?nèi)ED限流電阻為（5-3-0.3）V/5MA=330歐（這里假設(shè)三極管工作在飽和導(dǎo)通態(tài)，Vce=0.3V）,那10個LED并聯(lián)總電流為50MA，為使單片機輸出3.3V時三極管工作在飽和導(dǎo)通態(tài)，選取基極偏置電阻需滿足：，即R2需<4K歐，我們選取R2=1K歐，足以滿足要求。
三、NPN和PNP區(qū)別及使用范圍
NPN與PNP的區(qū)別
NPN和PNP主要是電流方向和電壓正負(fù)不同。
NPN是用B—E的電流（IB）控制C—E的電流（IC），E極電位最低，且正常放大時通常C極電位最高，即VC>VB>VE。
PNP是用E—B的電流（IB）控制E—C的電流（IC），E極電位最高，且正常放大時通常C極電位最低，即VC<VB<VE。
NPN和PNP作為開關(guān)的使用
三極管做開關(guān)時，工作在截至和飽和兩個狀態(tài)。一般是通過控制三極管的基極電壓Ub來控制三極管的導(dǎo)通與斷開。
圖1 NPN與PNP
表2 NPN和PNP的工作狀態(tài)及條件
? ? ? ? 如上?圖1所示，對于NPN來說，使Ube<Uon，三極管斷開，Ube>Uon，三極管導(dǎo)通，其中一般Ue接地，則只需控制Ub,使Ub>Uon即可使之導(dǎo)通。
? ? ? ? 對于PNP來說，使Ueb<Uon，三極管斷開，Ueb>Uon，三極管導(dǎo)通，其中一般Uc接地，所以要使三極管導(dǎo)通既要控制Ue又要控制Ub使Ueb>Uon才行。所以一般是Ue為某個固定電壓值，只通過控制Ub來就可以控制三極管的導(dǎo)通與斷開。
? ? ? ? 對比NPN與PNP可知：NPN做開關(guān)時，適合放在電路的接地端使用，如圖2?里面Q6； PNP做開關(guān)時，適合放在電路的電源端使用，如圖3。
? ? ? ? 我們一般使用芯片I/O口來控制LED燈，I/O口的邏輯電平一般為高電平3 V左右，低電平為0.3V左右。因此可以直接控制NPN管開關(guān)，如?圖2?里面的Q6；一般不直接控制PNP管，如?圖3。我們前控板設(shè)計LED的控制電路采用如下圖2的NPN三極管對地較為合適，并且雙色燈最好是使用共陽雙色燈。
? ? ? ? 以雙色燈的控制為例，如下?圖2所示
圖2 雙色燈的控制
? ? ? ? 圖2?中Q6,Q4是放在發(fā)光二極管的接地端只需要Ub>0.7V即可導(dǎo)通。
圖3 電源的控制
? ? ? ? 圖3中Q35就放在電源端，E為固定12V,只需控制B極來導(dǎo)通三極管。
以下是普遍用法：
NPN基極高電壓，集電極與發(fā)射極短路.低電壓，集電極與發(fā)射極開路.也就是不工作。
PNP基極高電壓.集電極與發(fā)射極開路，也就是不工作。如果基極加低電位，集電極與發(fā)射極短路。
a.如果輸入一個高電平，而輸出需要一個低電平時，首選擇npn。
b.如果輸入一個低電平，而輸出需要一個低電平時，首選擇pnp。
c.如果輸入一個低電平，而輸出需要一個高電平時，首選擇npn。
d.如果輸入一個高電平，而輸出需要一個高電平時，首選擇pnp。
三極管使用時鉗制電壓的問題
圖4 電源的控制
? ? ? ? 如上?圖4，在POWER_UP與三極管b極之間必須要串個電阻，否則當(dāng)三極管導(dǎo)通后，POWER_UP位置電壓會被鉗制在0.7V，設(shè)計時候應(yīng)當(dāng)注意。。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的三极管原理，开关电路设计原则，NPN、PNP区别及常用三极管参数的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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