詳細講解:三極體是怎麼實現電子開關功能的?

2021-01-19 技術閒聊

三極體是最基本的電子元器件之一,其用途廣泛。想要知道三極體是怎麼實現電子開關的功能,首先要了解三極體的基本原理。

三極體的基本原理

三極體和MOS管都可以作為電子開關使用,三極體屬於電流控制元器件,跟MOS管不同,MOS管屬於電壓控制元器件。

三極體有兩種類型,NPN型和PNP型,其結構示意圖如下圖所示。可以看出,三極體是由兩個PN結經過特殊的工藝技術處理形成的。三極體有三個極: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。

▲三極體的結構圖

三極體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,具體跟三極體的特性有關,每個三極體型號都會有自己的死區電壓,具體可查三極體型號的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為三極體的放大倍數。

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。

▲三極體曲線圖

三極體如何實現電子開關功能

了解了三極體的基本原理之後,那麼,三極體是怎麼實現電子開關功能的呢?

電子開關主要控制三極體處於兩個工作區間:飽和區和截止區,

三極體飽和實現電子開關的「開」功能

三極體截止實現電子開關的「關」功能

當然,三極體處於非飽和區間的放大區,三極體也處於導通狀態,也可以實現三極體的開狀態,只是此時的電流並未達到三極體的最大電流,內阻比較大,對於負載電流較小時,也可以在此區間實現電子開關的「開」功能。一般我們使用三極體當電子開關時,為了能夠使三極體達到最大輸出電流,一般都會設計將三極體處於飽和區間。

舉例說明

下面三極體控制燈泡為例,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三極體的接法有些不同,NPN型三極體當下管使用,控制燈泡的負極;PNP型三極體當上管使用,控制燈泡的正極。(為什麼NPN型三極體當下管使用,而PNP型三極體當上管使用?在本人另一篇文章當中當中有詳細說明)

具體原理如下圖所示。

▲三極體控制燈泡原理

NPN型三極體原理實現過程:當I/O口輸入低電平時,由於Ube<死區電壓,Ib=0,三極體處於截止狀態,所以燈泡不亮;當I/O口輸入高電平(3.3V或5V等)時,三極體導通,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,使三極體處於飽和狀態,計算方法為:R1≈(U-Ube)*β/Ic,其中U為I/O口輸入電壓,β為三極體放大倍數,Ic為三極體最大集電極電流,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)。計算較複雜。

PNP型三極體原理實現過程與NPN型三極體類似,PNP型三極體控制燈泡的正極,具體過程:當I/O口輸入高電平(VCC)時,UBE無壓差,Ib=0,三極體處於截止狀態,所以燈泡不亮;當I/O口輸入低電平時,三極體處於導通狀態,燈泡燃亮。

以上是本人的觀點,希望能夠幫助初學者們,大家可以舉一反三,思考一下,使用N溝道和P溝道MOS管怎麼實現電子開關的功能。若有不明白的地方可以評論區下方留言,記得點讚哦,謝謝支持!

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