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

三极管的工作原理

三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

一、电流放大

       下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

二、偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

三、开关作用

下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大 时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后， 烦人三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很 大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。

四、工作状态

如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管 的放大倍数 β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。

对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来——变成朝里的了。
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三极管作开关用

一、三极管作开关原理

图1 基本的三极管开关

输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集 电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。

同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区 (saturation)。

二、三极管开关电路设计

1、 根据要控制的负载合理选用集电极限流电阻RLD(若负载内阻够大，Vcc合适也可不用RLD)，使三极管饱和导通时的电流大于或等于负载正常工作电流，但注意不要超出三极管最大集电极电流。

2、 那如何保证三极管工作在开关（饱和或关断）状态呢？

对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特（对锗管来说，约为0.3V）。

2.1、因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于 0.3伏特。当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。

2.2、欲将电流传送到负载上，则三极管的集 电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电 极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律 三极管呈饱和时，其集电极电流应该为﹕

因此，基极电流最少应为：
  (式1)
上式表出了IC和IB之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管 而言，其交流β值和直流β值之间，有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其Vin值必须够高，以送出超过或等于(式1) 式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，故Vin可由下式来求解﹕

 (式2)

一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上，而完成了开关的闭合动作。

总而言之，三极管接成图1的电路之后，它的作用就和 一只与负载相串联的机械式开关一样，而其启闭开关的方式，则可以直接利用输入电压方便的控制，而不须采用机械式开关所常用的机械引动 (mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或电驿电枢(relay armature)等控制方式。

3、例题1、用三极管做为灯泡开关

图2 用三极管做为灯泡开关

试解释出在图2的开关电路中，欲使开关闭合(三极管饱和) 所须的输入电压为何﹖并解释出此时之负载电流与基极电流值﹖
解﹕由2式可知，在饱和状态 下，所有的供电电压完全跨降于负载电阻上，因此

由方程式(1) 可知

因此输入电压可由下式求得﹕

由例题1-1得知，欲利用三极管开关来控制大到1.5A 的负载电流之启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。此外，三极管虽然流过大电流，却不须要装上散热片，因为当负载电流流过时，三极管呈饱和状 态，其VCE趋近于零，所以其电流和电压相乘的功率之非常小，根本不须要散热片。

4、 例题2、用三极管控制继电器通断

给定一继电器和单片机，设计三极管电路驱动继电器通断？

主要工作：１、根据所给电源选取合适三极管与集电极限流电阻，使三极管饱和导通时电流足以驱动继电器且不超过最大集电极电流2、根据单片机IO电压，选择合适的基极偏置电阻使三极管工作在饱和态。

图3 用三极管做为灯泡开关

图4 继电器参数

图5.三极管参数

如图4红框内，继电器工作电压DC24V，线圈电阻1280欧，额定线圈电流18.7MA。那么我们需要三极管饱和导通时电流大于等于18.7MA。如图三我们给继电器供电24V，则无需加集电极限流电阻（若电源大于24，需加限流电阻），使用9013做开关管。

为使单片机输出+5V时三极管饱和导通，假设9013放大倍数为80（图5），则饱和导通时基极电流需满足 ,即R18需<20K.

在图3中，我们选用R18为512（5.1K欧），单片机输出＋５Ｖ时足以使三极管饱和导通。

5、 例题3、用三极管控制10个LED亮灭（并联）

图6.三极管参数

分析：

1、蓝色LED导通压降3V，工作电流取5MA，因给定电压为5V，那我们取LED限流电阻为（5-3-0.3）V/5MA=330欧（这里假设三极管工作在饱和导通态，Vce=0.3V）,那10个LED并联总电流为50MA，为使单片机输出3.3V时三极管工作在饱和导通态，选取基极偏置电阻需满足：，即R2需<4K欧，我们选取R2=1K欧，足以满足要求。

NPN和PNP区别及使用范围

1.1 NPN与PNP的区别

NPN和PNP主要是电流方向和电压正负不同。

NPN是用B—E的电流（IB）控制C—E的电流（IC），E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即VC>VB>VE。

PNP是用E—B的电流（IB）控制E—C的电流（IC），E极电位最高，且正常放大时通常C极电位最低，即VC<VB<VE。

1.2 NPN和PNP作为开关的使用

三极管做开关时，工作在截至和饱和两个状态。一般是通过控制三极管的基极电压Ub来控制三极管的导通与断开。

图1 NPN与PNP

表2 NPN和PNP的工作状态及条件

如上 图1所示，对于NPN来说，使Ube<Uon，三极管断开，Ube>Uon，三极管导通，其中一般Ue接地，则只需控制Ub,使Ub>Uon即可使之导通。

对于PNP来说，使Ueb<Uon，三极管断开，Ueb>Uon，三极管导通，其中一般Uc接地，所以要使三极管导通既要控制Ue又要控制Ub使Ueb>Uon才行。所以一般是Ue为某个固定电压值，只通过控制Ub来就可以控制三极管的导通与断开。

对比NPN与PNP可知：NPN做开关时，适合放在电路的接地端使用，如图2 里面Q6； PNP做开关时，适合放在电路的电源端使用，如图3。

我们一般使用芯片I/O口来控制LED灯，I/O口的逻辑电平一般为高电平3 V左右，低电平为0.3V左右。因此可以直接控制NPN管开关，如 图2 里面的Q6；一般不直接控制PNP管，如 图3。我们前控板设计LED的控制电路采用如下图2的NPN三极管对地较为合适，并且双色灯最好是使用共阳双色灯。

以双色灯的控制为例，如下 图2所示

图2 双色灯的控制

图2 中Q6,Q4是放在发光二极管的接地端只需要Ub>0.7V即可导通。

图3 电源的控制

图3中Q35就放在电源端，E为固定12V,只需控制B极来导通三极管。

以下是普遍用法：

NPN基极高电压，集电极与发射极短路.低电压，集电极与发射极开路.也就是不工作。

PNP基极高电压.集电极与发射极开路，也就是不工作。如果基极加低电位，集电极与发射极短路。

a.如果输入一个高电平，而输出需要一个低电平时，首选择npn。

b.如果输入一个低电平，而输出需要一个低电平时，首选择pnp。

c.如果输入一个低电平，而输出需要一个高电平时，首选择npn。

d.如果输入一个高电平，而输出需要一个高电平时，首选择pnp。

1.3 三极管使用时钳制电压的问题

图4 电源的控制

如上 图4，在POWER_UP与三极管b极之间必须要串个电阻，否则当三极管导通后，POWER_UP位置电压会被钳制在0.7V，设计时候应当注意。。