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，發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發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流至發射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發射極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射極的，所以發射極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（β一般遠大于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，那么根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發生很大的變化。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結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產生（對于硅管，常取0.7V）。當基極與發射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比 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），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導致基極電流的變化，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，當輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當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。當基極電流的增大，不能使集電極電流繼續增大 時，三極管就進入了飽和狀態。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態之后， 煩人三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很 大，以至于三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。

工作狀態

? ? ? ? 如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當基極電流為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 β），三極管就飽和，相當于開關閉合，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、三極管作開關用

三極管作開關原理

圖1 基本的三極管開關

? ? ? ? 輸入電壓Vin則控制三極管開關的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當三極管呈開啟狀態時，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態時，電流便可以流通。詳細的說，當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載亦沒有電流，而相當于開關的開啟，此時三極管乃勝作于截止(cut off)區。

同理，當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，因此負載回路便被導通，而相當于開關的閉合，此時三極管乃工作于飽和區 (saturation)。

三極管開關電路設計

選用集電極限流電阻RLD

? ? ? ? 根據要控制的負載合理選用集電極限流電阻RLD(若負載內阻夠大，Vcc合適也可不用RLD)，使三極管飽和導通時的電流大于或等于負載正常工作電流，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（飽和或關斷）狀態呢？

? ? ? ? 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。通常在設計時，為了可以更確定三極管必處于截止狀態起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關必處于截止狀態。

? ? ? ? 欲將電流傳送到負載上，則三極管的集 電極與射極必須短路，就像機械開關的閉合動作一樣。欲如此就必須使Vin達到夠高的準位，以驅動三極管使其進入飽和工作區工作，三極管呈飽和狀態時，集電 極電流相當大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負載電阻上，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，根據奧姆定律 三極管呈飽和時，其集電極電流應該為﹕

因此，基極電流最少應為：

? (式1)

? ? ? ?上式表出了IC和IB之間的基本關系，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) 式所求得的數值，三極管便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開關的閉合動作。

? ? ? ? 總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和 一只與負載相串聯的機械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，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

圖2 用三極管做為燈泡開關

試解釋出在圖2的開關電路中，欲使開關閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何﹖并解釋出此時之負載電流與基極電流值﹖
? ? ? ? 解﹕由2式可知，在飽和狀態 下，所有的供電電壓完全跨降于負載電阻上，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，欲利用三極管開關來控制大到1.5A 的負載電流之啟閉動作，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，因為當負載電流流過時，三極管呈飽和狀 態，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，設計三極管電路驅動繼電器通斷？

? ? ? ? 主要工作：１、根據所給電源選取合適三極管與集電極限流電阻，使三極管飽和導通時電流足以驅動繼電器且不超過最大集電極電流2、根據單片機IO電壓，選擇合適的基極偏置電阻使三極管工作在飽和態。

圖3 用三極管做為繼電器開關

圖4 繼電器參數

圖5.三極管參數

? ? ? ? 如圖4紅框內，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做開關管。

? ? ? ? 為使單片機輸出+5V時三極管飽和導通，假設9013放大倍數為80（圖5），則飽和導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通。

例題3、用三極管控制10個LED亮滅（并聯）

圖6.三極管參數

分析：

? ? ? ? 藍色LED導通壓降3V，工作電流取5MA，因給定電壓為5V，那我們取LED限流電阻為（5-3-0.3）V/5MA=330歐（這里假設三極管工作在飽和導通態，Vce=0.3V）,那10個LED并聯總電流為50MA，為使單片機輸出3.3V時三極管工作在飽和導通態，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區別及使用范圍

NPN與PNP的區別

NPN和PNP主要是電流方向和電壓正負不同。

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作為開關的使用

三極管做開關時，工作在截至和飽和兩個狀態。一般是通過控制三極管的基極電壓Ub來控制三極管的導通與斷開。

圖1 NPN與PNP

表2 NPN和PNP的工作狀態及條件

? ? ? ? 如上?圖1所示，對于NPN來說，使Ube<Uon，三極管斷開，Ube>Uon，三極管導通，其中一般Ue接地，則只需控制Ub,使Ub>Uon即可使之導通。

? ? ? ? 對于PNP來說，使Ueb<Uon，三極管斷開，Ueb>Uon，三極管導通，其中一般Uc接地，所以要使三極管導通既要控制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通與斷開。

? ? ? ? 對比NPN與PNP可知：NPN做開關時，適合放在電路的接地端使用，如圖2?里面Q6； PNP做開關時，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，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是放在發光二極管的接地端只需要Ub>0.7V即可導通。

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極來導通三極管。

以下是普遍用法：

NPN基極高電壓，集電極與發射極短路.低電壓，集電極與發射極開路.也就是不工作。

PNP基極高電壓.集電極與發射極開路，也就是不工作。如果基極加低電位，集電極與發射極短路。

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，否則當三極管導通后，POWER_UP位置電壓會被鉗制在0.7V，設計時候應當注意。。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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