三极管如何实现电子开关的原理及功能详解

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。